摘要：本文主要对土力学的一个分支科学——土动力学进行了简要介绍，作为一门发展中的学科，土动力学是研究动荷载作用下的土的变形和强度特性及土体稳定性的一门科学。本文分别就土的动力特性，目前国内外的土体动力本构模型，动力分析，动力测试技术及土与结构物相互作用的现状及进展进行了阐述。本文着重对土体动力本构模型，动力分析，动力测试技术进行了较详细的介绍，并对各种方法的优缺点进行了比较和详述。
Abstract： This paper mainly gives a brief introduction to soil dynamics which a branch science of soil mechanics. As a developing subject， soil dynamics is a science which researches soil deformation， strength characteristic and stability of soil under the moving bearing’s effect. This paper separately elaborates the present condition and progress to soil dynamic characteristic， soil dynamic constitutive model in China and overseas at present， dynamic analysis， dynamic test technology， soil and structure thing mutual effect. The soil dynamic constitutive model， dynamic analysis， and dynamic test technology are introduced in detail， and the advantages and disadvantages of different methods are compared.
关键词：土动力学；土体动力本构模型；动力分析；动力测试技术
Key words： soil dynamic；soil dynamic constitutive model；dynamic analysis；dynamic test technology
中图分类号：TU435 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）29-0171-02
0 引言
土动力学是研究动荷载下，土的变形和强度特性以及土体稳定性的一门科学，属于土力学学科的一个分支。土动力学作为一门新兴学科，近年来受到了人们的广泛关注，关于土动力学的理论研究和实践应用越来越多。应该说，随着现代科学技术的不断进步，土动力学的研究也进入了一个新的阶段。本文将介绍土动力学的主要研究内容及其发展方向，其中包括动力测试技术，土的动力特性，土体动力本构模型，动力分析，土与结构物相互作用这五大部分。
1 土的动力特性
在动荷载作用下，建筑物会发生振动，并且土的强度和变形特性也会受到影响，其受到影响的程度取决于其受到的动荷载作用，尤其是加荷速率和加荷次数。
1.1 动荷载下土的应力—应变关系
动荷载作用下土的应力—应变关系是分析土体动力失稳过程中的一系列特性的主要依据，其表示的是土动力学特性的基本关系。
1.1.1 土的动应力—应变关系的特征
土的动应力—应变关系受到土中水的影响，再加上土本身具有明显的各向异性，使得该关系表现出三个方面的特征，即非线性、滞后性和变形积累。其曲线表示为最大剪应力与最大剪应变之问的关系，反映了动应变的非线性；滞回曲线表示某一个应力环内各时刻剪应力与剪应变之间的关系，反映出应变对应力的滞后性。
1.1.2 应力—应变关系的力学模型
物理类模型主要包括弹性元件、粘性元件和塑性元件三个基本力学元件，弹性元件和塑性元件的应力-应变关系可组合得理想的弹性模型，对于粘弹性模式，在土动力学中，只分析滞后模型。
1.2 砂土的液化
有关权威机构曾对“液化”一词做出过定义，认为其是人和物质转化为液体的行为或过程。对于无粘性土而言，造成其出现液化现象的原因主要有两个，分别是孔隙压力增大和有效应力减小。
三种典型的液化机理：
①砂沸：
由于地下水头的变化使得饱和砂体中的孔隙水压力上升到某个压力值时，该饱和砂沉积体就会出现异常情况，进而影响到自身的承载能力。这种液化主要是由渗透压力造成的，跟其他因素的关系不大。
②流滑：
在单程剪切作用下，饱和砂土的颗粒骨架会呈现出不可逆的体积压缩，然后若为及时排水，就会造成孔隙水压力增大和有效应力减小，进而导致连续的流动变形，这就是流滑。
③循环活动性：
在相对密度比较大的饱和元粘性土中其循环活动性体现的比较明显，这种液化主要与试件在循环作用中的剪缩和剪胀交替变化相关。
饱和砂土出现液化与很多因素有关，比如土体本身条件、动荷条件、起始的应力条件和排水条件等。
2 土体动力本构模型研究
饱和砂土的实际动力本构关系的发展主要表现在三个方面，分别是本构理论、数值计算和测试技术。动荷载作用下，在一开始研究饱和砂土体动力特性时，由于受到诸多客观原因的限制，特别是当时的测试技术非常落后，往往最终的测试结果和实际情况相距甚远，在这种情况下，对饱和砂土体动力特性的研究是不科学的，不具说服力。因此以该结果为基础建立的土体动力本构模型也是不科学的，其动本构关系的描述非常简单，这只是土体动力本构模型的初级阶段。之后经过相关人士的不断努力，再加上现代科技的不断进步，该模型被注入了越来越多的新元素，处于逐步完善的阶段，其最终的测试结果正在向实际情况渐渐靠拢，对于饱和砂土体动力特性的研究也越来越全面化了。同时需要注意的是有限元方法为代表的数值计算方法也起到了非常关键的作用。综合分析上述情况发现，由于饱和砂土的实际动本构关系及其复杂，要想建立一个模型可以适用于所有的动本构关系是几乎不可能的，面对这种形势，在实际的设计动本构模型当中，应结合不同的工程问题，分析不同土体的实际情况，有的放矢的建立一个能够反映实际情况的动本构模型。
现阶段，动本构模型主要包括两大部分，分别是粘弹性理论和弹塑性理论。
3 土工动力分析研究
土工动力分析方法主要包括总应力动力分析法、有效应力动力分析法和弹塑性动力分析法等。以下介绍一下三种分析方法：
3.1 总应力动力分析法
总应力动力分析法是直接运用室内试验中所取得的各项数据和曲线，然后经过多次迭代，得到一个与某种应变水平相协调的等效线性体系，进而得到接近的解答。
3.2 有效应力动力分析法
由于在不同状况下土中孔隙水压力的产生、增长、扩散以及消散规律等表现不一，这一度成为判断是否出现液化的难点，而随着有效应力动力分析法的出现，这个问题迎刃而解了。相对来说，总应力动力分析法无法描述液化的全过程，但是有效应力动力分析法可完整的描述液化的全过程。有资料显示：用总应力法预测会液化的话，用有效应力法预测也可能不会液化；但是若用有效应力法预测会液化的话，用总应力法一定会液化。
比如小浪底斜心墙堆石坝地震反应分析中就曾应用过有效应力动力分析法，采用有效应力动力分析法分析地震的反应是根据土料是否液化实现的，可采用两种评价方式：一是引入孔压水平来评价单元孔压相对值。当孔压水平大于0.9时认为该单元液化；而当孔压水平介于0.5-0.9时认为该单元破坏。另一种方法是采用西特安全系数法来评价可液化土体的抗震性能。这种方法首先根据地震震级与等效周次的关系查得相应的等效振动次数，然后根据试验结果求得相应静力条件的土料在等效振动周期的动强度。各单元相应振动周数的动强度与各单元在整个地震历时的等效剪应力之比即为各单元的西特安全系数。由此求得的西特安全系数一般偏大，因此通常认为Fs≤1.3为液化区、1.3 将该有效应力分析方法运用与小浪底斜心墙堆石坝地震反应分析中，计算结果是正确的，受到了有关专家的肯定，同时它不仅适用于砂硕石、掺砂土，而且对于细粒土的动力试验结果也符合要求，具有广阔的应用前景。 3.3 弹塑性动力分析法 虽然有效应力法比总应力更加科学有效，但本质上两者的原理是一致的，都是通过计算地震作用下土体的平均永久变形和孔隙水压力的发展过程。而弹塑性动力分析法的出现改变了这一情况，通过采用弹塑性模型，利用将位移和渗流相耦合的动力Biot固结方程，可以直接求解出任一时刻土体内各点的地震反应。如果说总应力法是过去常用的方法，有效应力法是现阶段常用的方法，而弹塑性动力分析法就是未来的发展趋势。 国内外很多相关专家学者对此进行了深入了研究，比如Yiagos基于对运动方程的Galerkin数值列式建立了动力弹塑性分析方法；王志良的基于Dafalias低塑性边界面理论而建立的弹塑性模型结合进有限无程序，对一维问题进行了地震反应分析等。由于我国在这方面的起步较晚，应加大相关投入力度，提高我们在这方面的研究优势。 4 土工动力测试研究 土工动力测试分为室内测试技术、原位测试技术。 4.1 室内测试技术 土体的室内测试试验有动三轴试验、共振柱试验、离心模型试验等类型。动三轴试验，其利用计算机进行自动控制、数据采集和数据的处等。 4.2 原位测试技术 原位测试技术有地震法原理和动力荷载试验两类，地震法原理中要观察土层中弹性波的传播速度，计算动力变形参数，其中计算的方法包括折射法和反射法等；动力荷载试验的动力旁压试验，更多用于测试较大应变时的变形参数。 5 结束语 本文叙述了土体的动力本构模型、土工动力分析方法和土工动力测试的研究发展。因为岩土材料的力学特性，特别是动力循环特性的复杂性，应该说其弹塑性理论模拟是一个可行的研究方法，故其应用具有非常广阔的前景。 参考文献： [1]吴世明.动荷载下士的变形特性及其测试[J].水利学报，1997（l2）. [2]吴世明，等.利用表面波频谱分析测试土层波速[J].地震工程与工程振动，1998. [3]吴世明，陈龙珠.关于跨孔法波速测试的若干问题[J].建筑与市政工程，1997（4）：27-32. [4]吴世明，陈龙珠.饱和土中弹性波的传播速度[J].应用数学和力学，1999. [5]吴世明，等译.土动力学原理[M].北京：中国建筑工业出版社. [6]黄文熙，主编.土的工程性质[M].北京：水利电力出版社，2000. [7]汪闻韶.土的液化机理[J].水利学报. [8]黄文熙，主编.土的工程性质[M].北京：水利电力出版社. [9]谢定义.土动力学[M].西南交通大学出版社. [10]钱家欢，殷宗泽，主编.土工原理与计算[M].二版.北京：水利电力出版社. [11]刘剑.土动力学的发展及研究现状[J].山西建筑，2004（19）：61-62. [12]王胜远，程相来.土-结构动力相互作用研究进展综述[J].中国科技财富，2011（6）. [13]宋振河.土的量化记忆模型参数确定与应用研究[D].大连理工大学，2003（58）. [14]徐斌.饱和砂砾料液化及液化后变形与强度特性试验研究[D].大连理工大学，2007（38）.