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第1章 绪论1

1.1 气候的和作用2

著者的话--祝贺本书中文版的问世3

译者的话4

1.2 问题的类型4

1.2.1 土坝的建造与运行4

原序5

前言6

1.2.2 环境条件变化情况下的天然土坡6

1.2.3 废料池下面土层中的水位变化7

1.2.4 竖直挖方的边坡稳定7

1.2.5 侧向土压力8

1.2.6 浅基承载力8

1.2.7 膨胀土造成的地面隆起9

1.2.8 湿陷性土10

1.2.9 非饱和土问题小结10

1.3 非饱和土的典型地质剖面10

1.3.1 典型的热带残积土剖面11

1.3.2 典型的膨胀土剖面12

1.4 非饱和土土力学的需要13

1.5 本书的内容范围15

1.6 非饱和土的相16

1.6.1 相的定义16

1.6.2 水-气分界面或收缩膜16

1.7 术语与定义17

1.8 历史发展17

2.1 各个相的性质22

2.1.1 密度与比容22

第2章 相的性质与关系22

2.1.2 粘滞性26

2.1.3 表面张力27

2.2 空气和水的相互作用29

2.2.1 水的固态、液态和气态30

2.2.2 水蒸气30

2.2.3 溶解于水中的空气31

空气在水中的可溶性32

气体在水中的扩散33

2.3 体积-质量关系34

2.3.1 孔隙率34

2.3.2 孔隙比35

2.3.3 饱和度36

2.3.6 基本体积-质量关系37

2.3.5 土的密度37

2.3.4 含水量37

2.3.7 体积-质量性质的变化39

2.3.8 气相压缩对混合物密度的影响40

活塞-透水石模型41

质量守恒原理应用于混合物42

土粒-水-空气混合物44

气-水混合物44

第3章 应力状态变量46

3.1 应力状态描述的历史46

3.1.1 饱和土的有效应力概念46

3.1.2 提出过的非饱和土有效应力公式47

3.2 非饱和土的应力状态变量50

3.2.1 非饱和土的平衡分析50

作用于土体单元的法向应力和剪应力51

平衡方程52

3.2.2 应力状态变量53

应力状态变量的其他组合53

3.2.3 饱和土作为非饱和土的特例54

3.2.4 干土55

3.3 极限应力状态56

3.4 应力状态变量的试验验证57

3.4.1 轴平移的概念57

3.4.2 验证应力状态变量的零位试验58

3.4.3 支持所提应力状态变量的其他试验资料60

3.5 应力分析62

3.5.1 现场各应力状态组成的剖面62

土的侧压力系数63

地面状况64

基质吸力剖面64

环境条件66

植被66

地下水位66

土层的渗透性66

3.5.2 扩展的Mohr图66

Mohr圆的方程67

Mohr圆的作图法69

3.5.3 应力不变量71

3.5.4 应力点72

3.5.5 应力路径73

3.6 渗透吸力的作用76

第4章 土的吸力量测78

4.1 土中吸力的理论78

4.1.1 土中吸力的组成79

4.1.2 吸力的典型值和吸力量测设备80

4.2 毛细作用81

4.2.1 毛细上升高度82

4.2.2 毛细压力83

4.2.3 毛细上升高度及半径效应84

4.3 总吸力的量测85

4.3.1 湿度计85

Seeback效应85

Peltier效应86

Peltier湿度计86

湿度计的率定88

湿度计的性能90

4.3.2 滤纸法92

量测原则(滤纸法)93

量测与率定技术(滤纸法)93

滤纸法在实践中的应用95

4.4 基质吸力的量测97

4.4.1 高进气值陶瓷板97

4.4.2 直接量测98

张力计100

张力计使用前的维护101

张力计装置后的维护102

喷射注入张力计102

小插头张力计103

快拔型张力计104

张力计的野外量测操作104

渗透张力计107

轴平移技术108

4.4.3 间接量测110

热传导传感器114

工作原理115

传感器的率定116

典型的基质吸力量测成果117

MCS 6000传感器117

AGWA-Ⅱ传感器119

4.5 渗透吸力的量测124

4.5.1 挤液法125

第5章 流动定律126

5.1 水的流动126

5.1.1 水相的驱动势能127

5.1.2 非饱和土的Darcy定律129

5.1.3 水相的渗透系数130

流体及孔隙介质分量130

渗透性与体积-质量性质的关系130

饱和度变化对渗透性的影响131

渗透系数与饱和度的相互关系132

透水性系数与基质吸力的相互关系133

透水性系数与容积含水量的关系134

渗透性函数的滞后137

5.2 空气流动137

5.2.1 气相的驱动势能139

5.2.2 气相的Fick定律139

5.2.3 气相的渗透系数141

透气性系数与饱和度的关系142

透气性系数与基质吸力的关系142

5.3 扩散143

5.3.1 空气通过水扩散143

5.3.2 通过水的化学扩散145

5.4 流动定律的总结146

稳态方法147

试验室试验方法147

第6章 渗透性量测147

6.1.1 透水性系数的直接量测方法147

6.1 透水性系数的量测147

稳态方法的试验设备148

用稳态方法计算149

透水性系数的表达150

稳态方法的难点150

瞬态剖面法151

Hamilton等所建议的瞬态剖面法151

瞬态剖面法计算152

现场原位方法154

原位瞬态剖面法154

原位瞬态剖面法计算155

Tempe仪及其试验过程157

6.1.2 计算透水性系数的间接方法157

体积压力板仪仪器设备及其试验过程158

体积压力板仪的试验过程160

土-水特征曲线的干燥段160

土-水特征曲线的浸湿段161

用土-水特征曲线计算Kw161

6.2 透气性系数的测定163

量测透气性系数的三轴渗透仪165

用于量测透气性和透水性的三轴渗透仪165

6.3 扩散量测168

6.3.1 空气通过高进气值陶瓷板扩散的机理169

6.3.2 扩散系数量测170

计算扩散性质的过程171

扩散空气体积指示器(DAVI)172

量测扩散空气体积的气泡泵172

6.3.3 扩散空气体积指示器172

量测扩散空气体积的过程174

扩散空气体积的计算174

扩散空气体积指示器的精度175

第7章 稳态流177

7.1 稳态水流177

7.1.1 非饱和土渗透系数的空间变化178

非均质各向同性稳态渗流178

非均质各向异性稳态渗流178

7.1.2 一维流179

一维流的推导180

一维渗流的解181

有限差分法182

水头边界条件183

流量边界条件185

7.1.3 二维流187

二维流公式的推导187

二维渗流的解189

应用有限元法的渗流分析191

二维问题的实例193

无限边坡200

7.1.4 三维流202

7.2 稳态空气流204

7.2.1 一维流204

7.2.2 二维流205

7.3 通过水体的稳态空气扩散207

第8章 孔隙压力参数208

8.1 孔隙流体的压缩性208

8.1.1 空气的压缩性209

8.1.2 水的压缩性210

8.1.3 空气-水混合物的压缩性210

在压缩性公式中引用孔隙压力参数212

8.1.4 空气-水混合物的压缩性的组成部分212

自由空气对混合物压缩性的影响213

溶解空气对混合物压缩性的影响213

8.1.5 有关空气-水混合物压缩性的其它问题214

压缩性公式推导中Kelvin公式的局限性214

8.2 孔隙压力参数的推导217

8.2.1 切线和割线孔隙压力参数217

8.2.2 必要的本构关系概述219

8.2.3 排水和不排水加荷221

8.2.4 总应力与土的各向异性223

8.2.5 Ko加荷224

8.2.6 Hilf的分析226

8.2.7 各向等压加荷229

8.2.8 单轴加荷231

8.2.9 三轴加荷233

8.2.10 三向加荷236

8.2.11 参数ɑ237

8.3 孔隙压力公式的求解及其与试验成果比较238

8.3.1 Hilf分析中导得的割线孔隙压力参数Bh238

8.3.2 Hilf分析的图解方法241

8.3.3 各向等压加荷条件下切线孔隙压力参数B的试验成果241

8.3.4 各向等压加荷条件下孔隙压力参数B的理论估算244

8.3.5 三轴加荷条件下的切线参数B和A的试验成果252

8.3.6 参数ɑ的试验量测253

第9章 抗剪强度理论256

9.1 抗剪强度的历史256

9.1.1 应力变量量测数据不完整的试验资料264

9.2 非饱和土的破坏包线265

9.2.1 破坏准则265

9.2.2 抗剪强度公式267

9.2.3 引伸的Mohr-Coulomb破坏包线268

9.2.4 用(σ-uw)和(ua-uw)定义抗剪强度272

9.2.5 Mohr-Coulomb包面和应力点包面274

9.3 非饱和土的三轴试验278

9.3.1 固结排水试验280

9.3.2 常含水量试验282

9.3.3 量测孔隙压力的固结不排水试验284

9.3.4 不排水试验285

9.3.5 无侧限压缩试验288

9.4 非饱和土的直剪试验290

9.5.1 三轴试验应变速率的背景材料292

9.5 应变速率的选择292

9.5.2 三轴试验的应变速率294

9.5.3 直剪试验的位移速率298

9.6 多级试验299

9.7 破坏包线的非线性301

9.8 φb与x的关系304

第10章 抗剪强度参数量测306

10.1 测试特点306

10.1.1 轴平移技术306

10.1.2 孔隙水压力的控制和量测310

高进气值陶瓷板的饱和方法313

10.1.3 高进气值陶瓷板下面的压力反应313

10.1.4 孔隙气压力的控制或量测320

10.1.5 水体积变化量测321

10.1.6 空气体积变化量测323

10.1.7 总体积变化量测324

10.1.8 试件制备325

10.1.9 用反压力饱和试件的方法326

10.2 三轴试验方法329

10.2.1 固结排水试验330

10.2.2 常含水量试验331

10.2.3 量测孔隙压力的固结不排水试验331

10.2.4 不排水试验332

10.2.5 无侧限压缩试验332

10.3 直剪试验方法332

10.4 典型试验成果334

10.4.1 三轴试验成果334

固结排水三轴试验334

常含水量三轴试验335

抗剪强度与基质吸力之间的非线性关系336

不排水和无侧限压缩试验339

10.4.2 直剪试验成果341

第11章 塑性与极限平衡349

11.1 土压力349

11.1.1 静止土压力350

11.1.2 开裂深度的估计353

11.1.3 延伸的Rankine土压力理论354

主动土压力356

主动土压力系数357

主动土压力分布(基质吸力沿深度为常数)357

张拉区深度357

主动土压力分布(基质吸力沿深度减小至地下水位)358

有张拉裂缝土体的主动土压力分布360

被动土压力361

被动土压力分布(基质吸力沿深度为常数)362

被动土压力系数362

被动土压力分布(基质吸力线性减小至地下水位)363

与产生主动、被动状态有关的变形363

11.1.4 土的总侧向力364

土的主动侧向力364

土的被动侧向力366

11.1.5 基质吸力变化对主动和被动土压力的影响367

膨胀压力与土压力之间的关系368

11.1.6 无支撑开挖368

张拉裂缝对无支撑高度的影响369

11.2 地基承载力370

11.2.1 Terzaghi承载力理论370

11.2.2 抗剪强度参数和基质吸力设计值的估计373

应力状态变量法373

总应力法374

11.2.3 分层系统的承载力376

11.3 土坡稳定377

11.3.1 危险滑动面的位置378

11.3.2 普遍极限平衡法(GLE)379

引发的抗剪力公式380

法向力公式381

力矩平衡的安全系数382

力平衡的安全系数383

条间力函数383

计算安全系数的步骤386

孔隙水压力表示法387

11.3.3 其他极限平衡方法390

11.3.4 极限平衡条分法计算中的不收剑情况391

“总粘聚力”法392

11.3.5 负孔隙水压力对土坡稳定的影响392

采用“总粘聚力”法的两个实例394

实例1394

实例2398

“延伸抗剪强度”法400

总体布置和土的特性401

渗流分析中采用的初始条件402

暴雨情况下的渗流和边坡稳定分析403

第12章 体积变化理论406

12.1 文献综述406

12.2 体积变化和变形的概念410

12.2.1 连续条件410

12.2.2 总体积变化411

12.2.3 水和空气体积变化412

12.3.1 弹性形式413

12.3 本构关系413

液相的本构关系415

空气体积变化416

各向等压加荷418

单轴加荷418

三轴加荷418

Ko加荷419

平面应变加荷420

平面应力加荷420

12.3.2 压缩性形式421

12.3.3 体积-质量形式(用土力学术语)421

12.3.4 用(σ-uw)和(ua-uw)建立本构关系423

12.4 本构面唯一性的实验验证424

12.4.2 用微小应力变化来验证本构面的唯一性425

12.4.1 体积变形性质符号的定义425

12.4.3 用应力状态变量的较大增量来验证本构面427

12.5 体积变形系数之间的关系430

12.5.1 孔隙比与含水量本构面的体积变形系数之间的关系430

12.5.2 体积-质量形式的本构面体积变形系数之间的关系432

12.5.3 测定体积变形系数的室内试验方法433

12.5.4 卸荷面上各体积变形系数之间的关系435

12.5.5 加荷与卸荷本构面的体积变形系数之间的关系435

12.5.6 半对数座标系中的本构面436

第13章 体积变化指数量测441

13.1 文献综述441

13.2 试验步骤和设备444

13.2.1 加荷本构面445

团结试验446

压力板干燥试验446

收缩试验448

体积变化指数的确定449

与过渡平面有关的体积变化指数的确定453

压力板试验的典型结果455

用固结试验成果确定原位应力状态458

“常体积”试验458

“自由膨胀”试验460

仪器压缩性的校正460

对取样扰动的校正461

13.2.2 卸荷本构面462

压缩后的卸荷试验462

压力板浸湿试验464

自由膨胀试验465

体积变化指数的研究465

14.1 文献综述468

第14章 体积变化预测468

14.1.1 影响总隆胀量的因素472

14.2 过去、当前和将来的应力状态475

14.2.1 应力状态历史475

14.2.2 原位应力状态476

14.2.3 将来的应力状态和地面位移478

14.3 隆胀预测理论478

14.3.1 总隆胀公式479

14.3.2 最终孔隙水压力的预测480

14.3.3 隆胀计算实例481

14.3.4 工程实录483

加拿大Saskatchewan省Regina市整平地面的筏板基础483

加拿大Saskatchewan省Eston地区Eston学校484

14.4 预测和减小隆胀的控制因素484

14.4.1 膨胀压力为常数时的闭式隆胀公式485

14.4.2 膨胀压力的校正对总隆胀预测的影响486

14.4.3 顶部浸湿到某一特定深度的例子488

14.4.4 挖除部分土层并回填非膨胀土的例子489

14.5 关于湿陷性土的说明491

第15章 一维固结与膨胀493

15.1 文献综述493

15.2 建立公式所需的物理关系494

15.3 固结方程推导496

15.3.1 液相的偏微分方程497

饱和条件499

干土条件499

非饱和土条件的特殊情况499

15.3.2 气相的偏微分方程500

干土条件502

饱和土条件502

非饱和土条件的特定情况503

15.4 用有限差分法求解固结方程503

15.5 非饱和土的典型固结试验结果505

15.5.1 压实高岭土试验506

试验结果506

理论分析508

15.5.2 粉质砂土试验510

试验结果510

理论分析514

15.6 无量纲固结参数514

第16章 二维和三维的非稳态流以及非等温分析519

16.1 非耦合二维公式的建立519

16.1.1 各向同性土中的非稳态渗流519

气相偏微分方程520

液相偏微分方程520

16.1.2 各向异性土中的非稳态渗流521

渗透系数的各向异性521

液相偏微分方程523

用有限单元法进行渗流分析525

二维问题及其求解举例528

水流通过土坝渗流举例528

污水塘底下地下水渗流举例530

水流通过层状土丘边坡渗流举例542

16.2 三维固结耦合公式553

16.2.1 本构关系553

土结构553

液相554

气相555

液相连续性556

16.2.2 固结耦合方程556

平衡方程556

气相连续性557

16.3 非等温流557

16.3.1 气相偏微分方程557

16.3.2 液相流体和蒸汽的流动方程558

16.3.3 热流方法559

16.3.4 大气边界条件560

空气与液态水流的地面边界条件561

水蒸气流的地表边界条件561

热流的地表边界条件563

附录A 单位与符号564

表A.1564

表A.3565

表A.2565

表A.4566

附录B 应力状态变量的理论证明568

B.1 非饱和土的平衡方程568

B.2 总体平衡569

B.3 独立相的平衡570

B.3.1 水相的平衡571

B.3.2 气相的平衡571

B.3.3 收缩膜的平衡571

B.4 土结构(亦即土粒排列)的平衡575

B.5 应力状态变量的其他组合576

参考文献578

索引596

著者简介633