简明临界物态土力学与有限元法

窘1章 土的物理性质与分类

1.1 引言

1.2 土的三相组成

1.3 土的三相比例指标

1.4 黏性土的界限含水量

1.5 土的工程分类

1.6 小结

第2章 有效应力原理与土的应力一应变状态

2.1 有效应力原理及其推论

2.2 土的应力一应变状态

2.3 理想弹性土的应力一应变性状

2.4 小结

第3章 土的室内力学性能试验

3.1 土工试验的边界条件与分类

3.2 三轴仪与固结仪

3.3 典型土的力学性能室内试验

3.4 小结

第4章 临界物态线(面)

4.1 正常固结黏土临界物态线

4.2 正常固结土的临界物态面

4.3 超固结黏土临界物态线(面)

4.4 物态全界面

4.5 体积变化和孔隙水压力变化

4.6 小结

第5章 剑桥(土)模型

5.1 弹性变形和塑性变形

5.2 弹性应变计算

5.3 土的塑性

5.4 剑桥(土)模型的假设与推导

5.5 小结

第6章 常规土工试验和临界物态模型的关系

6.1 莫尔一库伦破坏标准

6.2 一维压缩

6.3 不排水抗剪强度

6.4 不排水强度Cu随深度的变化

6.5 流塑性试验的说明

6.6 小结

第7章 工程地质问题与数值分析方法

7.1 工程地质问题

7.2 工程地质数值分析基本步序

7.3 有限元的基本步骤与方法

第8章 饱和土一维固结与三轴压缩试验模拟

8.1 饱和土一维固结压缩试验模拟

8.2 三轴压缩试验模拟

8.3 小结

第9章 基坑开挖与刚性挡墙支护数值模拟

9.1 基坑开挖的数值模拟

9.2 基坑支护数值模拟

9.3 小结

第10章 隧道模型

10.1 问题描述

1O.2 隧道开挖与支护模拟

10.3 小结

第11章 柔性挡墙模拟

11.1 问题描述

11.2 前处理

11.3 后处理

11.4 小结

参考文献 2100433B

本书是系统介绍临界物态土力学及其有限元法基本内容的教材，共分ll章。第1～6章介绍了土的物理性质与分类、有效应力原理与土的应力一应变状态、应力与应变路径、土的室内试验、临界物态线(面)的概念以及以剑桥模型为代表的临界物态模型及其与室内试验的关系。第7～11章，在简要论述了工程地质问题数值分析方法的基础上，介绍了基于Crisp2D软件临界物态模型的有限元实现，重点介绍了一维固结与三轴压缩试验数值模拟、基坑开挖与刚性挡墙支护数值模拟、隧道开挖与支护数值模拟、基坑开挖与柔性挡墙支护数值模拟等算例。

本书可供高等学校地质、土木、交通、岩土工程专业的本科生作为选修课教材使用，亦可供上述相关专业的研究生或工程技术人员作为教材或参考用书自学使用。

注：某些实验十分危险，这里未写。

物态固态

可以通过将液态物体加压或冷冻至凝点，也可以将超固态的物质减压生成。

物态液态

可以通过固态物质加热或减压生成，也可以通过气态物质冷凝或加压生成。

物态气态

可以将液态物质蒸发。2100433B

物态固态

粒子（包括离子、原子或者分子）都是紧密排列。粒子之间有很强的吸力，所以只能在原位震动。因而令固体拥有稳定、固定形状和固定容量的特性，只有因施力而切断或打碎时才可改变它的形状。在晶体固体中，粒子（包括原子、分子、和离子）都是以三维空间的结构排列，而同一种物质可以排列成不同形式晶体结构。例如铁在912℃下是面心立方，912℃至1394℃之间便是体心立方。又例如冰，世上已知有关冰的晶体结构有15种，这15种的固体物质状态分别存在于不同的温度和压力之下。在物质状态的转变过程中，固体会透过融化变成液体，相反液体会凝固成固体。如果由固体直接转变为气体，例如在大气压力下的CO₂，称之为升华，反之则是凝华。

严格地说，物理上的固态应当指“结晶态”，也即各种晶体所具有的状态。最常见的晶体是食盐，由许多立方形晶体构成。还有许多颜色、形状各异的规则晶体。物质在固态时的突出特征是有一定的体积和几何形状，物理性质具有各向异性。有一定的熔点，熔化时温度不变。

在固体中，分子或原子有规则地排列。每个分子或原子在各自固定的位置上振动。晶体的这种结构称为空间点阵结构。

物态液态

在温度和气压是常数的情况下，液体的容量是固定的。当固体加热到熔点之上时，便会成为液体。内分子（内原子或者内离子）之间的力仍然不可忽略，但分子有足够的能量，因而可以有相对运动，结构亦是流动的。液体的形状是不定的，由容器的形状来决定。一般情况下液体的容量会比它在固体时要大，水（H₂O）是一个反例，因为水从0℃—4℃下密度上升并达到顶点。而物质以液体存在的最高温度和最高压力分别名为临界温度和临界压力。

液体有流动性，与固体不同，液体还有各向同性特点（不同方向上物理性质相同），因为物体由固态变成液态的时候，由于温度的升高使得分子或原子运动剧烈，不可能再保持原来的固定位置，于是产生流动。这时分子或原子间的吸引力还比较大，使它们不至分散远离，因此液体有一定的体积。在液体内部的小区域内仍存在类似晶体的结构——“类晶区”。流动性是“类晶区”彼此间可以移动形成的。

物态气态

在气态中，分子拥有足够多的动能，因而内分子力的影响相对减少（对于理想气体是0），分子之间的距离也较远。气体并没有限定的形状和容量，但是它会占据整个密封的容器。液体可以透过在常压下加热到沸点或者在常温下加压而转变成气体。当气体温度低过临界温度时，这种气体称为蒸气，可以单独透过加压而变成液体。如果气体的压力等同液体的蒸气压，两者便可达致平衡，固体也是如此。当一种气体的温度和气压分别超越自身的临界压力及临界温度时便成为超临界流体，它拥有气体的特性，同时是一种高密度的溶剂，因此而工业中有不少用途。例如超临界二氧化碳可用透过超流体抽取法去抽取咖啡因，从而制造出脱咖啡因的咖啡。

液体加热会变成气态。这时分子或原子运动更剧烈，“类晶区”不复存在。由于分子或原子间的距离增大，它们之间的引力可以忽略，因此气态主要表现为分子或原子各自的无规则运动，导致气体特性有流动性，没有固定的形状和体积，容易压缩；物理性质具有各向同性。

在外荷载作用下土在其变形发展过程中，无论其初始状态与应力路径如何，都在某一特定点结束，如果这一点存在的话，则该点处于临界状态。

临界状态的定义：土体在剪切试验的大变形阶段，它趋向于最后的临界条件，即体积和应力（总应力和孔隙压力）不变，而剪应变还不断持续的发展和流动的状态。换句话说，临界状态的出现就意味着土已经发生流动破坏。