土力学中一些基本问题的思考与研究ppt课件

土力学中一些基本问题的思考与研究,1,一、学习方法,研究生与本科生的学习有何区别研究生学习的目的不但应掌握所学的内容，更重要的是为创新而学习。自学方法批判性阅读与批判性思考方法,2,三、土力学的重要性,地基与基础的好坏与否直接影响其上部结构的安全和正常使用(附图比萨斜塔和加拿大谷仓地基失稳）调查统计表明，世界各国土建和水利工程事故中，以地基的设计失误或处理不当引起的最多。另外，一旦发生事故，因其通常处于地下，补救工作困难，费用很大。,3,学习土力学的目的：,1）土力学为认识土的行为和工程性质提供理论基础2）用土力学的理论指导土工结构物的分析、计算、设计、施工与维护，保证它们的安全与正常使用。,4,土力学所包括的内容：,它研究土体在荷载作用下，土中应力、应变（变形）、强度（和稳定性）和渗流规律的一门学问。,5,土的基本特点,土的三个基本特征1、碎散性2、不均匀性和自然变异性3、三相体土的两种表现1、土的易变性2、土的不确定性,6,碎散性,土有哪些特点？,非连续介质,受力以后易变形体积变化主要是孔隙变化剪切变形主要由颗粒之间相对位移引起强度低,绪论,岩石风化的产物,7,多相孔隙介质,三相性（三相体系）,受力后由土骨架、孔隙中的液体和气体共同承担存在复杂的各相之间的相互作用孔隙流体流动,绪论,土有哪些特点？,固相土骨架液相水气相空气,8,天然性（自然变异性）,自然界的产物,绪论,土有哪些特点？,非均匀性各向异性结构性时空变异性,9,10,碎散性,三相性,自然变异性,1、土的易变性2、土的不确定性,变形特性强度特性渗透特性,绪论,土有哪些特点？,11,土的易变形主要是由颗粒之间的胶结力很弱导致的不确定性主要是由土的易变形和天然变异性以及复杂的三相性等导致的,12,与土木工程中的其它学科相比，土力学最大的一个特点是不确定性非常大。土力学的工程分析与预测：由于土这种很大的不确定性，与实际工程的表现相比，可能相差很大。为减少这种不确定性，土力学更强调试验。,13,例1、Hynes和Vanmark1975年曾报道了一个盲测的结果，他们向十位知名的岩土工程师提供了一个堆堤试验的基本资料，有堆堤的尺寸、方法等，要求每位工程师按自己的经验与方法预测这个堆堤试验的各项反应（例如沉降、孔隙压力、破坏时的填方高度等），最后公布原位观测结果。,十位工程师的预测结果：破坏时填方高度：七人给出了估计的最大、最小区间，三个给出了定值估计。区间预测值的上限最大值9.1米，下限最小值1.5米，其中有三个人的预测区间覆盖了观测值，命中率为43%。实测值为：5.7米。,14,例2、旧金山湾区的东部BayFarm岛，要修建一个占地23万平方米的建筑。,初次：A公司预测最大不均匀沉降不大于300mmB公司预测最大不均匀沉降不大于30mm修正后：A公司预测最大不均匀沉降不大于250mmB公司预测最大不均匀沉降不大于50mmDuncan预测最大不均匀沉降不大于100mm,15,岩土工程是一门半科学、半艺术的学科,土力学理论不能解决全部工程问题工程经验和判断起很大的作用技巧、艺术在岩土工程中发挥巨大的作用有人否认理论的作用,16,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,比萨斜塔,目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m，塔顶离中心线已达5.27m，倾斜5.51360：再复工，至1370年竣工，全塔共8层，高度为55m1272：复工，经6年，至7层，高48m，再停工1178：至4层中，高约29m，因倾斜停工1173：动工,原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，模量较低，变形较大。,1590:伽利略在此塔做落体实验,17,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,比萨斜塔,1838-1839：挖环形基坑卸载1933-1935：基坑防水处理基础环灌浆加固1990年1月:封闭1992年7月：加固塔身，用压重法和取土法进行地基处理目前:已向游人开放。,处理措施,18,值得注意：设计与建造时是利用经验1990年后的加固设计与施工是利用现代土力学的理论进行的,19,五、土力学的发展,古典土力学（1925年以前）库伦、朗肯土压力理论、莫尔库伦强度理论、达西渗流定律经典土力学（1925年1960或1963年）有效应力原理、一维固结理论、地基承载力理论（刚塑性）等,20,古典与经典土力学的局限性：,用弹性理论计算土中的应力变形计算本质上是一维的只有一维固结理论能用于工程实际强度与变形分别处理与计算，没有互相联系起来只能采用刚塑性理论进行稳定性分析,21,现代土力学（1960、1963至今）现代土力学的特征：应力应变强度时间互相有机的联系起来土的本构关系就是研究上述关系的Roscoe建立了临界土力学的理论（1958，1963，1968）该理论是以临界状态和应力应变孔隙比（体积）的关系为基础建立的。,22,土力学理论的发展和面临的挑战,23,Terzaghi经典土力学理论发展到现在仍然面临着三大挑战,没有严格、统一和完备的土力学理论。对更具一般意义的非饱和土的行为的研究不够充分，现有的认识也不完善。没有在多种环境作用下土的多场耦合的统一和完备的理论。,24,土力学发展到目前为止，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。其具体体现就是：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，缺少有机的和统一的理论基础；经验公式和方法还随处可见；经验、工程判断、艺术和技巧还继续发挥重要的作用。,25,土力学的理论基础本来就不坚实。作为土力学的研究者，不仅要解决工程问题，更重要的是要促进土力学理论向前发展，这才是一个真正的学者或研究者所要考虑的问题。这也正是研究者或学者与工程师的区别，同时也是科学研究与技术研究相互区别的关键所在。不能因为土力学是一门应用背景很强的学科，就否定其纯学术的研究（它有时并不一定具有直接的实用目的）。,26,二战以后，连续介质力学的理论以Rivlin和Truesdell的开创性工作为基础，得到了迅速的发展，并取得了引人瞩目的成果。连续介质力学处理变形体的问题，早期它仅限于处理一些简单的特殊理想变形体，例如一些同温或没有热能交换的变形体。然而从更加普遍的情况，连续介质力学必须考虑质量交换、能量交换、能量的耗散以及平衡，这就必然要涉及到连续介质热动力学理论。1960年以后，连续介质热动力学开始得到人们的重视并开展了深入地研究，还把场论引入了连续介质热动力学。有些人认为：连续介质热力学只不过是把热和与温度有关的因素在连续介质力学中加以考虑，但如果工程允许忽略温度的影响，则连续介质热力学对变形体的研究意义不大。但他们没有认识到，连续介质热力学不仅要研究热和温度的影响，它更一般地要研究变形体的质量交换、能量交换、能量的耗散以及平衡。而变形体，尤其是混合物、多孔介质等物体，其内部不同组分之间的相互作用是可以通过它们之间的质量交换、能量交换以及平衡来描述的。另外，材料的塑性变形和徐变要涉及到系统内的能量耗散，因此，连续介质热力学对各种变形体的力学描述来说，意义重大。,27,土力学统一的理论基础,上世纪六七十年代发展起来的多相孔隙介质理论可以统一的描述多相孔隙介质中复杂的相互作用以及它在外力和环境作用下的响应。它可以成为描述岩土材料多场耦合行为的理论基础。多相孔隙介质理论也可以成为土力学关于固结、变形和渗流等问题的统一的理论基础我们把以孔隙介质力学为基础，对土的力学和渗流性质进行的研究的学问称之为：理性土力学当然用孔隙介质力学的理论作为土力学的理论基础还有很多工作要做，例如如何用该理论对现有的土力学成果（在一定的假设和前提条件下）给予解释和说明。另外，如何用这一理论探索土力学中的一些复杂的现象，例如对非饱和土和冻土行为的分析和研究等。,28,我们在为建立土力学的统一的理论基础即理性土力学方面所从事的工作,29,非饱和土的广义有效应力原理,饱和土的有效应力原理在饱和土中以经得到成功的应用但有效应力原理在非饱和土中应用并不成功不论饱和土与非饱和土中的有效应力原理，其理论基础并不完善，它是经验和直觉的结果我们根据多相孔隙介质理论和能量守恒方程推导得到了一种非饱和土广义有效应力原理，其理论基础是完善的1ZhaoCG,LiuY,Workandenergyequationsandtheprincipleofgeneralizedeffectivestressforunsaturatedsoils.InternationalJournalforNumericalandAnalyticalMethodsinGeomechanics.2010，34：920-936.2赵成刚、蔡国庆：非饱和土广义有效应力原理，岩土力学，2009，30(11).3赵成刚，张雪东（2008），非饱和土中功的表述以及有效应力与相分离原理的讨论，中国科学E辑，Vol.38,No.9。(SCI检索）,30,建立非饱和土本构方程,孔隙介质理论从基本的物理规律出发，针对问题的具体情况进行数学演绎，所以在该理论框架下所建立的本构方程都可以按一定的规则提出，所考虑的多相介质的物理性质，物理规律的限制，分析、演绎中的具体假定和简化都有清楚的表述。所以这种本构方程具有系统性，对各种因素的考虑也具有一致性，可以避免得出不协调的结论。赵成刚、刘艳（2009）：连续孔隙介质土力学及其在非饱和土本构关系中的应用，岩土工程学报，31（9）：1324-1335刘艳、赵成刚.考虑气相硬化影响的非饱和土本构模型.科学通报，2010，55(26)：2635-2642。蔡国庆,赵成刚,考虑温度效应的非饱和土变形特性,科学通报,2011,56(18):1487-1496.,31,岩土中的多场耦合问题,土体在应力、渗流、温度和化学等场的共同作用下，土骨架的变形、孔隙水的渗流、物质和污染物的迁移与扩散、化学反应（溶解、沉淀）、相变等多过程的多场耦合问题，是环境岩土工程中一个迫切需要解决而又十分困难的问题。而传统的土体中多场耦合理论绝大多数都是基于直觉的、经验的、宏观现象学的认识，缺少严格和科学的理论基础。由此所建立的理论适用范围有限，也未能严格和有效地描述多场作用下土体中多场和多过程耦合的问题。因此，无法满足解决上述实际工程问题的需要。,32,我们针对混合物理论应用于多场耦合问题以及污染物输运问题进行了研究并取得了一些阶段性成果,黄璐（导师：赵成刚），基于混合物理论的污染物输运模型研究D，北京交通大学博士论文，2010。黄璐，赵成刚，输运性质受固结过程影响的污染物输运模型，岩土工程学报，2010，32（3）：420-427。HuangL,ZhaoCG.Amicropolarmixturetheoryofmulti-componentporousmedia,Appliedmathematicsandmechanics,2009,30(5):617-630.(SCIE检索)黄璐,赵成刚微极性多组分多孔介质的混合物理论，应用数学与力学，2009，30（5）：575-586CaiGuoqing,ZhaoChenggang,LiuYan,LiJian,Anonlinearmulti-fieldcoupledmodelforsoils,ScienceChina:E,2011,54(5):1300-1314,33,（五）一般结构设计与土工结设计的区别,力学公式钢结构、钢筋混凝土结构-较为准确土力学-不准确、大致的估计一般结构可以根据预先对材料力学性质（例刚度、强度等）的假设进行设计。,34,这样做的理由：结构所使用的材料可通过质量检验得到控制，其不确定性较小，边界条件和力学性质是简单的、确定的；力学模型能够反映结构的行为，其计算结果与实际情况误差不大。结构工程师可以不管其建筑材料是如何试验的（可让他人去做），而把注意力集中在结构的功能、美学、结构构造和结构计算上。,35,土工工程师要是按上述结构工程师的做法去设计则不行，容易出现问题，原因是：土是自然风化与沉积的产物，它一般是不均匀的，其力学性质不能人工控制（其它材料是可人工控制的），不确定性非常大。因此土力学的因果关系或公式不象其它力学中那样简明，也不能象其它力学公式那样去认识和理解。土力学公式的计算结果的准确性从来不会超过粗略或大致的估计。由于前述的不确定性对计算结果和实验结果的影响和误差的大小只能凭经验来推测，即：