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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Kw 161

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ɑ 237

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Bh 238

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1 394

实例2 398

“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.1 564

表A.3 565

表A.2 565

表A.4 566

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