编辑推荐
? 首次在国内本科生土力学教材中简明、扼要地介绍了现代土力学的重要内容——临界状态土力学。
? 在教材中给出了对土力学做出重要贡献的国际上一些著名科学家或土力学家的生平简介及照片或画像,使刻板的教科书增加了人文气息。
? 给出了土力学中各种分析方法的适用范围和局限性,并简要地介绍了现代土力学中一些新的研究成果和存在的问题。使学生了解土力学处于半理论、半经验的状态,为今后科研和应用奠定了基础。
? 最后一章还专门讨论了学完土力学后,应如何用好土力学的问题。
? 给出了学习中应注意的问题、概念思考题、习题、习题答案及大部分习题的详细题解等。这些内容特别适合报考硕士研究生的同学复习土力学的需要。
内容简介
本书结合土力学学科近年来的发展,系统地介绍了土力学的基本原理和分析方法,力求深入全面地阐述土力学的基本内容和实质。全书共分11章,主要内容包括土的物理性质及工程分类、土的渗透性和渗流、土体中的应力计算、土的压缩与固结、土的抗剪强度、土的临界状态理论、土压力计算、地基承载力、土坡稳定分析等。各章后附有思考题和习题,书末附有习题答案和部分习题的详细解答。
本书主要作为高等学校土木工程各专业及相近专业土力学课程的教材或参考书,也可供土木工程研究人员和工程技术人员参考,还可作为考研复习的参考书。
作者简介
赵成刚,教授。北京交通大学土建学院教授,原岩土工程系主任,北京市重点学科-岩土工程学科学术带头人。北京市精品课《土力学与基础工程》负责人。
前言/序言
第2版前言
出版高质量和高水平的本科生教材,是我们长期从事本科生“土力学”教学的教授应尽的义务和责任,也一直是我和前后编写、修订本书的编写组成员们追求的目标。本书第2版是经过13年的教学实践和不断修订、改进的结果,反映了我们对土力学理论不断深入、发展、变化的认识和理解,以及教学经验的积累和新的工程需求。通过逐渐修订而形成的这本《土力学原理》第2版,就是我们上述追求的结果。我们努力使本书不同于一般土力学教材,除了书的封底列出了本书的五大特色外,第2版在以下几方面进行了修订:
1.介绍了土的连续化与平均化理论以及表征体元的概念。一个不引人注意,但非常基础而重要的问题是:为何把土这样一种疏松、离散和黏结力很弱的矿物颗粒及其周围充满液体和气体的混合离散物,用连续介质力学理论进行描述和分析,而这样做的理由和前提是什么?有何科学依据?适用条件为何?这些就是土的连续化与平均化理论以及表征体元的概念所论述和回答的问题(见2.6节)。
2.初步探讨了土力学理论预测的不确定性产生的原因(见1.4.2节)。
3.在黏土矿物的晶体结构与分类(见2.3.1节)中增加了部分内容,从微观的角度介绍了膨胀土产生的机理(见18~22页)。
4.较为详细地介绍了土的结构性(见2.5节)。这里基于我们的研究和认识,给出了关于土的结构性的定义和说明。此节改动较大,篇幅也增加了。
5.对土力学中的有效应力及其局限性进行了概括性的讨论,见1.4.2节、4.6.1节、5.1节和6.1节等。
6.用土样的室内实验结果对场地的沉降进行预测,其理由和前提条件是什么?我们在5.2节“土体的压缩特征”的一开始增加了对这一问题的讨论。
7.对第5章的固结理论部分进行了改写,并对其中正负号的使用进行了一些修正。本质上说,渗流之所以会出现负号,是由于渗流是从总势能高的地方流向总势能低的地方(由大到小的方向流动),而这与其坐标的正向(由小到大的方向)相反,因此出现了负号。
8.对第7章原始剑桥模型和修正剑桥模型的推导进行了简化,使其易懂。另外还增加了一些习题和思考题,以补充原有这一部分的缺失。
9.对第10章边坡稳定的有限元分析部分进行了补充和修改,增加了一些必要的基本性内容。
10.对原修订本中的部分内容作了改写,并修正了一些错误。
11.删去了原修订本中本科生教学中一些不必要的内容(例如删去了Terzaghi和Biot三维固结理论以及附录中的例题精选),使得增加的部分与删去的部分大致相当。本书的篇幅没有很大变化。
参加第2版编写工作的有:赵成刚,负责全书总体内容修订的安排,并具体负责第1章、第2章、第6章、第5章除了固结以外部分的修订,以及4.6.1节有效应力原理中的部分修订;白冰,负责第3章、第4章、第8章的修订;丁洲祥,负责第5章固结理论部分的修订;刘艳,负责第7章的修订,并负责2.6节土的连续化和平均化理论的编写;陈曦,负责第10章的修订;李舰和蔡国庆也参加了部分修改和校对工作。
土力学是从实际工程的需要出发,并由工程师发展起来的一门学科。它具有很强的实用性和经验性的特点。这一特点具有两面性:一方面,它可以用于解决很多实际工程问题,为广大岩土工程师提供了理论和分析工具;另一方面,它缺少严密性、科学性和系统性,其预测结果不确定性非常大,是一门半经验、半理论的学科。
土力学发展至今,其理论基础仍然很不完善,仍处于半理论、半经验的发展阶段。其具体体现是:多数理论假定渗流与变形和强度无直接联系,渗流与变形的理论分别是根据不同的假定而建立的,土力学各章节之间缺少有机和统一的理论基础;经验公式和方法还随处可见;预测结果具有非常大的不确定性,经验、工程判断、艺术和技巧还继续发挥重要的作用。虽然现代土力学的发展,进一步完善了土力学的理论基础,但这种发展与变化仍然没有从根本上改变上述状况,理论预测结果仍然具有非常大的不确定性,土力学完备和统一的理论基础仍有待于研究和发展。这里“完备”的含义是,在建立新的理论和模型时应该把一些对土力学的性质和行为具有重要影响的因素尽可能多地考虑进来,即达到尽可能的完备,以便减少由于过多的简化而带来的不确定性。例如非饱和土力学中所做的工作,它为了尽可能减小土力学理论中所存在的不确定性,增加了吸力变量。致力于使土力学的理论建立在完备、严密和科学的基础之上,即用完备、严密、统一、科学的理论,例如多相孔隙介质理论或热力学理论,来研究和描述土的性质的理论称为理性土力学。这方面的内容在我们撰写的专著《理性土力学与热力学》中已经进行了一些讨论。
通常在一门学科中,工程经验的作用和科学理论的作用是成反比关系的;科学所起的作用和占有的比重越大,工程经验和技艺的作用就越小。人类土木工程的实践表明,土力学诞生之前,岩土工程完全依靠经验和技艺。土力学诞生之后,随着学科的不断发展,科学理论所起的作用也越来越大。面对这种状况,一方面要在应用中积累更多的经验,培养和提高处理工程问题的技艺和水平。但另一方面,也要促使土力学和岩土工程学科的理论不断向前发展,最后和其他学科一样达到成熟的水平,即仅利用科学理论就能够较为准确地预测土体的行为,这也是土力学研究者所追求的目标。
本书不可能没有缺点,它所讨论的都是一些基础性的内容,所以本书绝大部分内容是取自他人的成果,有特色的内容并不多,错误之处也在所难免,一个例证就是多次修改后,仍然有错误。我们能够做的是,以当前的视野和尽可能正确、清晰的概念论述土力学的内容。
随着时间和土力学学科的发展,此书可以继续修订。但这一版可能是我主持修订这本书的最后一版,原因是我已经超过退休的年龄,没有精力再做此事。同我的研究论文相比,我更珍视此书,因为这本书伴随和包含了我更多的时间和精力。但退休也有好处,即没有教学和科研的催促,也没有拿项目和发表文章的压力。因此我想,与其发表一些用处不太大的文章,不如多花些时间和精力,用心地把这本书写好,用于教育优秀的学生。而后者的意义更大,因为它有助于使更多的学生掌握更加清晰和科学的土力学的基本内容和概念,为将来的研究和工程应用打下良好的理论基础。
当然此书仅是一部本科生的教学用书,它的深度和广度是很不够的。而高等土力学可以填补这一不足。我从事高等土力学的教学和研究已经三十多年,积累了一些材料和经验,希望在我七十岁前,能够撰写、出版一本为研究者或研究生使用的高等土力学、基础性理论的书。这也是希望将来为我所从事的专业做最后一点事情。
我只希望本书能为我国本科生“土力学”课程的教学提供一本较好的教学用书。
赵成刚2017年5月于北京交通大学土建学院
《土力学原理》(第2版)图书简介 导论:塑造我们脚下世界的科学 我们每天生活的世界,从宏伟的摩天大楼到深邃的地下隧道,都建立在看不见却至关重要的地基之上——土壤。土壤,这看似普通却又极其复杂的物质,其行为规律的掌握,构成了土力学这门学科的核心。它不仅是岩土工程领域不可或缺的基础理论,更是确保各类工程结构安全、稳定、经济运行的关键。从桥梁的选址到大坝的修建,从高层建筑的地基处理到地下空间的开发,无不依赖于对土壤力学特性的深刻理解。 《土力学原理》(第2版)正是这样一本旨在系统、深入地阐释土力学基本原理,并将其应用于实际工程问题的经典著作。本书以严谨的学术态度、清晰的逻辑结构和丰富的工程实例,为读者构建起一个扎实的土力学知识体系,帮助理解土壤在各种荷载作用下的应力、应变、强度及变形行为,并掌握如何利用这些知识来解决实际的岩土工程问题。 第一篇:土壤的基本概念与性质 万丈高楼平地起,而这“平地”的根基,便是土壤。本书的开篇,将带领读者走进土壤的微观世界,认识这个塑造我们生存环境的基石。 土壤的形成与分类: 我们将从地质学和矿物学的角度出发,追溯土壤的起源,了解其在地表风化、侵蚀、搬运和沉积过程中形成的复杂历程。通过对土壤颗粒大小、形状、成分和物理化学性质的分析,本书将详细介绍国际上通行的土壤分类体系,如美国统一土壤分类法(USCS)和国际土工分类法(ISRIC),使读者能够准确地识别和区分不同类型的土壤,为后续的力学分析奠定基础。我们将探讨各种土壤类型的典型特性,以及它们对工程性质的影响,例如,黏性土的黏聚性和渗透性,砂土的密实度和承载力,以及有机质含量对土壤稳定性的作用。 土的物理性质: 离开了宏观的工程现场,深入到实验室,土的内在物理性质才能被精确地量化。《土力学原理》(第2版)将详细介绍土的各种基本物理参数,包括但不限于: 土的密度与重度: 阐述天然密度、干密度、饱和密度以及重度等概念,并讲解它们在重力作用下的意义。 土的含水量: 深入剖析天然含水量、最佳含水量、液限、塑限等关键指标,以及它们如何影响土的强度和压缩性。 孔隙比与孔隙度: 解释土体中孔隙所占的体积与颗粒所占体积的比例关系,以及它们对土的渗透性、压缩性和强度至关重要。 相对密度(或称土的密实度): 对于松散颗粒土,这一指标直接反映了其密实程度,进而影响其承载能力。 土颗粒的比表面积与形状: 探讨颗粒大小、形状对土体的堆积方式、颗粒间接触以及最终力学行为的影响。 土的颜色、气味等感官指标: 虽然不直接参与计算,但这些信息有时能提供关于土体成分和状态的重要线索。 土的渗透性: 水在土中的流动是岩土工程中一个极其普遍且重要的现象。本书将深入剖析土壤的渗透性,其关键在于: 达西定律: 详细介绍达西定律,阐明渗流流量与水力梯度、渗透系数之间的线性关系。 渗透系数: 解释渗透系数的物理意义,探讨其受土的性质(如颗粒级配、孔隙度、黏粒含量)和水力性质(如水的黏度)等因素的影响,并介绍不同测试方法(如常水头渗透试验、变水头渗透试验)的原理和操作。 渗流网络与流网分析: 引入渗流理论,介绍流网(Flow Net)的绘制方法及其在求解渗流速度、渗流力、孔隙水压力以及确定地下水位等方面的应用。这将有助于分析土坡的稳定性、大坝的防渗设计以及地下结构的渗流问题。 第二篇:应力、应变与孔隙水压力 当外力施加于土壤时,土壤内部会产生复杂的应力分布和变形。理解这些内部响应,是进行可靠工程设计的前提。 应力分析: 了解土壤内部应力的分布和传递机制至关重要。 总应力、有效应力与孔隙水压力: 这是土力学中最核心的概念之一。本书将清晰地阐释 Terzaghi 的有效应力原理,即土的力学性质(如强度和压缩性)主要取决于颗粒骨架之间的有效应力,而孔隙水压力则起到分担荷载的作用。详细推导在各种荷载条件下的总应力、有效应力和孔隙水压力,包括自重应力、附加应力以及不同形状荷载(如均布荷载、集中荷载、荷载条带)在土体内部的传播。 应力状态与莫尔圆: 引入应力张量和莫尔圆的概念,帮助读者理解土体内部的应力状态,包括主应力、偏应力以及任意截面上的应力分量,为后续的强度分析打下基础。 变形分析: 土壤的变形是工程实践中必须考虑的关键因素。 应变的概念: 定义线应变、剪应变等基本概念,描述土体在荷载作用下的几何变化。 土的压缩性与沉降: 深入探讨土的压缩性,包括压缩模量、压缩系数、体积压缩系数等指标。详细介绍土体沉降的计算方法,包括初沉、固结沉降和次固结沉降。 固结理论: 这是土力学中关于饱和黏性土变形的核心理论。本书将详细阐述 Terzaghi 的一维固结理论,推导固结微分方程,并介绍固结系数、固结度、沉降速率等关键概念。我们将探讨固结过程的影响因素,如土的渗透性、固结厚度、荷载大小以及排水条件。读者将学习如何根据固结理论预测土体的最终沉降量和沉降时间,这对大型工程(如高层建筑、堤坝、填海工程)的规划和设计具有决定性的意义。 第三篇:土的强度与稳定性 土壤的强度决定了它抵抗破坏的能力,是评价岩土工程安全性的根本依据。 土的抗剪强度: 这是土体抵抗滑动的能力,直接关系到边坡、基坑、挡土墙等工程的稳定性。 库仑强度准则: 详细介绍经典的库仑-莫尔强度理论,阐明土的抗剪强度由内摩擦角和黏聚力组成,并推导土体的抗剪强度表达式。 影响抗剪强度的因素: 深入分析土的密度、含水量、有效应力、应力历史、加载速率等因素对土体抗剪强度的影响。 三轴试验与直剪试验: 介绍土工试验室中测定土体抗剪强度的方法,包括无侧限抗压强度试验、三轴压缩试验(UU, CU, CD试验)和直剪试验。我们将详细解读这些试验的结果,并讲解如何将试验数据应用于实际工程。 土的破坏机理: 分析土体在不同应力状态下的破坏模式,包括脆性破坏和韧性破坏。 边坡稳定性分析: 边坡的失稳是岩土工程中最常见的灾害之一。 滑坡的基本形式: 介绍常见的滑坡类型,如圆弧滑动、直线滑动、复合滑动等。 极限平衡法: 详细阐述经典的极限平衡法,如瑞典圆法(Fellenius法)、毕肖普法(Bishop法)和简布法(Janbu法),介绍极限平衡法的基本原理、计算步骤和假设条件。我们将通过实际算例,指导读者如何计算边坡的安全系数(FS),并讨论如何通过加固措施(如排水、挡土墙、锚杆)来提高边坡的稳定性。 其他稳定性分析方法: 简要介绍有限元法等更先进的数值分析方法在边坡稳定性评估中的应用。 承载能力分析: 土壤承载能力是指土体在承受外部荷载时,能够维持稳定而不发生破坏或过大变形的最大压力。 基本概念: 定义极限承载力、容许承载力等概念。 承载能力计算理论: 介绍 Terzaghi、Meyerhof、Hansen 等经典承载力计算公式,讲解公式中各参数的意义,以及它们如何受土的性质、基础形式、荷载倾斜等因素的影响。 考虑地基变形的承载能力: 除了强度破坏,过大的沉降也是工程不可接受的。本书将讨论如何同时考虑强度和变形的承载能力。 第四篇:土的动力性质与特殊土 随着工程技术的进步,对土体在动态荷载作用下的行为以及特殊土体的处理也日益重要。 土的动力性质: 地震、机械振动等动力荷载对土体的影响与静力荷载截然不同。 动力特性的描述: 介绍土体的动刚度、阻尼比、动力剪切模量、阻尼系数等参数。 动力试验方法: 简述共振柱试验、扭剪试验等用于测定土体动力性质的试验方法。 动力问题举例: 探讨动力荷载对土体结构的影响,如动力液化、动力变形等,以及在地震区或有强振动源的地区如何进行地基设计。 特殊土体: 某些土体由于其特殊的成分或结构,具有独特的力学性质,需要特殊的处理方法。 软弱土体: 如淤泥、海相沉积土等,它们通常具有低强度、高压缩性和高含水量等特点。本书将探讨软弱土体的处理原则和常用方法,如换填、抛石挤淤、强夯、桩基、隔膜、排水固结等。 膨胀性土: 具有吸水膨胀、失水收缩的特性,可能对工程结构造成严重破坏。将介绍膨胀性土的识别、膨胀应力的分析以及相应的处理措施。 黄土: 在某些地区广泛分布,其湿陷性(遇水变形)是重要的工程问题。本书将分析黄土的湿陷机理,并介绍加固和处理方法。 冻土: 在寒冷地区,冻土的融化和冻胀对工程结构构成威胁。将初步探讨冻土的特性及其对工程的影响。 结语:理论联系实际,服务于工程实践 《土力学原理》(第2版)不仅是一本理论著作,更是一本注重实际应用的指南。本书在每个章节中都穿插了丰富的工程实例,从实际工程问题出发,引导读者运用所学理论进行分析和计算。通过对这些案例的剖析,读者将能够更直观地理解土力学原理在工程实践中的应用价值,培养解决实际岩土工程问题的能力。 本书以清晰的语言、严谨的逻辑和图文并茂的方式,力求将复杂的土力学概念和计算方法变得易于理解和掌握。无论您是土木工程、岩土工程专业的学生,还是正在从事相关领域工作的工程师,相信《土力学原理》(第2版)都将是您深入学习和提升专业技能的宝贵参考。通过掌握这些“看不见的”力量,您将能够更自信地建设更安全、更稳固、更经济的工程。