高等土力学-土力学学科的发展历史

2.土力学学科的发展历史2.11925之前2.21925-20世纪60年代2.360年代-20世纪80年代2.420世纪末－21世纪1.土的强度：边坡稳定、挡土墙稳定、承载力摩尔-库伦强度准则直剪仪及直剪试验2.11925之前-土的强度与渗透2.土中水的渗透：堤坝、井达西定律渗透试验库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806)图72库仑图73直剪仪仪器简图2.21925-20世纪60年代-土的变形土的变形：地基的沉降、土体固结太沙基：有效应力原理与一维渗流固结理论压缩仪、三轴仪强度与变形的分割：强度问题－极限平衡分析；变形问题－压缩仪试验与分层总和法计算。太沙基（KarlTerzaghi)(1883-1963)图74太沙基图75单向固结压缩仪三轴仪简图图76三轴仪2.360年代-20世纪80年代-变形与强度的耦合:土的本构关系模型理论土力学:土的本构关系模型的研究高潮实验土力学:各种复杂应力路径试验仪器计算土力学:有限元法，非线性数值计算实用土力学：解决工程问题近代土力学的分支理论土力学实验土力学计算土力学岩土工程的实践提供计算参数；验证计算结果（模型实验）对试验和模型试验的数值模拟数值模拟试验模拟实用土力学1.土的应力应变模型理论（本构关系模型）弹性——线弹性与非线弹性理论模型塑性——刚塑性、理想塑性、弹塑性理论模型、亚塑性模型、边界面模型内时理论模型几种本构模型线弹性模型非线弹性模型应变软化弹性模型刚塑性模型弹性－理想塑性模型弹塑性模型图77几种本构模型的外应力应变曲线2.土工试验室内试验野外实验与原位测试模型试验足尺试验室内试验:与土的本构关系模型研究相适应的复杂应力路径试验仪器与方法改装式与盒式真三轴仪图78真三轴仪图79平面应变仪图80真三轴仪图82空心圆柱扭剪仪图81方向剪切仪图83空心圆柱扭剪仪环剪仪单剪仪图84单剪仪与环剪仪图85共振柱试验仪原位测试及现场试验原状土的强度与变形指标图86旁压仪及其试验简图plv弹性阶段塑性阶段图87旁压试验曲线ScrewPlateCompressometer图88螺旋板压缩仪IowaBoreholeShearTest图89深孔剪切试验模型试验自重为主的应力应变相似性图90土工离心机（Colorado,Denver)美国科罗拉多大学的离心模型试验机图91清华大学离心机压力水hjh=wih图92渗水力模型试验原理z=iw+＝n图93渗水力模型试验仪器足尺试验昂贵而有效的试验方法图94加筋挡土墙的足尺试验3.土工数值计算:本构关系模型研究的推动与应用将碎散的岩土体看作连续介质-连续介质离散化：有限差分法有限单元法有限条法有限线法边界元法无单元法……渗流与固结计算渗流计算：饱和土体稳定渗流、非稳定渗流计算非饱和土体渗流计算固结计算渗流与受力变形的耦合—有效应力数值分析预压固结渗流固结大变形计算稳定与极限平衡计算分析有限元的极限分析：强度折减，完全塑性模型极限平衡理论分析：滑移线法极限平衡法：假设滑裂面法：条分法、斜条分法、库仑土压力法……土的动力分析经验公式法土的动本构模型液化理论与计算2.420世纪末－21世纪-从抽象的土转为具体的土1.土的本构关系研究方面的总体趋势：从抽象的土转为具体的土:原状土、非饱和土、特殊土。从一般的条件转为具体的条件:土的结构性、以及在卸（减）载、循环加载、动荷载、小应变的性状等方面。土的结构性研究：精典的土力学理论的对象可以说主要是饱和重塑土。堤坝、填方挡工墙、冲填土的固结算问题——地基、基坑开挖、地下工程等问题。1996年沈珠江院士预料：土体结构性的数学模型——21世纪土力学的核心问题。2.土工试验的发展趋势与土的结构性相关，更加重视野外原位测试，高质量的取样技术室内试验：非饱和土－吸力量测，三轴试验；微小应变的三轴试验；应力路径和应变路径控制试验；高水平的动三轴试验模型试验:大尺寸、模拟振动的土工离心机高投入的足尺试验－振动台岩土工程的信息化图95量测微小应变（0.005%）的三轴试验ＬＤＴ：局部变形量测图96不同量测方法的应力应变关系图97非饱和土三轴试验仪图99应力－应变路径三轴试验仪日本兵库县，三木震灾纪念公园大型三维振动试验台面积：20m15m质量：1200t最大加速度：水平－0.9g；竖直－1.5g最大速度：水平-200cm/s；竖直-70cm/s最大位移：水平－100cm；竖直－50cm造价：约5亿美元图100大型振动台实验室图101大型振动破坏试验野外的人工降雨泥石流试验壤土(loam)斜坡崩塌实验1971年11月9日15:00人工降雨开始11日15:00左右降雨量达500mm陡坡中泥土突然以20-30m/s流出斜坡崩塌，泥石流产生推倒28米外的护栏泥石流到达55米外的水池中央31人被埋，15人死亡茨城県真壁郡大和村大字大曽根加波山（標高709ｍ）北西斜面图104现场试验场地2.室外试验关东壤土(风化花岗岩上火山灰堆积层)ρ=1.45w=5%倾角：30°Nc50:1.2～3m图105试验布置示意图过程：09：07降雨开始(降雨強度90mm/hr)10：15浸透深度50cm13：30斜面最下部深100cm处超静孔隙水压力产生15：00斜面下半部移动开始15：30斜面下半部的移动量加速5分钟1mm5分钟3mm5分钟5mm1分钟10mm16：03斜面下半部崩塌录像6－野外滑坡试验以身殉职15人纪念碑15人不幸遇难，11人受伤死者当中实验人员1人参观者10人报社记者1人电视采访人员3人图107纪念碑3.数值计算的发展非连续不确定性静与动的耦合固体与流体计算的耦合岩土介质的离散计算边界面的模型与单元设置离散元法块体理论非连续变形分析（DDA）流形元法（MEM）……颗粒流法DDA(discontinousdeformationanalysis)非连续变形分析12341234-2024681012024681012εa(1/100)εv(1/100)(σ1-σ3)(100kPa)ShearStressVolumeStrain图108DDA计算三轴试验曲线应变软化与滞回圈峰值强度时颗粒排列加载时：p1=3.732p3卸载时：p1=1.0p3残余强度时颗粒排列加载时：p1=1.732p3卸载时：p1=0.577p3图109颗粒的受力分析与应变软化稳定分析边坡三维稳定分析统一的稳定分析：挡土墙、地基、土坡优化与搜索、可靠度、神经网络……不确定性的分析与数值计算随机有限元神经网络可靠度分析模糊分析分形