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绪论 1

0.1 机械土壤动力学的研究对象和领域的特点 1

0.2 机械土壤动力学研究状况和趋向 2

0.2.1 学科前期(1900年以前) 2

0.2.2 学科初期(1900～1950年) 2

0.2.3 学科研究近况(1950年以来) 3

0.2.4 学科研究趋向 5

0.3 土壤—机器相互作用的研究方法和实验手段 6

0.3.1 研究方法概述 6

0.3.2 土壤—机器相互作用实验手段 8

0.3.3 模型试验和相似原理 29

0.3.4 双关联式经验法 50

0.3.5 模拟式半经验法 55

参考文献 63

第一章 土质概论 65

1.1 土壤矿物 65

1.1.1 土壤三相相互间的原子和分子力 66

1.1.2 晶体及其性质 67

1.1.3 矿物表面性质 68

1.1.4 土壤中的非粘土矿物 70

1.1.5 粘土矿物 70

1.2 土壤的形成 77

1.2.1 造壤过程 77

1.2.2 土壤剖面及其发展 80

1.3 表层土壤的分类 82

1.3.1 土壤按发生学和按属性的分类 82

1.3.2 我国土壤的分类和分布 85

1.3.3 土质分类 87

1.4 土壤中的水 93

1.4.1 土壤中水的结构 93

1.4.2 土壤中水的分类 96

1.4.3 土粒—水—溶质系统 100

1.5 土壤气体 105

1.5.1 土壤气体的结构类型和组成 105

1.5.2 土中自由气体和密闭气体 106

1.5.3 溶解气体 107

1.5.4 表面吸附气体 108

1.6 土壤组织结构和构造 108

1.6.1 土壤组织结构和构造的基本概念 108

1.6.2 土的基本组织和结构类型 110

参考文献 118

第二章 土壤性质行为机理 119

2.1 土壤性质行为概述 119

2.2 土壤成分与性质行为的关系 121

2.2.1 粘土矿物的动力学特性 121

2.2.2 有机物质对土壤性质行为的影响 124

2.3 土壤组织结构与土壤性质行为的关系 125

2.3.1 阿特伯限的物理含义 125

2.3.2 重塑与压密土的组织 126

2.3.3 土壤组织随时间的变化 126

2.3.4 土壤的敏性 127

2.3.5 触变硬化 127

2.3.6 土壤组织与性质行为的关系 128

2.4 颗粒间应力及土中水压力的平衡 131

2.4.1 颗粒间的力 132

2.4.2 有效应力原理 136

2.5 土壤的容积变化行为 137

2.5.1 各种土壤的压力—隙比关系 137

2.5.2 物理作用所引起土壤容积变化的机制 139

2.6 土壤强度与变形行为机理 141

2.6.1 概述 141

2.6.2 土壤变形作为—速率过程 145

2.6.3 剪抗作为—速率过程 148

2.6.4 土壤颗粒固体表面之间的摩擦 152

2.6.5 剩余强度 155

2.6.6 应力—应变—时间行为与流变模型 157

2.7 土壤中的传导现象 163

2.7.1 传导现象概述 163

2.7.2 水传导率 167

2.7.3 土壤中电动学现象 174

2.7.4 土壤中的热流动 177

参考文献 187

第三章 土壤动力学的理论基础 189

3.1 概述 189

3.2 机械对土壤所施载荷的特性 190

3.3 土壤介质在静载下的特性和行为——土壤静力学基础 194

3.3.1 土壤的应力与应变 194

3.3.2 标准慢载试验下土样的应力—应变关系 201

3.3.3 土体中一点的应力张量—应变张量关系 208

3.3.4 静慢载标准试验下土壤的屈服与失效类型 225

3.3.5 土壤在复合应力下的屈服准则和强度理论 236

3.3.6 土体在复合应力下的本构理论模型 243

一、弹性本构理论模型 243

二、弹塑性本构理论模型 249

三、颗粒密集材料的剪胀模型 264

四、流变理论 267

3.4 载荷动态特性对土壤介质行为的效应 283

3.4.1 应变速率效应问题 283

一、应变速率对隙水压力的影响 284

二、应变速率对应力—应变关系的影响 285

三、应变速率对抗剪强度的影响 286

四、应变速率对本构理论的影响——K.W模型 286

3.4.2 循环重复加载效应问题 288

一、循环重复载荷下土壤的疲劳强度 288

二、循环载荷下的粘弹塑性本构模型 293

三、循环载荷对流变特性的效应 299

3.4.3 冲击载荷效应(一)——土的振动 301

3.4.4 冲击载荷效应(二)——土中波的传播 314

一、土中的弹性波 314

二、杆件中的粘弹性波 323

三、杆件中的塑性波 325

四、土中波的传播 326

五、波的反射与折射 329

六、爆炸载荷所产生的应力波 331

3.4.5 循环载荷的土壤液化效应 335

一、液化机理 335

二、液化判据 336

三、影响液化特性的因素 337

四、液化的实验室实验 338

参考文献 343

第四章 土壤工艺元素 345

4.1 挡土 345

4.1.1 静载荷下的土压力 345

4.1.2 动载土压力问题和动载下的挡土 357

4.2 承载 361

4.2.1 浅基础极限荷载的计算 363

4.2.2 动力承载能力 367

4.2.3 桩的极限荷载 380

4.3 贯入 387

4.3.1 机具零部件的缓慢贯入 387

4.3.2 撞击贯入作用 391

4.1 压密 393

4.4.1 侧限压缩(干土)或固结(湿土) 395

4.4.2 考虑侧向变形的压缩(干土)或固结(湿土) 399

4.4.3 固结压缩 400

4.4.4 实际工作中密度场的计算 404

4.4.5 土的振动压密 412

4.5 切削 414

4.5.1 纯切削模型 416

4.5.2 两面楔切削 419

4.5.3 宽齿切削 421

4.5.4 直立窄齿切削 422

4.5.5 刀板切削动力模型 433

4.6 破碎 438

4.6.1 破碎理论 438

4.6.2 破碎的粒度分布 439

4.6.3 破碎比功学说 441

4.7 粘附、摩擦与磨损 443

4.7.1 粘附与脱土 443

4.7.2 土壤的外摩擦 447

4.7.3 磨损与自磨锐 454

4.8 机器基础 457

4.8.1 概述 457

4.8.2 应用集总参数法分析机器基础振动 459

4.8.3 冲击型机器的基础 466

4.8.4 振动和波的隔离 471

参考文献 472

第五章 土壤耕作 474

5.1 土壤耕作的目的与作用 474

5.2 土壤耕作与植物生长发育的动态关系 475

5.2.1 植物和土壤水的关系 475

5.2.2 根的物理环境 507

5.2.3 种床的土壤环境 511

5.2.4 不恰当耕作的副作用Ⅰ——土壤的侵蚀 513

5.2.5 不恰当耕作的副作用Ⅱ——土壤的过度压实 523

5.3 土壤耕作设计原理 527

5.3.1 耕作栽培制度(Cropping System)和土壤耕作法 527

5.3.2 机器系统 531

5.3.3 耕作部件的设计方程 531

5.3.4 耕作部件的设计 532

5.3.5 耕作部件的形状以及土-机相对位置的几何关系 532

5.3.6 部件运动的方式 538

5.4 翻垡部件模型 541

5.4.1 实现翻垡的途径 541

5.4.2 滚垡壁犁 543

5.5 深松部件 567

5.5.1 凿形犁的预测模型 569

5.5.2 铲形深松部件的预测 572

5.6 旋转耕作部件 574

5.6.1 概述 574

5.6.2 旋转耕作部件运动学要素 574

5.6.3 旋转耕作部件动力学要素——切土阻力和功耗 581

5.7 振动耕作部件 591

5.7.1 受迫振动 591

5.7.2 强迫振动 594

5.8 圆盘耕作部件 600

5.8.1 力的预测模型 601

5.8.2 圆盘部件所造成的沟底不平度 603

5.9 表土整备部件 606

5.9.1 运动学分析 606

5.9.2 动力学分析 611

参考文献 612

第六章 土石挖掘原理 615

6.1 推土与铲运 615

6.1.1 推土 615

6.1.2 铲运 624

6.2 装载 634

6.2.1 铲掘物料方法和机组作业方法 634

6.2.2 铲掘阻力 636

6.2.3 铲斗的形状与参数选择 639

6.3 挖掘斗 642

6.3.1 挖掘机的一些总体参数 642

6.3.2 工作部件种类与铲斗参数 645

6.4 平地、铲抛与夯实 651

6.4.1 平地 651

6.4.2 铲抛 661

6.4.3 夯实 667

6.5 沟渠的开挖与清理 672

6.5.1 牵引式开沟器 672

6.5.2 旋转式开沟 675

6.5.3 链式刮刀开沟器 682

6.5.4 清沟 686

6.6 暗管的铺设和暗沟的开挖 688

6.6.1 排水设施概述 688

6.6.2 暗管的铺设 689

6.6.3 排水暗沟的开挖 698

6.7 螺旋式挖穴和螺旋输送 705

6.7.1 螺旋式挖穴部件 705

6.7.2 螺旋式土壤输送部件 712

6.8 冻土施工特性 715

6.8.1 土壤的结冻和融化 716

6.8.2 冻期土壤的水热运移 718

6.8.3 冻土的动力学特性 720

6.8.4 冬季土方开挖特点 732

6.9 岩石施工特点 735

6.9.1 岩石的分类、力学性质及强度理论 735

6.9.2 岩石的机械破碎 748

6.9.3 岩石的爆破 790

参考文献 801

第七章 地面驱动 804

7.1 地面驱动总论 804

7.1.1 地面驱动的性能方程和性能指标 804

7.1.2 土壤水平推力(H)的潜势 809

7.2 行走装置与土壤相互作用基本模型(Ⅰ)——刚性剌轮 814

7.2.1 刚性轮的数学模型 816

7.2.2 刚轮轮剌作用下土壤的变形 827

7.3 行走装置与土壤相互作用的基本模型(Ⅱ)——轮胎 838

7.3.1 轮胎在硬地面和在软土上的变形 838

7.3.2 轮胎切向变形引起的滑转率分量 847

7.3.3 轮胎-土壤界面上应力分布的模型 847

7.3.4 轮胎性能的计算 849

7.4 行走装置与土壤相互作用的模型(Ⅲ)——履带 854

7.4.1 履带—土壤关系的特点 854

7.4.2 履带—土壤相互作用的数学模型 855

7.5 地面和土壤对车辆动态特性的作用 863

7.5.1 建立车辆动态特性模型的方法 863

7.5.2 车辆的方向控制及方向稳定性 865

7.5.3 乘坐舒适性及货物安全性 877

参考文献 881