《土动力学实验》
《土动力学实验》课程教学大纲
课程编号：031157 学分：0 周数：0.75周
大纲执笔人：黄茂松大纲审核人：李镜培
说明：《土动力学实验》是033027《土动力学》及031349《土动力学与基础抗震》课程的实验部分，该课程有课号、有学时、无学分。
一、实验性质与目的
《土动力学实验》是土木工程专业的实践环节课程。
其主要教学目的为：使学生了解土的动力特性，掌握地震区场地评价方法，了解砂土液化的基本概念及评价方法和处理措施，掌握基础振动分析方法并能够进行动力基础的设计，掌握地基基础的抗震强度验算方法以及抗震措施，掌握一些基本的实验方法如：地基土动力参数的测试、基础动力测试、桩基础动力检测等。
二、课程面向专业
土木工程专业
三、实验基本要求
1．通过实验掌握振动理论以及波动理论中的有关知识；
2．通过实验掌握波速测试的方法；
3．通过实验掌握激振法测试地基土动力特性参数的操作与数据处理。
四、实验教学基本内容
1．振动模型实验：对一质量－弹簧－阻尼体系激振，采集振动信号，采用质量－弹簧－阻尼体系振动理论分析振动数据。
2．波动模型实验：对一杆件的杆端进行激振，采集振动信号，采用应力波在一维杆件中的传播方程对数据进行处理。
3．波速测试现场实验：采用跨孔法测试地基土的剪切波波速。
4．激振法现场实验：采用竖向强迫激振法测试地基土的抗压刚度系数。
五、实验内容和主要仪器设备与器材配置
六、实验预习和实验报告的要求、考核方式
学生应当在实验以前掌握与实验有关的各方面的知识，如理论方面、操作方面、数据处理方面、工程应用方面。
实验结束后编写实验报告，实验报告中要包括上面提到的四方面的内容。
考核方式包括以下几个方面：1、实验操作；2、数据处理；3、报告编写。
七、学时分配
八、教材、实验指导书与主要参考书
教材：
《土动力学》，自编教材。
主要参考书：
《土与基础振动》，F.E Richart,Jr.U .S .A。
《土动力学》，Dao U.S.A浙江大学翻译。
实验指导书名称：
《土动力学基础》。
土动力学5--土的动力指标及其测定-121页
2021/3/1
土动力学
采用等效荷载试验时，必须全面验算由于 荷载图式改变对构筑物产生的各种影响。
当试验满足强度等效而整体变形条件不等 效时，则需进行变形修正
当取弯度等效时，尚需验算剪力对构筑物 的影响。
2021/3/1
2021/3/1
土动力学
正交试验设计
如果因子数和水平数增加，则试件数量随 之增加。
对于多因素问题，可采用正交试验设计法 利用正交表从尽可能少的试件试验中掌握 试验条件和试验结果之间的内在规律（参 阅有关正交试验设计的专著）
正交试验设计可以只需少量的试件得到主 要信息，从而对研究问题作出综合评价
必须保证试块材质的同一性、同批试件砌筑工艺的同 一性和试验龄期的同一性
必须按照标准方法进行材料试验，并注意试块尺寸效 应和试验加荷速率对材料强度可能产生的误差
2021/3/1
土动力学
试件组合数目设计实例
3个分析因子，各2种状态。由表可知：截面积增大，抗剪 强度降低；砂浆强度或垂直应力增大，抗剪强度增大
2021/3/1
土动力学
试件号 1、5 4、7 试件号 1、7 4、5
2021/3/1
砂浆强度（MPa） 0.5 2.5
垂直应力（MPa） 0.064 0.302
土动力学
模型试验的加载制度
试验加载制度是指模型试验进行期间控制 荷载与加载时间的关系，包括加载速度的 快慢、加载设计间歇的长短、分级荷载的 大小和加载卸载循环的次数等
试件的承载能力和变形性质与其所受荷载 作用的试件特征有关
对于不同性质的试验，必须根据试验的要 求制定不同的加载制度
土动力学
《土动力学》课程教学大纲课程编号：033027 学分：2.0 总学时：34+18（上机）大纲执笔人：杨德生大纲审核人：高彦斌本课程有配套实验课031157《土动力学实验》，0学分，13（0.75周）学时。
一、课程性质与目的《土动力学》是地质工程专业的专业课程，为必选课。
其主要教学目的为：让学生掌握土动力学基本理论（包括振动理论、波动理论）、土的动力特性、地震区的场地评价方法、砂土液化评价方法、动力基础设计方法、地基基础的抗震设计、地基土动力参数测试及桩基动力测试的基本理论及实验技能。
二、课程基本要求使学生掌握振动理论、波动理论的基本方法，了解土的动力特性，掌握地震区场地评价方法，了解砂土液化的基本概念及评价方法和处理措施，掌握基础振动分析方法并能够进行动力基础的设计，掌握地基基础的抗震强度验算方法以及抗震措施，掌握一些基本的实验方法如：地基土动力参数的测试、基础动力测试、桩基础动力检测等。
三、课程基本内容（一）绪论了解土动力学的必要性和重要性，了解土动力学的目的的要求，介绍土动力学的发展趋势。
（二）振动理论着重讲解质点振动理论及其在土动力学中的应用。
（三）波动理论讲授波在无限长度杆件、有限长度杆件中的传递理论及在弹性半空间体中的传递理论。
着重讲解利用波动理论推导共振柱法及桩基动力检测的基本公式，讲解共振柱法及桩基动力检测的实验过程及资料分析。
掌握共振柱法及桩基动力检测的基本实验技能。
（四）土的动力特性讲授土的动力特性及其非线性关系的基本理论，讲解室内实验（动三轴、共振柱试验）及野外试验（波速法）实验过程及资料分析方法。
掌握土的动力特性非线性关系的分析方法及野外试验（波速法）的基本实验技能。
（五）地震区的场地评价讲授地震区的场地评价的基本方法及场地地震反应分析法，简要介绍地震小区划分的基本要领及国内外的进展情况。
掌握地震区的场地评价的基本方法（包括场地的分类、液化场地判别的各种方法）。
（六）砂土液化讲授砂土液化的基本概念及分析评价方法，以及砂土液化的处理与防治。
岩土工程专业土动力学课件（非常完整）
岩土工程专业土动力学课件（非常完整）第一章绪论土动力学是研究各种动荷载作用下土的变形、强度特性及土体稳定性的一门学科。
一、动荷载的类型及特点有两类常见的动荷载：冲击荷载与振动荷载。
1.冲击荷载。
爆破、爆炸以及各种冲击引起的荷载，这类荷载对土体的作用主要体现在荷载的速率效应对土体强度与变形的影响。
2.振动荷载。
地震，波浪，交通，大型机器基础等引起的荷载，这类荷载对土体的作用主要体现在3个方面：（1）荷载的速率效应对土体强度与变形的影响（2）荷载循环次数的影响（疲劳）（3）荷载幅值的大小二、土动力学的研究任务探求动荷载作用下土体变形、强度变化的规律性，运用近代力学的原理，分析研究土工建筑物及建筑物地基在各种动力影响下的变形与破坏规律。
研究内容包括两大方面的内容：土的动力特性土的动力稳定性6个方面的研究问题，包括：（1）工程建筑中的各种动荷作用及其特点（2）土体中波的传播（3）土的动力特性：土的动强度、动变形、土的震动液化等。
（4）动荷载作用下的土体本构关系（土的动应力应变关系问题）（5）土动力特性测试方法与测试技术（6）动荷载作用下土体的稳定性，包括动荷作用下土与结构物的相互作用，地基承载力，土坡稳定性以及挡土墙的土压力。
三、土动力学发展阶段与发展趋势第1阶段（20世纪30年代）动力机器基础研究第2阶段（2次世界大战以后）冲击荷载作用下土的动力学问题研究第3阶段（20世纪60年代以后）振动荷载作用下土的动力学问题研究（地震、海洋、交通等）当前的主要发展趋势（4点）：（1）注重研究土体的动力失稳机理（2）进一步深化对土的动应力应变关系的研究（3）进一步深化土与结构物相互作用的研究，即利用更加真实的土动应力应变关系，将结构物与土体相互作用过程中的变形与破坏作为一个整体进行仿真计算分析。
（4）注重现场观测结构、模型试验结果、计算分析结果的相互印证研究第二章土的动力特性土的动力特性是指动荷载作用下土的动强度特性与土的动变形特性。
土动力学创新性实验教学中的宏细观思维
波 浪荷载 的主应力 轴旋 转等 效应 。而场 地 效 应 、 杂 的 土层 分 布 以及 土 与 结 构 复
动力 相互 作用 等进 一 步加剧 了问题复 杂性 ， 土 动力学 课 程涉及 地 震工 程学 、 使 弹 性动 力学 以及 土力 学与 基础 工程 等领 域 ， 成为 一 门 比较 难 掌握 的课 程 ， 在研 究 型 大学 里 主要 面 向研 究生 （ 高年 级本 科 生 ） 或 开设 。 目前 ， 动 力学 分 析方 法 主要 土 以室 内单 元体试 验 为基 础 ， 以适 当的现 场实 测数 据 ， 对所 研究 的环境 条件作 辅 并 适 当简化 。计算 结 果反 映实 际 的程度 需通 过现 场 和室 内试 验 以及 实 际震 害观 测
摘要 ： 土动 力特 性 的复 杂性和 室 内外试 验 对土 动 力学理论 与 实践 的 重要促 进 作 用 ， 定 了土动 力 学 实验教 学 决
的 重要性 。 文章分 析 了 目前 土 动力 学 实验 教 学 中存 在 的 问题 ， 出 了研 究 型 大 学 的土 动 力 学 实验教 学应 注 提
重培养学生宏观与细观相结合的创新思维， 在实验 中提高其宏观调 查与问题抽 象能力、 细观观测与机理揭示 能力， 正确 掌握土的基本动力特性及其 工程性状 ， 高学生解决实际工程问题的能力。 提
关键词 ： 土动 力学 ； 新性 ； 创 实验教 学 ； 细观 ； 究型 大学 宏 研
中图分 类 号 ： Ｕ ３— Ｔ４ ４ 文 献标 志码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ５２ ０ （ ０ ０ Ｏ － ８ －４ １ ０ －９ ９ ２ １ ） １ ０ ５０ ０
土 动力 学是 土力 学 的一个 重要 分 支 ， 是研 究 各 种 动荷 载 （ ： 震 、 通 、 如 地 交 波
土动力学实验报告参考模板
目录试验1：单孔法（检层法）波速测试 (1)一、试验目的 (1)二、试验基本原理 (1)三、试验设备描述 (2)四、试验过程与步骤 (2)五、数据处理 (2)试验2：面波（瑞利波）波速测试 (9)一、试验目的 (9)二、试验基本原理 (9)三、试验设备描述 (9)四、试验过程与步骤 (9)五、数据处理 (10)试验3：反射波法测试桩的完整性 (13)一、试验目的 (13)二、试验基本原理 (13)三、试验设备描述 (13)四、试验过程与步骤 (13)五、数据处理 (14)参考文献 (16)试验1：单孔法（检层法）波速测试试验日期：2012年11月12日（第10周周一，7、8节课）试验地点：岩土楼后试验场一、试验目的测试各个土层的波速，为工程抗震设计和研究土的动力特性提供具体参数。
二、试验基本原理单孔法波速测试，是在一个垂直钻孔中进行波速测试的一种方法。
首先根据勘察要求用钻机成孔，然后将钻孔检波器放至预定深度的测试点，并同时在孔口附近设置激震板，测出由激震板产生的波到孔中检波器所需的时间t ，就可以求得剪切波在土中的波速（本试验中，波速均为土层平均波速）。
试验示意图如图1-1所示。
图1-1 单孔法波速测试示意图波速计算公式为：s L v t= 式中，L 为波的行程，22L H R =+；H 为测试点深度；0.97m；180°的剪切波特性确定。
三、试验设备描述1、激震板。
一块长约3m，宽约0.3～0.4m，厚约0.1m的木板。
测试孔应位于木板长轴的中垂线上，距离为约1m，本试验中为0.97m。
木板与地面紧密接触，同时木板上应该有约500Kg的压重（本试验中是在木板上站7名同学作为压重）。
2、重锤。
用于敲击激震板两端，从而产生弹性波。
3、检波器及连接线。
检波器有两个，孔口检波器（单向检波器）用于采集木板下的激震波，而钻孔检波器（三分向检波器）应放至预定深度的测试点，用于接收波信号。
4、信号采集系统。
土动力学课件4.ppt
AL为三角形COM的面积， 表示加载至应力幅值时弹性土
体内所储存的势能。
2020/11/9
土动力学
实验证明：土的阻尼比与动剪切应变的关系曲线也符合 双曲线变化规律，可表示为
2020/11/9
土动力学
2020/11/9
土动力学
骨干曲线的数学表达式
(1) Konder(1963)和Hardin(1972)
2 m
c
2020/11/9
(4 - 2)
土动力学
W
2 m
c
W
W
2020/11/9
土动力学
(4 - 3)
(4- 4)
2020/11/9
土动力学
理想弹塑性模式的应力应变关系
2020/11/9
土动力学
粘塑性模式（冰罕姆体）的应力应变关系
2020/11/9
土动力学
双线性模式
当 d 0时， d E1＋E2 d
• 在自由振动中，阻尼表现为 质点的振幅随振次而逐渐衰 减。
• 在强迫振动中，则表现为应 变滞后与应力而形成滞回圈。
• 振幅衰减的速度或滞回圈面 积的大小就是阻尼的大小。
2020/11/9
土动力学
介质的粘滞阻尼力与运动的速度成正比
F c U
• 周期性荷载作用时，土体产生剪应变所对应的剪应力， 包括弹性剪应力和阻尼剪应力两部分。
• 阻尼剪应力作负功，等于内摩擦作用消耗的能量。
2020/11/9
土动力学
滞回圈ABCDA的面积，就代表相应 消耗的能量。
土在周期性动荷载一次循环中所消 耗的能量与该循环中最大剪应变对 应的势能之比，称为土的阻尼比。
在动三轴试验中，采用下式计算土 的阻尼比
土动力学(课堂PPT)
8 扭转 4.463 4.731 6.00 2.739 -38.63
31.07.2020
.
50
31.07.2020
.
2
振动台试验在抗震研究中的作用
研究结构的动力特性、破坏机理和震害 原因 验证抗震设计理论和计算模型的正确性 研究动力相似理论 检验产品的抗震性能 为结构抗震静力试验提供依据
31.07.2020
.
3
试验设计应考虑的因素
试验结构的周期 结构所在场地条件 振动台台面的输出能力
31.07.2020
地基模型的运动以侧向位移为主，位移方向朝 向离岸方向，表明重力作用是地基运动的主要 影响因素。
基底土的强度降低和局部液化是挡土墙变形破 坏的主导因素，墙后动土压力的增加，为挡土 墙的运动提供了条件。
31.07.2020
.
33
实例二、上海东方明珠广播电视塔振动试验
1：50
31.07.2020
.
34
模型和原型的主要相似关系
模型的振型形式与计算机对原型的计算结果基 本一致 扭转频率旁都伴有平动频率，这一现象将导致 结构在地震动下容易引发扭转振动 输入地震波时自振频率下降，结构刚度改变， 表明模型出现了微裂缝 地震结束时自振频率增高，说明部分裂缝闭合， 钢筋又进入弹性阶段
31.07.2020
.
42
加速度反应
结构东、西塔楼加速度反应不一致 模型开裂后，在两塔楼中部加速度反应较大， 且随着开裂程度的加深，加速度反应越来越 大
根据相似关系，可得原型结构自振频率。前 三阶频率与场地卓越频率较近，可能发生共 振，且第三频率为扭转频率，易引起结构扭 转破坏
31.07.2020
.
43
土动力学实验报告
土动力学实验报告实验报告：土动力学实验引言：土动力学是地震工程的一个重要研究领域，通过对土体在地震荷载作用下的变化和响应进行研究，可以为建筑设计和工程建设提供重要参考依据。
本实验旨在通过模拟地震环境下土体的动力特性，探究土体在地震荷载作用下的变形和破坏行为。
实验目的：1.了解土动力学的基本原理和概念2.学习使用土动力学仪器进行实验操作3.观察土体在地震荷载下的变形和破坏特性实验装置和方法：本实验使用了土动力学实验装置，包括振动模拟装置、土样容器、位移传感器等。
具体实验步骤如下：1.准备土样容器，将实验土样填充到容器中，并按照一定密实度加压。
2.将振动模拟装置固定在土样容器的一个侧面，调整振动模拟装置的频率和幅度。
3.连接位移传感器，测量土样容器在地震荷载下的位移变化。
4.启动振动模拟装置，进行模拟地震荷载下的振动实验。
5.记录土样容器的位移变化，并观察土样的变形和破坏特性。
实验结果：通过实验观察和数据记录，得到了以下实验结果：1.随着振动模拟装置振动频率的增加，土样容器的位移呈现出周期性变化。
在低频率下，土样容器的位移变化较小；而在高频率下，土样容器的位移变化较大。
2.随着振动模拟装置振动幅度的增加，土样容器的位移幅度也增加。
在小振幅下，土样容器的位移变化较小；而在大振幅下，土样容器的位移变化较大。
3.在地震荷载的作用下，土样容器发生了一定程度的变形和破坏。
土样容器上表面出现了裂缝和滑动现象，部分土样颗粒发生松动。
4.土样容器的变形和破坏行为受到土样的密实度和湿度等因素的影响。
密实度较高的土样容器在地震荷载下的变形和破坏较小；湿度较高的土样容器在地震荷载下的变形和破坏较大。
讨论与分析：通过实验结果的观察和分析，我们可以得出以下结论：1.振动频率和振动幅度是影响土样容器位移变化的重要因素。
随着频率和振幅的增加，土样容器位移幅度增大，说明土样对地震荷载的响应较为敏感。
2.土样容器的变形和破坏行为与土样的密实度和湿度密切相关。
土的动力特性测试
（3）电动-液压式激振 电动-液压式激振是利用小型电磁式激振器来推动液压随动系统， 使液压再往复作用到液压伺服阀上，引起台面的振动(如下图所示)。
它既可用液压随动系统代替大功率的功率放大器，适合于产生大的激振 力，又保留了电磁式激振器易于实现自动控制，且能产生各种振动和 波形的优点，但它要求地基坚固，并会对周围建筑物产生影响。
动三轴试验
轴对称应力条件下的动扭剪三轴仪系统得到了较好的应用(如 图3.2所示)。
它可以在圆柱状试 样的顶面上施加往返作 用的扭矩，原则上实现 了纯剪条件。
在将它的柱状试样改为管状试样后，还可控制施加的动剪应力和管内外 的侧压力，使试样内的剪应力比较均匀。在将内外等高的管状试样改 为不等高，使试样的外高h1和内高h2之比等于试样外径r1和内径r2之 比之后，则它更能使试样内各点的剪应变相等，得到均匀剪应力
振动台的振幅不随频率而变化。 优：这种振动方式能运行在低频和大位移下，结构简单可靠 缺：只能产生正弦波，振动波形差，不易自动控制
②离心式激振 离心式激振也称偏心块式激振，如图3.7（a）所示，它靠两组 它传到地基的振动力小，对地基要求不高，输出波形也较好 偏心块在作反向运动时产生的离心力来激振。激振力的大小可以 通过改变偏心块质量m、偏心距r或旋转速度ω来调节。
第三章 土的动力特性测试
3.1 概述
认识一种介质、揭示它本质特性的最有效和最根本的方法是对它 进行全面的试验测试，试验测试是土动力学发展的基础。对于土
在动荷载作用下变形强度发展的规律以及表征这些特性的基本指
标，都必须通过室内和现场的动力测试来获取。 土动力特性的试验要求根据一定的试验方案，先在一定的试样容
图3.13是我国QDY系列电液伺服阀的一种形式。在图中永磁产生 的磁通功Φp由上向下，而由控制线圈电流产生的磁通Φc在磁隙b、 c处与Φp同向，在磁隙a、d处与Φp反向，这就使得衔铁作一逆时针 角位移，使在喷嘴档板处的右间隙减小，而左间隙增大，引起油压 P2>P1 ，推动滑阀左移，同时带动钢球、反馈杆、衔铁组件顺时针 转动，直至档板、衔铁组件上的诸力达到平衡为止。若电流方向改 变，则上述运动过程相反，滑阀往复运动使负载也作循环变化，从 而将动力作用也施加到试件上。
《土动力学测试》课件
案例三
总结词
核电站建设项目的土动力学数值模拟
详细描述
该案例介绍了某核电站建设项目的土 动力学数值模拟分析，通过建立数值 模型，模拟核电站周围土体的动力响 应和稳定性，为核电站的安全建设和 运营提供技术支持。
CHAPTER 06
土动力学测试的未来发展与 挑战
新型测试设备与技术的发展趋势
智能化测试设备
感谢您的观看
土动力学在土木工程、地震工程、交 通工程等领域具有重要意义，是保障 工程安全的重要基础。
土动力学的研究内容与目的
研究土的动力特性，包括土的动 剪切模量、阻尼比、动强度等。
研究土的动力响应，如地震、车 辆等动荷载作用下土体的位移、
应力、应变等。
研究土的液化、震陷等现象，提 出相应的防治措施。
土动力学的应用领域
《土动力学测试》 PPT课件
目 录
• 土动力学概述 • 土动力学测试方法 • 土的动力学特性 • 土动力学测试设备与技术 • 土动力学测试案例分析 • 土动力学测试的未来发展与挑战
CHAPTER 01
土动力学概述
土动力学的定义与重要性
土动力学是研究土体在动荷载（如地 震、波浪、车辆等）作用下的应力、 应变、强度和稳定性等特性的学科。
地震工程
研究地震作用下土体的稳定性 ，预测地震造成的土体震陷和
液化。
交通工程
研究车辆荷载作用下土体的动 力响应，评估道路和桥梁的安 全性。
ห้องสมุดไป่ตู้水利工程
研究波浪、水流等动荷载作用 下土体的稳定性，设计合理的 防波堤、水坝等工程结构。
核废料处理
研究核废料处理设施周围土体 的动力响应，确保核废料处理
设施的安全性。
土的动剪切模量