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土力學(xué)原理(第2版)
本書結(jié)合土力學(xué)學(xué)科近年來的發(fā)展,系統(tǒng)地介紹了土力學(xué)的基本原理和分析方法,力求深入全面地闡述土力學(xué)的基本內(nèi)容和實質(zhì)。全書共分11章,主要內(nèi)容包括土的物理性質(zhì)及工程分類、土的滲透性和滲流、土體中的應(yīng)力計算、土的壓縮與固結(jié)、土的抗剪強(qiáng)度、土的臨界狀態(tài)理論、土壓力計算、地基承載力、土坡穩(wěn)定分析等。各章后附有思考題和習(xí)題,書末附有習(xí)題答案和部分習(xí)題的詳細(xì)解答。
本書主要作為高等學(xué)校土木工程各專業(yè)及相近專業(yè)土力學(xué)課程的教材或參考書,也可供土木工程研究人員和工程技術(shù)人員參考,還可作為考研復(fù)習(xí)的參考書。
首次在國內(nèi)本科生土力學(xué)教材中簡明、扼要地介紹了現(xiàn)代土力學(xué)的重要內(nèi)容臨界狀態(tài)土力學(xué)。? 在教材中給出了對土力學(xué)做出重要貢獻(xiàn)的國際上一些著名科學(xué)家或土力學(xué)家的生平簡介及照片或畫像,使刻板的教科書增加了人文氣息。? 給出了土力學(xué)中各種分析方法的適用范圍和局限性,并簡要地介紹了現(xiàn)代土力學(xué)中一些新的研究成果和存在的問題。使學(xué)生了解土力學(xué)處于半理論、半經(jīng)驗的狀態(tài),為今后科研和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。? *后一章還專門討論了學(xué)完土力學(xué)后,應(yīng)如何用好土力學(xué)的問題。? 給出了學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題、概念思考題、習(xí)題、習(xí)題答案及大部分習(xí)題的詳細(xì)題解等。這些內(nèi)容特別適合報考碩士研究生的同學(xué)復(fù)習(xí)土力學(xué)的需要。
第2版前言出版高質(zhì)量和高水平的本科生教材,是我們長期從事本科生土力學(xué)教學(xué)的教授應(yīng)盡的義務(wù)和責(zé)任,也一直是我和前后編寫、修訂本書的編寫組成員們追求的目標(biāo)。本書第2版是經(jīng)過13年的教學(xué)實踐和不斷修訂、改進(jìn)的結(jié)果,反映了我們對土力學(xué)理論不斷深入、發(fā)展、變化的認(rèn)識和理解,以及教學(xué)經(jīng)驗的積累和新的工程需求。通過逐漸修訂而形成的這本《土力學(xué)原理》第2版,就是我們上述追求的結(jié)果。我們努力使本書不同于一般土力學(xué)教材,除了書的封底列出了本書的五大特色外,第2版在以下幾方面進(jìn)行了修訂: 1.介紹了土的連續(xù)化與平均化理論以及表征體元的概念。一個不引人注意,但非;A(chǔ)而重要的問題是:為何把土這樣一種疏松、離散和黏結(jié)力很弱的礦物顆粒及其周圍充滿液體和氣體的混合離散物,用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論進(jìn)行描述和分析,而這樣做的理由和前提是什么?有何科學(xué)依據(jù)?適用條件為何?這些就是土的連續(xù)化與平均化理論以及表征體元的概念所論述和回答的問題(見2.6節(jié))。 2.初步探討了土力學(xué)理論預(yù)測的不確定性產(chǎn)生的原因(見1.4.2節(jié))。 3.在黏土礦物的晶體結(jié)構(gòu)與分類(見2.3.1節(jié))中增加了部分內(nèi)容,從微觀的角度介紹了膨脹土產(chǎn)生的機(jī)理(見18~22頁)。 4.較為詳細(xì)地介紹了土的結(jié)構(gòu)性(見2.5節(jié))。這里基于我們的研究和認(rèn)識,給出了關(guān)于土的結(jié)構(gòu)性的定義和說明。此節(jié)改動較大,篇幅也增加了。 5.對土力學(xué)中的有效應(yīng)力及其局限性進(jìn)行了概括性的討論,見1.4.2節(jié)、4.6.1節(jié)、5.1節(jié)和6.1節(jié)等。 6.用土樣的室內(nèi)實驗結(jié)果對場地的沉降進(jìn)行預(yù)測,其理由和前提條件是什么?我們在5.2節(jié)土體的壓縮特征的一開始增加了對這一問題的討論。 7.對第5章的固結(jié)理論部分進(jìn)行了改寫,并對其中正負(fù)號的使用進(jìn)行了一些修正。本質(zhì)上說,滲流之所以會出現(xiàn)負(fù)號,是由于滲流是從總勢能高的地方流向總勢能低的地方(由大到小的方向流動),而這與其坐標(biāo)的正向(由小到大的方向)相反,因此出現(xiàn)了負(fù)號。 8.對第7章原始劍橋模型和修正劍橋模型的推導(dǎo)進(jìn)行了簡化,使其易懂。另外還增加了一些習(xí)題和思考題,以補(bǔ)充原有這一部分的缺失。 9.對第10章邊坡穩(wěn)定的有限元分析部分進(jìn)行了補(bǔ)充和修改,增加了一些必要的基本性內(nèi)容。 10.對原修訂本中的部分內(nèi)容作了改寫,并修正了一些錯誤。 11.刪去了原修訂本中本科生教學(xué)中一些不必要的內(nèi)容(例如刪去了Terzaghi和Biot三維固結(jié)理論以及附錄中的例題精選),使得增加的部分與刪去的部分大致相當(dāng)。本書的篇幅沒有很大變化。 參加第2版編寫工作的有:趙成剛,負(fù)責(zé)全書總體內(nèi)容修訂的安排,并具體負(fù)責(zé)第1章、第2章、第6章、第5章除了固結(jié)以外部分的修訂,以及4.6.1節(jié)有效應(yīng)力原理中的部分修訂;白冰,負(fù)責(zé)第3章、第4章、第8章的修訂;丁洲祥,負(fù)責(zé)第5章固結(jié)理論部分的修訂;劉艷,負(fù)責(zé)第7章的修訂,并負(fù)責(zé)2.6節(jié)土的連續(xù)化和平均化理論的編寫;陳曦,負(fù)責(zé)第10章的修訂;李艦和蔡國慶也參加了部分修改和校對工作。 土力學(xué)是從實際工程的需要出發(fā),并由工程師發(fā)展起來的一門學(xué)科。它具有很強(qiáng)的實用性和經(jīng)驗性的特點。這一特點具有兩面性:一方面,它可以用于解決很多實際工程問題,為廣大巖土工程師提供了理論和分析工具;另一方面,它缺少嚴(yán)密性、科學(xué)性和系統(tǒng)性,其預(yù)測結(jié)果不確定性非常大,是一門半經(jīng)驗、半理論的學(xué)科。 土力學(xué)發(fā)展至今,其理論基礎(chǔ)仍然很不完善,仍處于半理論、半經(jīng)驗的發(fā)展階段。其具體體現(xiàn)是:多數(shù)理論假定滲流與變形和強(qiáng)度無直接聯(lián)系,滲流與變形的理論分別是根據(jù)不同的假定而建立的,土力學(xué)各章節(jié)之間缺少有機(jī)和統(tǒng)一的理論基礎(chǔ);經(jīng)驗公式和方法還隨處可見;預(yù)測結(jié)果具有非常大的不確定性,經(jīng)驗、工程判斷、藝術(shù)和技巧還繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。雖然現(xiàn)代土力學(xué)的發(fā)展,進(jìn)一步完善了土力學(xué)的理論基礎(chǔ),但這種發(fā)展與變化仍然沒有從根本上改變上述狀況,理論預(yù)測結(jié)果仍然具有非常大的不確定性,土力學(xué)完備和統(tǒng)一的理論基礎(chǔ)仍有待于研究和發(fā)展。這里完備的含義是,在建立新的理論和模型時應(yīng)該把一些對土力學(xué)的性質(zhì)和行為具有重要影響的因素盡可能多地考慮進(jìn)來,即達(dá)到盡可能的完備,以便減少由于過多的簡化而帶來的不確定性。例如非飽和土力學(xué)中所做的工作,它為了盡可能減小土力學(xué)理論中所存在的不確定性,增加了吸力變量。致力于使土力學(xué)的理論建立在完備、嚴(yán)密和科學(xué)的基礎(chǔ)之上,即用完備、嚴(yán)密、統(tǒng)一、科學(xué)的理論,例如多相孔隙介質(zhì)理論或熱力學(xué)理論,來研究和描述土的性質(zhì)的理論稱為理性土力學(xué)。這方面的內(nèi)容在我們撰寫的專著《理性土力學(xué)與熱力學(xué)》中已經(jīng)進(jìn)行了一些討論。 通常在一門學(xué)科中,工程經(jīng)驗的作用和科學(xué)理論的作用是成反比關(guān)系的;科學(xué)所起的作用和占有的比重越大,工程經(jīng)驗和技藝的作用就越小。人類土木工程的實踐表明,土力學(xué)誕生之前,巖土工程完全依靠經(jīng)驗和技藝。土力學(xué)誕生之后,隨著學(xué)科的不斷發(fā)展,科學(xué)理論所起的作用也越來越大。面對這種狀況,一方面要在應(yīng)用中積累更多的經(jīng)驗,培養(yǎng)和提高處理工程問題的技藝和水平。但另一方面,也要促使土力學(xué)和巖土工程學(xué)科的理論不斷向前發(fā)展,最后和其他學(xué)科一樣達(dá)到成熟的水平,即僅利用科學(xué)理論就能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測土體的行為,這也是土力學(xué)研究者所追求的目標(biāo)。 本書不可能沒有缺點,它所討論的都是一些基礎(chǔ)性的內(nèi)容,所以本書絕大部分內(nèi)容是取自他人的成果,有特色的內(nèi)容并不多,錯誤之處也在所難免,一個例證就是多次修改后,仍然有錯誤。我們能夠做的是,以當(dāng)前的視野和盡可能正確、清晰的概念論述土力學(xué)的內(nèi)容。 隨著時間和土力學(xué)學(xué)科的發(fā)展,此書可以繼續(xù)修訂。但這一版可能是我主持修訂這本書的最后一版,原因是我已經(jīng)超過退休的年齡,沒有精力再做此事。同我的研究論文相比,我更珍視此書,因為這本書伴隨和包含了我更多的時間和精力。但退休也有好處,即沒有教學(xué)和科研的催促,也沒有拿項目和發(fā)表文章的壓力。因此我想,與其發(fā)表一些用處不太大的文章,不如多花些時間和精力,用心地把這本書寫好,用于教育優(yōu)秀的學(xué)生。而后者的意義更大,因為它有助于使更多的學(xué)生掌握更加清晰和科學(xué)的土力學(xué)的基本內(nèi)容和概念,為將來的研究和工程應(yīng)用打下良好的理論基礎(chǔ)。 當(dāng)然此書僅是一部本科生的教學(xué)用書,它的深度和廣度是很不夠的。而高等土力學(xué)可以填補(bǔ)這一不足。我從事高等土力學(xué)的教學(xué)和研究已經(jīng)三十多年,積累了一些材料和經(jīng)驗,希望在我七十歲前,能夠撰寫、出版一本為研究者或研究生使用的高等土力學(xué)、基礎(chǔ)性理論的書。這也是希望將來為我所從事的專業(yè)做最后一點事情。 我只希望本書能為我國本科生土力學(xué)課程的教學(xué)提供一本較好的教學(xué)用書。 趙成剛2017年5月于北京交通大學(xué)土建學(xué)院
趙成剛,教授。北京交通大學(xué)土建學(xué)院教授,原巖土工程系主任,北京市重點學(xué)科-巖土工程學(xué)科學(xué)術(shù)帶頭人。北京市精品課《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》負(fù)責(zé)人。
第1章 緒論…………………………………………………………………………………… (1)
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