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