高等土力學(xué)-土力學(xué)學(xué)科發(fā)展歷史

高等土力學(xué)-土力學(xué)學(xué)科發(fā)展歷史第一頁，共62頁。1.土的強(qiáng)度：邊坡穩(wěn)定、擋土墻穩(wěn)定、承載力摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則直剪儀及直剪試驗(yàn)2.11925之前-土的強(qiáng)度與滲透2.土中水的滲透：堤壩、井達(dá)西定律滲透試驗(yàn)第二頁，共62頁。庫侖（C.A.Coulomb）(1736-1806)圖72庫侖第三頁，共62頁。圖73直剪儀儀器簡(jiǎn)圖第四頁，共62頁。2.21925-20世紀(jì)60年代-土的變形土的變形：地基的沉降、土體固結(jié)太沙基：有效應(yīng)力原理與一維滲流固結(jié)理論壓縮儀、三軸儀強(qiáng)度與變形的分割：強(qiáng)度問題－極限平衡分析；變形問題－壓縮儀試驗(yàn)與分層總和法計(jì)算。第五頁，共62頁。太沙基（KarlTerzaghi)(1883-1963)圖74太沙基第六頁，共62頁。圖75單向固結(jié)壓縮儀第七頁，共62頁。三軸儀簡(jiǎn)圖圖76三軸儀第八頁，共62頁。2.360年代-20世紀(jì)80年代-變形與強(qiáng)度的耦合:土的本構(gòu)關(guān)系模型理論土力學(xué):土的本構(gòu)關(guān)系模型的研究高潮實(shí)驗(yàn)土力學(xué):各種復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗(yàn)儀器計(jì)算土力學(xué):有限元法，非線性數(shù)值計(jì)算實(shí)用土力學(xué)：解決工程問題第九頁，共62頁。近代土力學(xué)的分支理論土力學(xué)實(shí)驗(yàn)土力學(xué)計(jì)算土力學(xué)巖土工程的實(shí)踐非線性計(jì)算的可能揭示土的性狀，通過歸納演繹形成理論，模型的驗(yàn)證提供計(jì)算數(shù)學(xué)模型提供計(jì)算參數(shù)；驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果（模型實(shí)驗(yàn)）對(duì)試驗(yàn)和模型試驗(yàn)的數(shù)值模擬提出機(jī)理試驗(yàn)和確定參數(shù)要求數(shù)值模擬試驗(yàn)?zāi)M實(shí)用土力學(xué)驗(yàn)證和發(fā)現(xiàn)規(guī)律提供參數(shù)簡(jiǎn)化實(shí)用的計(jì)算方法第十頁，共62頁。1.土的應(yīng)力應(yīng)變模型理論

（本構(gòu)關(guān)系模型）彈性——線彈性與非線彈性理論模型塑性——?jiǎng)偹苄?、理想塑性、彈塑性理論模型、亞塑性模型、邊界面模型?nèi)時(shí)理論模型第十一頁，共62頁。幾種本構(gòu)模型線彈性模型非線彈性模型應(yīng)變軟化彈性模型剛塑性模型彈性－理想塑性模型彈塑性模型圖77幾種本構(gòu)模型的外應(yīng)力應(yīng)變曲線第十二頁，共62頁。2.土工試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)野外實(shí)驗(yàn)與原位測(cè)試模型試驗(yàn)足尺試驗(yàn)第十三頁，共62頁。室內(nèi)試驗(yàn):

與土的本構(gòu)關(guān)系模型研究相適應(yīng)的復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗(yàn)儀器與方法第十四頁，共62頁。改裝式與盒式真三軸儀圖78真三軸儀

第十五頁，共62頁。圖79平面應(yīng)變儀第十六頁，共62頁。圖80真三軸儀第十七頁，共62頁。圖82空心圓柱扭剪儀圖81方向剪切儀第十八頁，共62頁。圖83空心圓柱扭剪儀第十九頁，共62頁。環(huán)剪儀單剪儀圖84單剪儀與環(huán)剪儀第二十頁，共62頁。圖85共振柱試驗(yàn)儀第二十一頁，共62頁。原位測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

原狀土的強(qiáng)度與變形指標(biāo)第二十二頁，共62頁。圖86旁壓儀及其試驗(yàn)簡(jiǎn)圖第二十三頁，共62頁。plv彈性階段塑性階段圖87旁壓試驗(yàn)曲線第二十四頁，共62頁。ScrewPlateCompressometer圖88螺旋板壓縮儀第二十五頁，共62頁。IowaBoreholeShearTest圖89深孔剪切試驗(yàn)第二十六頁，共62頁。模型試驗(yàn)自重為主的應(yīng)力應(yīng)變相似性第二十七頁，共62頁。圖90土工離心機(jī)（Colorado,Denver)美國(guó)科羅拉多大學(xué)的離心模型試驗(yàn)機(jī)第二十八頁，共62頁。圖91清華大學(xué)離心機(jī)第二十九頁，共62頁。壓力水hjh=wih圖92

滲水力模型試驗(yàn)原理第三十頁，共62頁。z=iw+＝n圖93滲水力模型試驗(yàn)儀器第三十一頁，共62頁。足尺試驗(yàn)昂貴而有效的試驗(yàn)方法第三十二頁，共62頁。圖94加筋擋土墻的足尺試驗(yàn)第三十三頁，共62頁。3.土工數(shù)值計(jì)算:本構(gòu)關(guān)系模型研究的推動(dòng)與應(yīng)用將碎散的巖土體看作連續(xù)介質(zhì)-連續(xù)介質(zhì)離散化：有限差分法有限單元法有限條法有限線法邊界元法無單元法……第三十四頁，共62頁。滲流與固結(jié)計(jì)算滲流計(jì)算：飽和土體穩(wěn)定滲流、非穩(wěn)定滲流計(jì)算非飽和土體滲流計(jì)算固結(jié)計(jì)算滲流與受力變形的耦合—有效應(yīng)力數(shù)值分析預(yù)壓固結(jié)滲流固結(jié)大變形計(jì)算第三十五頁，共62頁。穩(wěn)定與極限平衡計(jì)算分析有限元的極限分析：強(qiáng)度折減，完全塑性模型極限平衡理論分析：滑移線法極限平衡法：假設(shè)滑裂面法：條分法、斜條分法、庫侖土壓力法……第三十六頁，共62頁。土的動(dòng)力分析經(jīng)驗(yàn)公式法土的動(dòng)本構(gòu)模型液化理論與計(jì)算第三十七頁，共62頁。2.420世紀(jì)末－21世紀(jì)-從抽象的土轉(zhuǎn)為具體的土1.土的本構(gòu)關(guān)系研究方面的總體趨勢(shì)：從抽象的土轉(zhuǎn)為具體的土:原狀土、非飽和土、特殊土。從一般的條件轉(zhuǎn)為具體的條件:土的結(jié)構(gòu)性、以及在卸（減）載、循環(huán)加載、動(dòng)荷載、小應(yīng)變的性狀等方面。土的結(jié)構(gòu)性研究：精典的土力學(xué)理論的對(duì)象可以說主要是飽和重塑土。堤壩、填方擋工墻、沖填土的固結(jié)算問題——地基、基坑開挖、地下工程等問題。1996年沈珠江院士預(yù)料：土體結(jié)構(gòu)性的數(shù)學(xué)模型——21世紀(jì)土力學(xué)的核心問題。第三十八頁，共62頁。2.土工試驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)

與土的結(jié)構(gòu)性相關(guān)，更加重視野外原位測(cè)試，高質(zhì)量的取樣技術(shù)室內(nèi)試驗(yàn)：非飽和土－吸力量測(cè)，三軸試驗(yàn)；微小應(yīng)變的三軸試驗(yàn)；應(yīng)力路徑和應(yīng)變路徑控制試驗(yàn)；高水平的動(dòng)三軸試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn):大尺寸、模擬振動(dòng)的土工離心機(jī)高投入的足尺試驗(yàn)－振動(dòng)臺(tái)巖土工程的信息化第三十九頁，共62頁。圖95量測(cè)微小應(yīng)變（<0.005%）的三軸試驗(yàn)ＬＤＴ：局部變形量測(cè)第四十頁，共62頁。圖96不同量測(cè)方法的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系第四十一頁，共62頁。圖97非飽和土三軸試驗(yàn)儀第四十二頁，共62頁。圖99應(yīng)力－應(yīng)變路徑三軸試驗(yàn)儀第四十三頁，共62頁。日本兵庫縣，三木震災(zāi)紀(jì)念公園

大型三維振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)面積：20m15m質(zhì)量：1200t最大加速度：水平－0.9g；豎直－1.5g最大速度：水平-200cm/s；豎直-70cm/s最大位移：水平－100cm；豎直－50cm造價(jià)：約5億美元第四十四頁，共62頁。圖100大型振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)室第四十五頁，共62頁。圖101大型振動(dòng)破壞試驗(yàn)第四十六頁，共62頁。野外的人工降雨泥石流試驗(yàn)壤土(loam)斜坡崩塌實(shí)驗(yàn)1971年11月9日15:00人工降雨開始

11日15:00左右降雨量達(dá)500mm

陡坡中泥土突然以20-30m/s流出

斜坡崩塌，泥石流產(chǎn)生

推倒28米外的護(hù)欄

泥石流到達(dá)55米外的水池中央

31人被埋，15人死亡第四十七頁，共62頁。

茨城県真壁郡大和村大字大曽根加波山（標(biāo)高709ｍ）北西斜面

圖104現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地第四十八頁，共62頁。2.室外試驗(yàn)關(guān)東壤土

(風(fēng)化花崗巖上

火山灰堆積層)

ρ=1.45w=5%傾角：30°Nc<50:1.2～3m圖105試驗(yàn)布置示意圖第四十九頁，共62頁。過程：09：07降雨開始(降雨強(qiáng)度90mm/hr)

10：15

浸透深度50cm

13：30斜面最下部深100cm處超靜孔隙水壓力產(chǎn)生

15：00斜面下半部移動(dòng)開始

15：30斜面下半部的移動(dòng)量加速

5分鐘1mm

5分鐘3mm

5分鐘5mm

1分鐘10mm

16：03斜面下半部崩塌第五十頁，共62頁。錄像6－野外滑坡試驗(yàn)第五十一頁，共62頁。以身殉職15人紀(jì)念碑15人不幸遇難，11人受傷死者當(dāng)中

實(shí)驗(yàn)人員1人

參觀者10人

報(bào)社記者1人

電視采訪人員3人圖107紀(jì)念碑第五十二頁，共62頁。模型試驗(yàn)日本的巖土工程界進(jìn)行了深刻的反思和系統(tǒng)的研究。他們不惜投入巨資建造了模型試驗(yàn)設(shè)備。大型的活動(dòng)降雨試驗(yàn)棚。其模擬降雨強(qiáng)度范圍為15-200mm/hr，降雨范圍達(dá)44m×72m，噴頭高度距地面以上16m，噴頭數(shù)為544×4個(gè)，揚(yáng)水泵兩臺(tái)（功率為160kw，流量為25.5kl/分），建造了一個(gè)25m×38m×2.4m的蓄水池(儲(chǔ)水量2250m3)。

第五十三頁，共62頁。室內(nèi)模型試驗(yàn)－斜面第五十四頁，共62頁。2003年野外實(shí)驗(yàn)2003年野外實(shí)驗(yàn)第五十五頁，共62頁。試驗(yàn)結(jié)果14日上午9：07降雨開始(降雨強(qiáng)度90mm/hr)；13：30斜面最下部深100cm處超靜孔隙水壓力產(chǎn)生，表明已經(jīng)飽和；15：00斜面下半部移動(dòng)開始；15：30斜面下半部的移動(dòng)量加速，最后達(dá)到1分鐘10mm；16：03斜面下半部崩塌。斜面下方14m處的表層破壞(火山灰層70cm)。而地表移動(dòng)自破壞前3小時(shí)開始，逐漸擴(kuò)大。第五十六頁，共62頁。3.數(shù)值計(jì)算的發(fā)展非連續(xù)不確定性靜與動(dòng)的耦合固體與流體計(jì)算的耦合第五十七頁，共62頁。

巖土介質(zhì)的離散計(jì)算邊界面的模型與單元設(shè)置離散元法塊體理論非連續(xù)變形分析（DDA）流形元法（MEM）……顆粒流法第五十八頁，共62頁。DDA(discontinousdeformationanalysis)非連續(xù)變形分析圖108DDA計(jì)算三軸試驗(yàn)曲線第五十九頁，共62