经典土力学的回顾与发展方向讲义.docVIP

土力学研究内容 研究土的物理、化学和力学性质及土体在荷载、水、温度等外界因素作用下工程性状的应用科学 土是什么? “土”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木工程领域而言，土是指覆盖在地表由岩石风化形成的松散的、没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱，所以，有时也会遇到难以区分的情况。 例如与铁和水相比，你是不是觉得挺难回答的。这是因为土(土质材料)有以下特征： (1)土通常是由土颗粒、水和空气组成的三相混合体。只含有土颗粒和水而没有空气的土称为饱和土；只含有土颗粒和空气而没有水的土称为干燥土；由土颗粒、水和空气三者共同组成的土称为不饱和土。像土这样的多相混合体，不仅要考虑土体整体的性质和运动规律，还应考虑组成土体的各相的性质和运动规律。 对于人类来讲，土是一种非常难以处理的材料。“有效应力”(effective stress)的思考方法就是基于土是多相混合体而产生的一个重要概念。 (2)土的本质在于它是离散的颗粒的集合体。这样的集合体既不是气体，也不是液体，也不是固体(土颗粒本身是固体)，而是称之为“粒状体”(granular material)的集合体。砂土就是这样粒状体的集合体；这很容易理解。那么粘土又该如何解释呢?粘土在电子显微镜下的照片。 由该照片可以看出，粘土也是微小的扁平状粒子的集合体。从而可知土与金属等材料相比具有很大的不同。从金属材料的观点来看，可以认为土质材料最初就是已被破坏了的碎末。因此，通常会产生这样的疑问，这样的材料怎么能支撑得住构筑物呢?土体基本粒子间的粘聚力几乎不存在，只是依靠土颗粒间的摩擦力承受荷载，所以土的变形和破坏受着“摩擦法则”(frictional law)的支配。而且，粒状材料的颗粒之间在荷载作用下位置相互错动，随着剪切变形的增加还会产生体积变化，即发生“剪胀”(dilatancy)。 (3)土是天然的产物，不是人类按照某种配方制造出来的。即使通过破碎岩石可以获取碎石，但岩石本身也是天然的，所以在这方面土与钢铁、混凝土是完全不同的。 综合以上特征，可以认为土是一种难以理解、非常复杂的材料。并且不论是砂土还是粘土都是离散的土颗粒的集合体，土颗粒问的粘聚力从本质上讲几乎不存在，只是土颗粒间的摩擦力起作用来承受荷载，这是土的本质中最为重要的一点。所以土会由于土粒间孔隙水压力的作用使土颗粒相互分离，在水中如果土颗粒呈悬浮状态则会像水一样地流动。例如，由于地震作用使土中孔隙水压力上升，土颗粒呈悬浮状态的现象称为“地震液化”(1iquefaction)现象。所以土是一种既令人生畏而又很有意思的材料。 在美国国家航空航天管理局(NASA)乘宇宙飞船飞往月球的研究者中，也有以土这种与人类生活密切相关、具有很多特性、又难以用公式表达其规律、甚至有点离奇的材料为研究对象的研究人员。 土力学很难学懂的另一点是，针对不同的研究内容对土的应力应变特性作了不同的假定。如果不能认识到这一点，就会觉得学习土力学时，考虑得越深头脑就越混乱。 在“土中的水及其流动”中，在考虑土的渗透性时，把土分为土骨架和孔隙水两部分，并且把土骨架看成是刚体(不变形的材料)，把孔隙水看成是具有粘滞性的流体。在“弹性地基中的应力和变形”中，把土体整体看成是弹性体(像弹簧一样，应力与应变成比例)。在“土的固结”中，把土的骨架看成是弹性体，把孔隙水看成是具有粘滞性的流体。在 “土压力”、 “地基承载力”和“边坡稳定”中，均把土体整体作为刚塑性体(达到某应力值时产生破坏，变形不能恢复)。像这样随着研究内容的不同，对土的应力应变特性的假定也不一样，这是很麻烦的。 “那么土到底是什么材料?是弹性体?还是塑性体?还是粘性体?”是不是可以这样回答：“土并不是简单的弹性体、塑性体，或者粘性体，而是上述特性兼有的粘弹塑性体。”土是一种奇特的、既令人生畏又很有趣的材料，具有非常复杂的力学特性。 土力学的理论基础与假设 经典土力学属于工程力学，将变形固体力学的基本理论应用于土，就形成了工程实用的土力学。经典的土力学内容，其共同的理论基础与假设是： 1) 弹性理论：假设土体为均质、各向同性的线弹性体，以此为基础，采用弹性理论进行土体的应力和变形(或沉降)计算。 2) 静力极限平衡法或极限分析法：在分析土压力，岩土边坡稳定及地基承载力等土体强度与稳定性问题时，采用假设滑动面的静力极限平衡法或塑性力学的沿移线场解与极限分析法。 3)有效应力原理：对于饱和土体，施加的总应力(等于土体的固体骨架所承受的有效应力((()和孔隙水应力(u)之和，即： (＝((+ u 4) Mohr－Coulomb强度条件：土体的强度破坏服从Mohr－Coulomb强度条件，即： (f＝((tan((十c( 式