1、高等土力学高等土力学（Advanced Soil Mechanics）张张 钦钦 喜喜北京工业大学北京工业大学2014.09 高等土力学（高等土力学（32h32h） （Advanced Soil Mechanics）主要参考文献：主要参考文献： 1 1、土的本构关系、土的本构关系 蒋彭年蒋彭年 科学出版社科学出版社 19821982 2 2、土的塑性力学、土的塑性力学 屈智炯屈智炯 成都科技大学出版社成都科技大学出版社 19871987 3 3、土的塑性力学、土的塑性力学 龚晓南龚晓南 浙江大学出版社浙江大学出版社 199019904、高等土力学高等土力学 龚晓南龚晓南 浙江大学出版社浙江大学
2、出版社 19905、高等土力学高等土力学 李广信李广信 清华大学出版社清华大学出版社 20036、土的工程性质、土的工程性质 黄文熙黄文熙 水利出版社水利出版社 19807、The Mechanics of Soil (1978) -An Introduction to Critical State Soil Mechanics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一定基础-李广
3、信李广信龚晓南-土塑性力学（ 26万字）0 引言一些主要的测试方法：体积含水量 =VW/V比体积（specific volume) =V/VS=1+e (Vs=1时的土体体积)问题：fE1极限平衡分析条分法 k=1.4上海倒楼问题成寿寺邮电出版社基坑(上抬)Pu=cNC + rdNq + rbNr/2内蒙鄂尔多斯某砼搅拌站参数测定的问题！土力学发展的四个阶段： 17761776150年年1923192377年年 一、土工试验1、直剪试验、单剪试验、环剪试验直剪试验(direct shear)单剪试验(simple shear)环剪试验(torsional (or ring) shear)应变控
4、制式直剪仪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(direct shear)单剪试验(simple shear)环剪试验(torsional (or ring) shear)特别适合于大变形下的残余强度pee-logp曲线e-p曲线3、常规三轴试验（1930年，美国哈佛大学卡萨格兰德）1- 3va加工软化加工硬化r不变不变 a增加增加 r不变不变 a减小减小 a不变不变 r增加增加 a不变不变 r减小减小 a增大增大 r减小减小 但平均应力不变r增大增大 a减小减小 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
5、挤压a 1.414r动三轴试验：地震作用、机械振动（风机，海上钻井平台）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 5、模型试验、模型试验 1 1、1g1g下的模型试验（下的模型试验（=1=1：6 6） 2 2、ngng下的模型试验下的模型试验离心机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 3、动力触探、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 10kg 50cm 锥 尖 30cm N10 标准
6、贯入 63.5kg 76cm 筒靴 30cm N 重型贯入 63.5kg 76cm 锥 尖 10cm N63.5超重型贯入 120kg 100cm 锥 尖 10cm N120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)Terzaghi 1948年年 在第一期在第一期Geotechnique的前言中的前言中说过，说过，“一个记载完善的工程实录应当受到与十个具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（有独创性的理论一样程度的重视（A well documented case history should be gi
7、ven as much weight as ten ingenious theories）”。工程实录的讲授，至少可以使学生在台下，看到他们工程实录的讲授，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，借此形成生动起来，借此形成“工程工程”的概念，检验自己的知的概念，检验自己的知识潜能和不足。识潜能和不足。土工试验的发展趋势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，使他们在工作中他们知道岩土工程的基本工作理念和
8、方法，使他们在工作中少走弯路少走弯路千万不能专门培养千万不能专门培养point-and-click generation white collar engineer 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）PPP1321 整体破坏、2 局部剪切破坏3 (刺入式破坏)冲剪破坏桩身变形桩身变形桩内钢筋受力桩内钢筋受力二、应力分析1、一点的应力状态的描述xyzo x x xyxy xzxz = = yx yx y y yzyz zxzx zy zy z z 1 1 0 0 0 0 = 0 = 0 2 2 0
9、0 0 0 0 0 3 3 2、斜截面上的应力、斜截面上的应力xyzn:l=cos m=cos n=cosY三向应力莫尔圆3、主应力、应力张量不变量应力张量不变量应力张量不变量: : + 3 3 + 1 1 3 3) 4、应力张量的分解、应力偏张量不变量、应力张量的分解、应力偏张量不变量 x xy xz = yx y yz zx zy z x -m xy xz s= yx y -m yz zx zy z- m m 0 0 s”= 0 m 0 0 0 mJ2= -(S1 S2 +S2 S3 + S3S1)= (I1 + 3 I2)/3=1.58 J3= S1S2 S3=(2I1+9I1 I2+2
10、7 I3)/27223J1= S1 +S2+ S3=0 5、八面体应力、广义剪应力、纯剪应力、八面体应力、广义剪应力、纯剪应力n:l=cos m=cos n=cosl=m=n=1/38= m=p=(1 +2+ 3)/38= = =54.74132其方向用平面上的夹角表示1236123OPQOP=1i+ 2j+ 3k= r123xyQP=-1=1=0Lode应力参数Bishop 常数Lode应力角-10 1/6-/6/37、一些简单应力状态下，平面上r 、的情况XY（2）1 = 0 = -30 = +3031、三轴压缩 12 =32、真三轴 2 =(3 +1)/23、三轴拉伸 1= 2 3XY
11、= -30 = 0 = +308、应力路径（stress path）s=(t=(饱和土的有效应力原理 非饱和土的有效应力原理 1001011021031041051060.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 图2 SWCC 拟合曲线Fig.2 Fitting curve of SWCC体积含水量率基质吸力S（kPa）弗雷德隆德 D G,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1=2=3=0开始，按照1=2=3的加载方式加载到1=2=3=p；2、保持2=3=p不变
12、，将1增大到1=2p；3、保持1=2p不变，在保持2=3的条件下增大2及3直至2=3=2p；分别在以下坐标系中画出上述整个过程的应力路径。1、伦图列克平面；2、t s平面（注：t=（13）/2，s=（1+3）/2 ）3、qp平面（注：q为广义剪应力，p为静水压力）r不变不变 a增加增加 r不变不变 a减小减小 a不变不变 r增加增加 a不变不变 r减小减小 a增大增大 r减小减小 但平均应力不变r增大增大 a减小减小 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a 1.414r作业 1：答案：答案： 三、屈服与破坏准则关于屈服与破坏关于屈服与破坏:0单向拉伸
13、试验对于土，静水压力也可引起屈服（产生塑性变形），所以要加一个帽子（cap）,出现cap 模型（1， 2 ，3 ）（3， 2 ，1 ）321各向同性材料各向同性、拉压同性材料，则有6个对称轴屈服曲线屈服曲线必须是封闭的，且和从原点出发的射线只能有一个交点加工硬化加工软化1、特雷斯卡准则（、特雷斯卡准则（Tresca，1864）2222222、米色斯屈服条件（、米色斯屈服条件（Mises）222 2222在在平面上平面上, ,米色斯屈服条件是一个圆米色斯屈服条件是一个圆 该理论也可理解为当八面体上的剪应力达到某一该理论也可理解为当八面体上的剪应力达到某一值时，材料开始屈服值时，材料开始屈服 该理
14、论也可理解为当应变能达到某一值时，材料开该理论也可理解为当应变能达到某一值时，材料开始屈服始屈服 U=J2(1+)/E123133、广义米色斯屈服条件（、广义米色斯屈服条件（Mises）式中:k= cos 22C 和和 后来许多学者对系数k 又提出其他一些表达式,这类屈服条件统称为广义米色斯屈服条件.4、广义特雷斯卡屈服条件、广义特雷斯卡屈服条件5、摩尔、摩尔-库仑理论库仑理论2233116、拉德、拉德邓肯准则（邓肯准则（Lade Duncan）拉德拉德邓肯邓肯 (P.V. Lade & J.M. Duncan, 1975)根据对根据对砂土所做的真三轴实验结果砂土所做的真三轴实验结果, 提出了
15、以下的破坏准则提出了以下的破坏准则: I1 / I3 = kfkf取决于砂土的密实度取决于砂土的密实度.拉德拉德邓肯的屈服条件为邓肯的屈服条件为:I1 / I3 = kk随应力水平而变化随应力水平而变化, 从各向等压固结时的从各向等压固结时的27增大至破增大至破坏时的坏时的kf, 当当k= kf 时时, 屈服面与破坏面重合屈服面与破坏面重合.337、Matsuoka Nakai(松岗元松岗元中井照夫中井照夫)准则准则上式在主应力空间中为一以空间对角线为中心,有3个对称轴的六角锥体.在平面应力情况下,在作业2作业作业 33113作业作业 413三轴压缩三轴拉伸作业作业 5 qp三轴压缩三轴拉伸 qp四、土的变形特性常用的试验 单 向 压 缩 等向压缩三轴压缩硬化与软化剪胀与剪缩 归一化性状主要特性（龚晓南）1、围压（固结压力）对应力应变有很大影响 .2、OCR对应力应变有很大影响 ；3、会发生体积的变化；4、应力路径对应力应变有很大影响；5、K0对应力应变有很大影响；6、土具有各向异性；7、加荷速率对应力应变有影响；8、排水条件对应力应变有很大影响。
