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土力學(xué)(第2版)
本書立足于經(jīng)典土力學(xué)的內(nèi)容,并吸收部分現(xiàn)代土力學(xué)的發(fā)展成果,系統(tǒng)地介紹了土的基本行為特性、土力學(xué)的基本原理和分析計算方法。本書共分9章,主要內(nèi)容包括土的物理性質(zhì)及分類、土中應(yīng)力、土的滲透性與滲流、土的一維壓縮與固結(jié)、土的剪切性狀和抗剪強(qiáng)度、土的臨界狀態(tài)和本構(gòu)模型、土壓力理論、邊坡穩(wěn)定分析、地基承載力和非飽和土基本特性等,每章均附有思考題和習(xí)題,附錄提供習(xí)題參考答案,并為任課教師免費提供電子課件。
本書立足于經(jīng)典土力學(xué)的內(nèi)容,并吸收部分現(xiàn)代土力學(xué)的發(fā)展成果,系統(tǒng)地介紹了土的基本行為特性、土力學(xué)的基本原理和分析計算方法。
第2版前言
Foreword 本書自2015年初版以來,一直作為本科生課程教材和研究生教學(xué)參考書使用,在廣大師生及讀者使用過程中,發(fā)現(xiàn)了一些問題及不足之處,并給出了非常好的反饋和建議。根據(jù)這些反饋和建議,并結(jié)合這幾年積累的教學(xué)經(jīng)驗,特對本書進(jìn)行修訂。 本書第2版保持了第1版的主導(dǎo)思想和基本框架,除了對第1版中存在的錯誤和部分論述進(jìn)行了修正以外,特邀請哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)陳銳編寫了非飽和土的基本性狀一章,作為第2版的新增內(nèi)容。本書第1版重點介紹了飽和土的性狀及相關(guān)理論,但是地球表面有很大一部分是屬于干旱或半干旱地帶,實際工程經(jīng)常涉及非飽和土,部分現(xiàn)象(如降雨后的滑坡、濕陷性黃土的增濕變形和膨脹性土遇水膨脹等)即由非飽和土體浸水后應(yīng)力狀態(tài)的變化所引發(fā)?紤]到部分本科生畢業(yè)后就從事與巖土工程相關(guān)的工作,因此有必要讓他們在本科階段接觸并初步了解非飽和土的基本性狀和相關(guān)理論,建立對非飽和土的基本認(rèn)識。 本次修訂工作主要由蘇棟和姬鳳玲負(fù)責(zé),分別對第1版全書內(nèi)容進(jìn)行了審閱,并由陳銳編寫了第2版中的第7章,全書由蘇棟統(tǒng)稿。由于編者水平有限,雖然經(jīng)過修訂,書中難免仍有不當(dāng)或錯誤之處,敬請讀者批評指正,以便進(jìn)一步提高教材質(zhì)量。 本教材獲深圳大學(xué)教材出版資助。 蘇棟2019年4月 第1版前言 Foreword 土力學(xué)是研究土的力學(xué)行為和特性的學(xué)科。本書圍繞這一核心思想,立足于經(jīng)典土力學(xué)的內(nèi)容,并吸收部分現(xiàn)代土力學(xué)的發(fā)展成果,較系統(tǒng)地介紹了土的基本行為特性、土力學(xué)的基本原理和分析計算方法。在編寫過程中,力求體系清晰、內(nèi)容連貫、概念準(zhǔn)確、表述精練。與現(xiàn)有教材相比,本書具有如下特點: (1) 突出了有效應(yīng)力原理在土力學(xué)學(xué)科中的地位。第2章從應(yīng)力的定義出發(fā),給出了有效應(yīng)力原理的推導(dǎo)過程;第3~5章強(qiáng)調(diào)土的行為特性與有效應(yīng)力的關(guān)系,并利用有效應(yīng)力原理去理解和解決相關(guān)土力學(xué)問題。 (2) 吸收了現(xiàn)代土力學(xué)中的臨界狀態(tài)理論。第5章應(yīng)用臨界狀態(tài)的概念解釋了不同狀態(tài)的砂土和黏土在不同條件下的剪切性狀;第6章介紹了基于臨界狀態(tài)的黏土行為預(yù)測,以及在臨界狀態(tài)理論框架下建立的黏土模型(原始劍橋模型和修正劍橋模型)和砂土模型(與狀態(tài)相關(guān)的剪脹性砂土模型)。 (3) 采用雙語目錄。對于目錄中沒有出現(xiàn)的專業(yè)術(shù)語,正文中提供英文翻譯,使讀者更容易理解和記憶土力學(xué)專業(yè)術(shù)語的英文名稱。 本書由深圳大學(xué)蘇棟主編,深圳大學(xué)姬鳳玲和包小華參與編寫。其中,緒論及第1~6、9章由蘇棟編寫,第7章由姬鳳玲編寫,第8章由包小華編寫。全書由蘇棟統(tǒng)稿,編寫者互相審校書稿,其中第5、6章由深圳大學(xué)明海燕教授審閱,在此謹(jǐn)表謝意。 雖然本書編寫歷時兩年,部分內(nèi)容也進(jìn)行了反復(fù)斟酌、修改,但因編者水平有限,書中難免出現(xiàn)不妥或錯誤之處,敬請讀者批評指正,以便再版時修改和提高。本書提供與教學(xué)配套的電子課件,以方便任課教師使用。 蘇棟2015年5月
蘇棟,男,深圳大學(xué)土木工程學(xué)院教授,廣東省高等學(xué)校千百十工程省級培養(yǎng)對象,深圳市高層次專業(yè)人才,深圳大學(xué)首屆荔園優(yōu)青。主講土力學(xué)基礎(chǔ)工程高等土力學(xué)與基礎(chǔ)工程等課程。作為課題負(fù)責(zé)人,承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金項目4項,深圳大學(xué)精品課程項目1項,發(fā)表學(xué)術(shù)、教研論文約50篇,獲得國家發(fā)明專利1項,實用新型專利3項,多次獲得深圳大學(xué)優(yōu)秀本科課堂教學(xué)獎和學(xué)術(shù)創(chuàng)新獎。
目錄
Contents 緒論(Introduction) 第1章土的物理性質(zhì)及分類(Physical Properties of Soil and Soil Classification) 1.1概述(Introduction) 1.2土的形成(Soil Formation) 1.2.1風(fēng)化作用(Weathering) 1.2.2搬運與沉積(Transportation and Sedimentation) 1.3土的組成(Composition of Soil) 1.3.1固體顆粒(Solid Particle) 1.3.2土中水(Water in Soil) 1.3.3土中氣(Air in Soil) 1.4土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造(Soil Fabric and Soil Structure) 1.4.1土的結(jié)構(gòu)(Soil Fabric) 1.4.2土的構(gòu)造(Soil Structure) 1.5土的物理性質(zhì)指標(biāo)(Physical Property Indexes of Soil) 1.5.1基本指標(biāo)(Basic Indexes) 1.5.2換算指標(biāo)(Converted Indexes) 1.5.3指標(biāo)之間的換算(Relationships between Indexes) 1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo)(Physical State Indexes of Soil) 1.6.1無黏性土的相對密度(Relative Density of Cohesionless Soil) 1.6.2黏性土的界限含水量及狀態(tài)指標(biāo)(Boundary Water Contents and State Indexes of Cohesive Soil) 1.7土的分類(Soil Classification) 1.7.1土的分類原則(Principles of Soil Classification) 1.7.2《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》的分類(Classification of Standard for Engineering Classification of Soil) 1.7.3《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的分類(Classification of Code for Design of Building Foundation) 1.8土的壓實(Soil Compaction) 1.8.1黏性土的壓實(Compaction of Cohesive Soil) 1.8.2無黏性土的壓實(Compaction of Cohesionless Soil) 思考題(Thinking Questions) 習(xí)題(Exercises) 第2章土中應(yīng)力(Stresses in Soil) 2.1概述(Introduction) 2.2應(yīng)力、應(yīng)變和土的彈性變形(Stresses, Strains and Elastic Deformation of Soil) 2.2.1應(yīng)力(Stresses) 2.2.2應(yīng)變(Strains) 2.2.3胡克定律(Hookes Law) 2.3有效應(yīng)力原理(The Principle of Effective Stress) 2.4土的自重應(yīng)力(Stresses Due to SelfWeight of Soil) 2.4.1豎向自重應(yīng)力(Vertical Stress Due to SelfWeight of Soil) 2.4.2水平自重應(yīng)力(Horizontal Stress Due to SelfWeight of Soil) 2.5基底壓力(Contact Pressure under Foundations) 2.5.1柔性基礎(chǔ)與剛性基礎(chǔ)的基底壓力分布(Contact Pressure Distribution under Flexible Foundations and Rigid Foundations) 2.5.2基底壓力的簡化計算(Simplified Calculation of Contact Pressure) 2.5.3基底附加壓力(Additional Pressure under Foundations) 2.6地基附加應(yīng)力(Additional Stresses in Soil) 2.6.1集中力作用下的地基附加應(yīng)力(Additional Stresses in Soil Due to a Point Load) 2.6.2分布荷載作用下的地基附加應(yīng)力(Additional Stresses in Soil Due to Distributed Loads) 2.6.3平面應(yīng)變問題的地基附加應(yīng)力(Additional Stresses in Soil under Plain Strain Condition) 思考題(Thinking Questions) 習(xí)題(Exercises) 第3章土的滲透性與滲流(Permeability and Flow of Water through Soil) 3.1概述(Introduction) 3.2土的滲透規(guī)律(Law for Flow of Water through Soil) 3.2.1水頭與水力梯度(Head and Hydraulic Gradient) 3.2.2達(dá)西滲透定律(Darcys Law) 3.2.3滲透系數(shù)的測定(Determination of the Coefficient of Permeability) 3.2.4影響滲透系數(shù)的因素(Factors Affecting the Coefficient of Permeability) 3.2.5層狀地基的等效滲透系數(shù)(The Equivalent Permeability of Stratified Soil) 3.3滲透力及滲透破壞(Seepage Force and Seepage Failure) 3.3.1滲透力(Seepage Force) 3.3.2滲透破壞(Seepage Failure) 3.4二維滲流與流網(wǎng)(TwoDimensional Flow and Flow Nets) 3.4.1二維穩(wěn)定滲流場的拉普拉斯方程(Laplaces Equation for TwoDimensional Steady Flow) 3.4.2流網(wǎng)及其應(yīng)用(Flow Nets and Their Application) 3.4.3各向異性土體的流網(wǎng)(Flow Nets for Anisotropic Soil) 思考題(Thinking Questions) 習(xí)題(Exercises) 第4章土的一維壓縮與固結(jié)(OneDimensional Compression and Consolidation of Soil) 4.1概述(Introduction) 4.2土的一維壓縮特性及壓縮性指標(biāo)(Characteristics of OneDimensional Compressibility of Soil and Compressibility Parameters) 4.2.1側(cè)限壓縮試驗(Laterally Confined Compression Test) 4.2.2壓縮性指標(biāo)(Compressibility Parameters) 4.2.3應(yīng)力歷史對土的壓縮性的影響(Effects of Stress History on Soil Compressibility) 4.3地基最終沉降量的計算(Settlement Calculation) 4.3.1均質(zhì)薄土層的一維壓縮計算(Calculation of OneDimensional Compression of a Uniform Thin Layer of Soil) 4.3.2地基最終沉降量計算的分層總和法(Splitting Summation Method for Settlement Calculation) 4.4飽和土的滲流固結(jié)(Seepage Consolidation of Saturated Soil) 4.4.1飽和土的滲流固結(jié)模型(Seepage Consolidation Model of Saturated Soil) 4.4.2太沙基一維滲流固結(jié)理論(OneDimensional Seepage Consolidation Theory of Terzaghi) 4.5固結(jié)系數(shù)的確定方法(Determination of the Coefficient of Consolidation) 4.5.1時間平方根法(The Root Time Method) 4.5.2時間對數(shù)法(The Log Time Method) 4.6黏土的次固結(jié)沉降(Secondary Consolidation of Clay) 思考題(Thinking Questions) 習(xí)題(Exercises) 第5章土的剪切性狀和抗剪強(qiáng)度(Shear Behavior and Shear Strength of Soil) 5.1概述(Introduction) 5.2排水條件下土的典型剪切性狀(Typical Shear Behavior of Soil under Drained Condition) 5.2.1剪應(yīng)力作用下土的典型性狀(Typical Behavior of Soil to Shearing Stress) 5.2.2法向有效應(yīng)力對土的剪切性狀的影響(Effect of Normal Effective Stress on Shear Behavior of Soil) 5.3土的抗剪強(qiáng)度理論(Theory of Shear Strength of Soil) 5.3.1庫侖公式及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(Coulombs Law and Shear Strength Parameters) 5.3.2莫爾庫侖強(qiáng)度理論(MohrCoulomb Strength Theory) 5.3.3土的極限平衡狀態(tài)(Limit Equilibrium State of Soil) 5.4土的剪切試驗(Shear Tests of Soil) 5.4.1直接剪切試驗(Direct Shear Test) 5.4.2常規(guī)三軸試驗(Conventional Triaxial Test) 5.4.3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(Unconfined Compression Test) 5.4.4十字板剪切試驗(Vane Shear Test) 5.4.5其他試驗方法(Other Test Methods) 5.5常規(guī)三軸試驗中土的等向壓縮性狀和剪切性狀(Isotropic Compression and Shear Behavior of Soil in Conventional Triaxial Tests) 5.5.1三軸應(yīng)力條件下的孔隙壓力系數(shù)(Pore Pressure Coefficients under the Triaxial Stress Condition) 5.5.2常規(guī)三軸壓縮試驗的應(yīng)力路徑(Stress Paths in Conventional Triaxial Compression Tests) 5.5.3常規(guī)三軸試驗中土的等向壓縮性狀(Isotropic Compression Behavior of Soil in Conventional Triaxial Tests) 5.5.4常規(guī)三軸壓縮試驗中砂土的剪切性狀(Shear Behavior of Sand in Conventional Triaxial Compression Tests) 5.5.5常規(guī)三軸壓縮試驗中黏土的剪切性狀(Shear Behavior of Clay in Conventional Triaxial Compression Tests) 思考題(Thinking Questions) 習(xí)題(Exercises) 第6章土的臨界狀態(tài)和本構(gòu)模型(Concept of the Critical State and Constitutive Models of Soil) 6.1概述(Introduction) 6.2土的臨界狀態(tài)(Concept of the Critical State of Soil) 6.2.1臨界狀態(tài)的定義(Definition of the Critical State) 6.2.2基于臨界狀態(tài)的黏土行為預(yù)測(Prediction of Clay Behavior Based on the Concept of the Critical State) 6.3彈塑性模型及塑性理論基礎(chǔ)(ElastoPlastic Models and Basic Concepts of Plastic Theory) 6.3.1彈塑性模型(ElastoPlastic Models) 6.3.2塑性理論基礎(chǔ)(Basic Concepts of Plastic Theory) 6.4劍橋黏土模型(CamClay Models) 6.4.1原始劍橋黏土模型(The Original CamClay Model) 6.4.2修正劍橋黏土模型(The Modified CamClay Model) 6.5與狀態(tài)相關(guān)的剪脹性砂土模型(A Sand Model with StateDependent Dilatancy) 6.5.1與狀態(tài)相關(guān)的剪脹性(StateDependent Dilatancy) 6.5.2三軸應(yīng)力空間簡化砂土模型(A Simplified Sand Model in the Triaxial Stress Space) 思考題(Thinking Questions) 習(xí)題(Exercises) 第7章非飽和土的基本性狀(Fundamental Behavior of Unsaturated Soil) 7.1概述(Introduction) 7.2毛細(xì)作用和吸力(Capillarity and Suction) 7.2.1收縮膜和表面張力(Contractile Skin and Surface Tension) 7.2.2毛細(xì)作用(Capillarity) 7.2.3吸力(Suction) 7.3非飽和土的應(yīng)力狀態(tài)變量(Stress State Variable for Unsaturated Soil) 7.3.1非飽和土有效應(yīng)力變量(Effective Stress Variable for Unsaturated Soil) 7.3.2雙獨立應(yīng)力狀態(tài)變量(Two Independent Stress State Variables) 7.4非飽和土的水力特性(Hydraulic Properties of Unsaturated Soil) 7.4.1非飽和土的持水特性(Retention Properties of Unsaturated Soil) 7.4.2非飽和土的滲流規(guī)律及滲透特性(Flow Law and Seepage Properties of Unsaturated Soil) 7.5非飽和土的變形性狀(Deformation Behavior of Unsaturated Soil) 7.5.1吸力對非飽和土變形性狀的影響(Effect of Suction on Deformation Behavior of Unsaturated Soil) 7.5.2非飽和土變形的彈性理論(Elasticity Theory for Deformations of Unsaturated Soil) 7.6非飽和土的抗剪強(qiáng)度特性(Shear Strength Properties of Unsaturated Soil) 7.6.1吸力對抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)(Contribution of Suction to Shear Strength) 7.6.2非飽和土抗剪強(qiáng)度理論(Shear Strength Theory for Unsaturated Soil) 思考題(Thinking Questions) 習(xí)題(Exercises) 第8章土壓力理論(Earth Pressure Theories) 8.1概述(Introduction) 8.2擋土結(jié)構(gòu)及土壓力(Retaining Structures and Earth Pressures) 8.2.1擋土結(jié)構(gòu)的類型(Types of Retaining Structure) 8.2.2土壓力類型(Types of Earth Pressure) 8.2.3土壓力理論(Earth Pressure Theories) 8.3靜止土壓力的計算(Calculation of the Earth Pressure at Rest) 8.4朗肯土壓力理論(Rankines Earth Pressure Theory) 8.4.1朗肯主動土壓力(Rankines Active Earth Pressure) 8.4.2朗肯被動土壓力(Rankines Passive Earth Pressure) 8.5庫侖土壓力理論(Coulombs Earth Pressure Theory) 8.5.1庫侖主動土壓力(Coulombs Active Earth Pressure) 8.5.2庫侖被動土壓力(Coulombs Passive Earth Pressure) 8.5.3黏性土的庫侖土壓力(Coulombs Earth Pressure for Cohesive Soil) 8.6朗肯與庫侖土壓力理論的比較(Comparison between Rankines and Coulombs Earth Pressure Theories) 8.7幾種常見情況下的土壓力計算(Earth Pressure Calculation in Several Common Situations) 8.7.1作用均布荷載時(Effect of UniformlyDistributed Loads) 8.7.2墻后土體分層(Effect of Layered Backfills) 8.7.3有地下水作用(Effect of Ground Water) 思考題(Thinking Questions) 習(xí)題(Exercises) 第9章土坡穩(wěn)定分析(Stability Analysis of Soil Slopes) 9.1概述(Introduction) 9.2無黏性土坡穩(wěn)定分析(Stability Analysis of Cohesionless Slopes) 9.2.1無滲流作用時的無黏性土坡(Cohesionless Soil Slopes without Seepage) 9.2.2有滲流作用時的無黏性土坡(Cohesionless Soil Slopes under Seepage Condition) 9.3黏性土坡穩(wěn)定分析(Stability Analysis of Cohesive Slopes) 9.3.1整體圓弧滑動法(The Circular Slip Surface Method) 9.3.2條分法(The Slices Method) 9.4黏性土坡穩(wěn)定分析的其他方法(Other Methods for Stability Analysis of Cohesive Slopes) 9.4.1穩(wěn)定數(shù)法(The Stability Number Method) 9.4.2不平衡推力法(The Imbalance Thrust Force Method) 思考題(Thinking Questions) 習(xí)題(Exercises) 第10章地基承載力(Bearing Capacity of Foundation Soil) 10.1概述(Introduction) 10.2地基破壞模式(Failure Modes of Foundation Soil) 10.2.1整體剪切破壞(General Shear Failure) 10.2.2局部剪切破壞(Local Shear Failure) 10.2.3沖切破壞(Punching Shear Failure) 10.3地基臨塑荷載和臨界荷載(The Critical Edge Pressure and the Critical Pressure of Foundation Soil) 10.3.1塑性區(qū)邊界方程的推導(dǎo)(Derivation of the Boundary Equation of Plastic Zone) 10.3.2臨塑荷載及臨界荷載(The Critical Edge Pressure and the Critical Pressure) 10.4地基極限承載力(The Ultimate Bearing Capacity of Foundation Soil) 10.4.1普朗德爾瑞斯納公式(PrandtlReissners Equation) 10.4.2太沙基公式(Terzaghis Equation) 10.4.3漢森公式(Hansens Equation) 10.4.4地基承載力的安全度(Factor of Safety for Bearing Capacity of Foundation Soil) 思考題(Thinking Questions) 習(xí)題(Exercises) 附錄A常用術(shù)語符號表(Notations) 附錄B習(xí)題參考答案(Reference Answers) 參考文獻(xiàn)(References)
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