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高等土力学（AdvancedSoilMechanics）张钦喜北京工业大学2014.09高等土力学（32h）（AdvancedSoilMechanics）主要参考文献：1、土的本构关系蒋彭年科学出版社19822、土的塑性力学屈智炯成都科技大学出版社19873、土的塑性力学龚晓南浙江大学出版社19904、高等土力学龚晓南浙江大学出版社19905、高等土力学李广信清华大学出版社20036、土的工程性质黄文熙水利出版社19807、TheMechanicsofSoil(1978)---AnIntroductiontoCriticalStateSoilMechanicsJ.H.Atkinson,P.L.Bransby主要内容1、引言2、土工试验3、应力分析、应变分析4、屈服准则5、几个模型Duncan—ChangModelLade—DuncanModelCambridgeModel6、渗流问题7、简单的测试与讨论李广信70万字1、土工试验及测试2、土的本构关系3、土的强度4、土中水及土中的渗流及计算5、土的压缩与固结6、土工数值分析（1）—极限平衡7、土工数值分析（2）—渗流与变形龚晓南24万字1、土的结构与分类2、土的渗透性与渗流3、固结4、沉降分析5、抗剪强度比本科教材内容更深入一步的知识，适当的介绍新的发展和成果，使研究生们对于土力学学科能有比较深入和全面的了解，为他们的选题打下一定基础----李广信龚晓南-土塑性力学（26万字）1、绪论2、连续体力学的基本概念3、土的变形特性4、土的弹性模型5、弹塑性模型理论6、土的弹塑性模型7、粘弹塑性模型的基本概念8、内蕴时间塑性理论9、圆孔扩张理论10、滑移线场理论11、极限分析法12、分叉理论引论0引言关于土我们知道什么？1、土是三相体系—土的三相草图、三相比例指标2、土中水的运动—Darcy定律、一维固结理论3、土中的应力计算—布氏解及应用4、土的变形—压密定律、广义胡克定律5、土的变形具有非线性、弹塑性、粘滞性、流变性、剪胀性、压硬性等6、土的强度—库伦定律和摩尔库伦理论7、三个经典问题—土压力、边坡稳定、地基承载力8、土工问题的分析方法—极限平衡法一些主要的测试方法：常做的室内试验：1、物理性质试验—ρωωLωp粒度分析2、压缩试验—ES，a，CV3、直剪试验—c、Ф4、三轴试验—c、Ф，c’、Ф’，其他参数5、渗透试验—k6、无侧限抗压试验—qu体积含水量€=VW/V比体积（specificvolume)µ=V/VS=1+e(Vs=1时的土体体积)现场试验：1、荷载试验—E0PcrPu2、旁压试验—E003、贯入试验—N（N10、N、N63。5、N’120）4、抽水试验（注水试验）—k5、大型直剪试验—c、Ф（反映土的结构性）6、十字板剪切试验—cU（ФU=0）7、基床系数试验直径0.3米的标准压板kv=p/sKvl=0.3kv/b原型监测问题：应力计算—布氏解（均质、连续、弹性体)变形问题—线性变形体Es(E0)强度问题—理想刚塑性体---极限平衡理论εεσστfE11、沉降计算问题2、土压力问题3、边坡稳定问题4、地基承载力问题强度问题加变形问题极限平衡分析条分法k=1.4上海倒楼问题强度问题加变形问题成寿寺邮电出版社基坑(上抬)相互作用问题有限土体土压力问题深、大基础承载力问题Pu=cNC+rdNq+rbNr/2内蒙鄂尔多斯某砼搅拌站σε非线性、弹塑性、粘滞性、流变性剪胀（缩）性、压硬性应力路径依赖性、应力水平依赖性参数测定的问题！！！高等土力学就是进一步研究土的变形性状、破坏特点，提出更加符合土的实际情况的应力—应变关系模型、破坏与屈服准则等，用于土工问题的分析计算、数值模拟等，以便将土的变形问题和强度问题的分析结合起来，得到更符合实际的解答。土力学发展的四个阶段：1、1925年以前：孤立的解答，库仑定律、达西定律2、25年—60’：有效应力原理、一维固结、三轴试验、比奥固结理论。强度与变形分开考虑3、60’—80’：计算机的发展和普及，计算技术的发展，使得可以引入复杂的应力应变关系，借助计算机求解复杂问题。三个分支：理论土力学—本构关系，线性、非线性，弹性、弹塑性试验土力学—各种复杂应力路径的试验，真三轴、动三轴计算土力学—各种数值计算技术，非线性，增量法4、80’以后：非饱和土的研究，大型震动台对土动力学的促进，岩土工程信息化（3D、GIS）1776150年192377年一、土工试验1、物理、力学、水力2、常规、研究性的3、室内的、现场的1、直剪试验、单剪试验、环剪试验直剪试验(directshear)单剪试验(simpleshear)环剪试验(torsional(orring)shear)应变控制式直剪仪分为土工试验的重要性：土是地质历史的产物，每种土不同，各地的土不同直剪试验(directshear)单剪试验(simpleshear)环剪试验(torsional(orring)shear)特别适合于大变形下的残余强度2、側限压缩试验pee-logp曲线e-p曲线压缩系数、压缩模量、体积压缩系数、前期固结压力、固结系数等3、常规三轴试验（1930年，美国哈佛大学卡萨格兰德）σ1-σ3εvεa加工软化加工硬化不同应力路径下来做三轴试验:1、常规σr不变σa增加σr不变σa减小σa不变σr增加σa不变σr减小σa增大σr减小但平均应力不变σr增大σa减小但平均应力不变其他三轴压缩三轴挤压（三轴拉伸）三轴挤压三轴压缩三轴压缩三轴挤压σa1.414σr高压三轴试验：深部岩土力学问题(高围压)----矿大,清华大型三轴试验：粗颗粒土、坝体材料，最大粒径达1米以上，坝高达200米以上（4000kPa）,需要大型高压三轴试验。一些尾矿料、垃圾土也需要做大型高压三轴试验。三轴试样的直径要大于最大粒径的4-6倍，不现实。已经做到直径数百mm,围压数千kPa。发展出了动三轴、高压三轴试验、大型三轴试验、非饱和土三轴试验动三轴试验：地震作用、机械振动（风机，海上钻井平台）1、σ3=常数σ1=σ±σd2、σ3=σ±σdσ1=σσd真三轴试验三个方向独立施加和控制应力，研究中主应力对变形、强度的影响。4、空心圆柱扭剪试验方向剪切试验共振柱试验5、模型试验1、1g下的模型试验（=1：6）2、ng下的模型试验—离心机模型试验主应力方向偏转时的性状6、现场试验1、载荷试验（浅层、深层）2、静力触探3、动力触探4、十字板剪切5、旁压试验6、基床系数试验7、抽水试验W落距端部贯入量符号轻型10kg50cm锥尖30cmN10标准贯入63.5kg76cm筒靴30cmN重型贯入63.5kg76cm锥尖10cmN63.5超重型贯入120kg100cm锥尖10cmN1207、原型监测位移、应力、土压力、孔隙水压力、锚杆拉力、基底压力、沉降、回弹……一个记录完善的工程实录应该受到与十个十分完善的理论一样的重视(张在明2006.8)传感器本身的质量、埋设质量（成活率、能否反映实际）、数据的分析、提炼，成果（基本的规律及与理论的对比)Terzaghi1948年在第一期《Geotechnique》的前言中说过，“一个记载完善的工程实录应当受到与十个具有独创性的理论一样程度的重视（Awelldocumentedcasehistoryshouldbegivenasmuchweightasteningenioustheories）”。工程实录的讲授，至少可以使学生在台下，看到他们学到的知识如何在应用中因为相互联系和结合实际而生动起来，借此形成“工程”的概念，检验自己的知识潜能和不足。土工试验的发展趋势1、土结构性的研究；原位测试；高质量的取样技术。2、室内：非饱和土，应力路径，高水平的动三轴，大型震动台，岩土工程的信息化。不仅要使同学们在学到岩土工程的基本概念和理论，更要使他们知道岩土工程的基本工作理念和方法，使他们在工作中少走弯路千万不能专门培养——point-and-clickgenerationwhitecollarengineer经验之果要结在理论这颗大树之上！要把勘察当做一门学问来做！要把干一项工程当做做一个科研来做！！现代土力学的基本问题（沈珠江，1998）1、本构模型：从传统的弹塑性模型到结构性模型应力结构改变应变2、非饱和土固结理论3、逐渐破坏理论(渐进性破坏理论)4、液化破坏理论5、应力计算问题：以弹性理论为基础的布氏解、明德林解。实际土是粒的集合体，不连续、非均质、各向异性、弹塑性。P布氏解明德林解PP1321整体破坏、2局部剪切破坏3(刺入式破坏)冲剪破坏-18-17-16-15-14-13-12-11-10-9-8-7-6-5-4-3-2-10-50050水平位移变化/mm（+位移代表向坑内偏移）深度变化/m3.114.85.176.16-30-25-20-15-10-50-20-10010203040力变化/kN深度变化/m3.53.234.184.275.235.286.9桩身变形桩内钢筋受力二、应力分析1、一点的应力状态的描述2、斜截面上的应力3、主应力、应力张量不变量4、应力张量的分解、应力偏张量不变量5、八面体应力、广义剪应力、纯剪应力6、π平面7、应力圆、应力参数8、主应力空间、应力路径1、一点的应力状态的描述xyzoσxτxyτxzσ=τyxσyτyzτzxτzyσzσ100σ=0σ2000σ3｛｝｛｝2、斜截面上的应力xyzn:l=cosαm=cosβn=cosγY三向应力莫尔圆3、主应力、应力张量不变量主应力:σ1,σ2,σ3,应力张量不变量:I1=σ1+σ2+σ3I2=-(σ1σ2+σ2σ3+σ1σ3)I3=σ1·σ2·σ34、应力张量的分解、应力偏张量不变量σxτxyτxzσ=τyxσyτyzτzxτzyσzσx-σmτxyτxzs’=τyxσy-σmτyzτzxτzyσz-σmσm00s”=0σm000σmJ2=-(S1S2+S2S3+S3S1)=(I1+3I2)/3=1.5τ8J3=S1·S2·S3=(2I1+9I1I2+27I3)/27223J1=S1+S2+S3=0｛｝｛｝｛｝5、八面体应力、广义剪应力、纯剪应力n:l=cosαm=cosβn=cosγl=m=n=1/√3σ8=σm=p=(σ1+σ2+σ3)/3τ8=α=β=γ=54.74°σ1σ3σ2其方向用π平面上的夹角表示123ωσ6σ1σ2σ3OPQOP=σ1i+σ2j+σ3k=rσLode应力参数σ1σ2σ3xyQPθσωσµσ=-1µσ=1µσ=0Lode应力参数Bishop常数θσLode应力角μσ-101π/6-π/6ωσθσπ/37、一些简单应力状态下，π平面上rσ、θσ的情况1、纯剪XY（σ2）σ12、纯压★★3、纯拉◆◆θσ=0θσ=-30θσ=+30σ3常规三轴试验1、三轴压缩σ1σ2=σ32、真三轴σ2=(σ3+σ1)/23、三轴拉伸σ1=σ2σ3XYθσ=-30θσ=0θσ=+308、应力路径（stresspath）s=(σ1+σ3)/2t=(σ1-σ3)/2σ1σ3σ2σ1σ23=1.414σ3σ23饱和土的有效应力原理σ=σ’+u非饱和土的有效应力原理σ’=σ-ua+X(ua-uw)X=Aw/A与饱和度有关在0-1之间变化ua-uw基质吸力体积含水量€=Vw/Vσ=σ’+ua-X(ua-uw)1001011021031041051060.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5图2SWCC拟合曲线Fig.2FittingcurveofSWCC体积含水量率θ基质吸力S（kPa）弗雷德隆德DG,拉哈尔佐H.非饱和土力学[M].陈仲颐,等译.北京:中国建筑工业出版社,1997.例题、什么叫应力路径?某点的应力变化过程如下：1、从σ1=σ2=σ3=0开始，按照σ1=σ2=σ3的加载方式加载到σ1=σ2=σ3=p；2、保持σ2=σ3=p不变，将σ1增大到σ1=2p；3、保持σ1=2p不变，在保持σ2=σ3的条件下增大σ2及σ3直至σ2=σ3=