一個(gè)好的理論或模型應(yīng)該是理解和認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)世界的一把鑰匙，而臨界狀態(tài)土力學(xué)就是這樣一把認(rèn)識(shí)土的性質(zhì)和行為的鑰匙。臨界狀態(tài)土力學(xué)將土體的變形與強(qiáng)度問題有機(jī)地聯(lián)系了起來，成為土力學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。作為現(xiàn)代土力學(xué)中具有基礎(chǔ)性和重要性的一部分內(nèi)容，國(guó)外已經(jīng)出版了很多臨界狀態(tài)土力學(xué)教材，并將其作為土力學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，但國(guó)內(nèi)目前卻沒有出版過這方面的中文教材。
本書將詳細(xì)介紹臨界狀態(tài)土力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，主要內(nèi)容包括：土的一般力學(xué)性質(zhì)和體積變形特性、土的體積變形和剪切變形的關(guān)系、劍橋模型及三維主應(yīng)力空間和平面應(yīng)變狀態(tài)下劍橋模型的拓展。通過對(duì)上述知識(shí)的學(xué)習(xí)，讀者可以了解到如何用統(tǒng)一的理論框架去描述和預(yù)測(cè)土的變形和破壞行為，如何得到土體基本的關(guān)系即土的本構(gòu)關(guān)系。讀者通過學(xué)習(xí)加深對(duì)土的工程性質(zhì)的認(rèn)識(shí)和理解，并為今后研究和創(chuàng)造性地開展土力學(xué)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
本書內(nèi)容是我們正在編寫的《高等土力學(xué)原理》一書中的一部分內(nèi)容，它是現(xiàn)代土力學(xué)中具有基礎(chǔ)性和重要性的內(nèi)容，所以，需要巖土工程領(lǐng)域的研究人員和工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)和掌握這方面的內(nèi)容。確切地說，沒有臨界狀態(tài)土力學(xué)的知識(shí)，就談不上對(duì)現(xiàn)代土力學(xué)的認(rèn)識(shí)和理解。而目前國(guó)內(nèi)還未出版過這方面的中文教材，因此我們決定把臨界狀態(tài)土力學(xué)的內(nèi)容單獨(dú)拿出來提前出版。
作者在本科生教材《土力學(xué)原理（修訂本）》一書的前言中指出：臨界狀態(tài)土力學(xué)是現(xiàn)代土力學(xué)的重要部分。這部分內(nèi)容為今后研究和創(chuàng)造性地從事土力學(xué)的應(yīng)用提供必要的理論基礎(chǔ)。這部分內(nèi)容在一般本科生土力學(xué)教材中是沒有的，有些高等土力學(xué)教材雖然有劍橋模型的介紹，但多數(shù)都是從彈塑性本構(gòu)模型的角度出發(fā)，僅把它作為一種數(shù)學(xué)模型加以介紹。目前有很多人把臨界狀態(tài)土力學(xué)僅理解為一種彈塑性本構(gòu)模型（或劍橋模型）。這種理解是片面的，不利于對(duì)現(xiàn)代土力學(xué)的認(rèn)識(shí)和理解。實(shí)際上，臨界狀態(tài)土力學(xué)為深入認(rèn)識(shí)和描述土的行為和性質(zhì)提供了理論基礎(chǔ)。如果不是從這樣一個(gè)角度去理解臨界狀態(tài)土力學(xué)，就很難深入地認(rèn)識(shí)和把握現(xiàn)代土力學(xué)的實(shí)質(zhì)。臨界狀態(tài)土力學(xué)和它的經(jīng)典的、具有代表性的劍橋模型，從其數(shù)學(xué)的表達(dá)式和參數(shù)來看是簡(jiǎn)單的，但對(duì)于初學(xué)者來說，要深入理解它們卻并非易事。對(duì)于任何一門學(xué)科和知識(shí)而言，初學(xué)都未必是容易的，首先要熟悉它，不熟悉就談不上理解和認(rèn)識(shí)；在熟悉的基礎(chǔ)上還要不斷地、反復(fù)地咀嚼、品味、消化、吸收，使之成為一個(gè)協(xié)調(diào)的有機(jī)知識(shí)體系（而不是互不聯(lián)系的碎片化知識(shí)），并變成自己的東西。只有如此，才能夠?qū)W好。
本書的內(nèi)容安排如下。
第1章主要介紹三維軸對(duì)稱情況下的應(yīng)力和應(yīng)變、土的一般力學(xué)性質(zhì)、正常固結(jié)土、土的體積變形。土的力學(xué)行為通常依賴于：土的類型，如砂土和黏土；土的密實(shí)程度（針對(duì)砂土）和應(yīng)力歷史（針對(duì)黏土，指超固結(jié)比）；土的排水條件，即排水和不排水條件；土目前狀態(tài)所處的剪脹區(qū)或剪縮區(qū)。另外，本書還將介紹重塑土可能存在的狀態(tài)及其區(qū)域，其中涉及如何劃分土的狀態(tài)和其邊界面。這些內(nèi)容所涉及的都是臨界狀態(tài)土力學(xué)中關(guān)于土性的內(nèi)容。
第2章主要介紹臨界狀態(tài)土力學(xué)中關(guān)于土性的內(nèi)容，即正常固結(jié)土的偏應(yīng)力作用和體積變形、超固結(jié)土的偏應(yīng)力作用和體積變形、砂土的偏應(yīng)力作用和體積變形及狀態(tài)邊界面。
第3章主要介紹原始劍橋模型和修正劍橋模型。
第4章主要介紹三維主應(yīng)力空間中土的屈服面和狀態(tài)邊界面以及平面應(yīng)變問題。
第5章將討論如何拓寬劍橋模型的使用范圍及其進(jìn)一步的發(fā)展。
本書的內(nèi)容作者雖然已經(jīng)講授過二十年，但限于作者的認(rèn)識(shí)和水平的局限性，書中難免有這樣或那樣的缺點(diǎn)和錯(cuò)誤，希望讀者批評(píng)、指正，以利于將來修訂和改正。
本書獲得北京交通大學(xué)土建學(xué)院出版基金的資助，并得到高亮院長(zhǎng)、白雁副院長(zhǎng)的鼓勵(lì)和支持，在此表示感謝。
趙成剛 劉 艷
于北京交通大學(xué)新園
2020年這一個(gè)不平凡的年份
1 土的一般力學(xué)性質(zhì)和體積變形 1
1.1 概述 1
1.2 土的應(yīng)力變量 4
1.3 三維軸對(duì)稱情況下的應(yīng)力和應(yīng)變 4
1.4 土的一般力學(xué)性質(zhì) 8
1.5 土的體積變形 10
1.6 正常固結(jié)狀態(tài)與正常固結(jié)土 12
1.7 土的各向同性壓縮和膨脹 14
1.7.1 各向同性壓力作用下土的行為 14
1.7.2 土的超固結(jié)狀態(tài) 17
1.8 土的一維壓縮和膨脹 19
1.8.1 一維壓縮和膨脹與各向同性壓縮和膨脹的比較 19
1.8.2 一維壓縮和膨脹與三維軸對(duì)稱壓縮和膨脹的比較 21
1.9 思考題 23
1.10 習(xí)題 23
2 幾個(gè)基本概念及土的體積變形和剪切變形的關(guān)系 24
2.1 土的臨界狀態(tài) 24
2.1.1 臨界狀態(tài)在三維軸對(duì)稱情況下的表述 24
2.1.2 臨界狀態(tài)在二維平面應(yīng)力空間的表述 29
2.1.3 砂土和超固結(jié)土的臨界狀態(tài) 30
2.1.4 臨界孔隙比 35
2.2 砂土的相變 35
2.3 正常固結(jié)黏土的偏應(yīng)力作用和體積變形 38
2.3.1 排水條件的影響 38
2.3.2 不排水實(shí)驗(yàn)結(jié)果 40
2.3.3 排水實(shí)驗(yàn)結(jié)果 41
2.3.4 Roscoe空間中不排水平面與排水平面 43
2.3.5 Roscoe面 45
2.3.6 關(guān)于坐標(biāo)歸一化的討論 49
2.3.7 正常固結(jié)土的狀態(tài)邊界面 51
2.3.8 三軸排水路徑的一些具體情況介紹 53
2.3.9 結(jié)論 55
2.4 超固結(jié)土的偏應(yīng)力作用和體積變形 56
2.4.1 超固結(jié)土的排水實(shí)驗(yàn) 56
2.4.2 超固結(jié)土的不排水實(shí)驗(yàn) 57
2.4.3 超固結(jié)土的Hvorslev面 58
2.4.4 完整的狀態(tài)邊界面 62
2.4.5 土的剪脹區(qū)和剪縮區(qū)的劃分 68
2.4.6 超固結(jié)土峰值邊界面的其他形式 70
2.5 砂土的偏應(yīng)力作用和體積變形 72
2.5.1 砂土三軸排水實(shí)驗(yàn)的結(jié)果 73
2.5.2 砂土三軸不排水實(shí)驗(yàn)的結(jié)果 75
2.5.3 砂土三軸剪切實(shí)驗(yàn)的一般性結(jié)論 76
2.5.4 砂土的狀態(tài)參數(shù) 78
2.5.5 砂土剪脹的影響 81
2.6 思考題 83
2.7 習(xí)題 84
3 劍橋模型 85
3.1 概述 85
3.2 土的線彈性變形 86
3.2.1 各向同性線彈性變形 86
3.2.2 土的彈性墻 88
3.2.3 土的彈性應(yīng)變的計(jì)算 90
3.3 土的塑性變形 93
3.3.1 屈服面、加載面、破壞面和屈服函數(shù) 93
3.3.2 塑性勢(shì)函數(shù) 94
3.3.3 相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則和非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則 95
3.3.4 硬化規(guī)律或硬化模型 96
3.3.5 劍橋模型所采用的屈服面、塑性勢(shì)面、流動(dòng)法則、硬化模型和假定 97
3.4 原始劍橋模型 98
3.4.1 屈服面方程的建立 98
3.4.2 硬化參量的推導(dǎo) 99
3.4.3 塑性應(yīng)變?cè)隽糠匠痰耐茖?dǎo) 102
3.5 修正劍橋模型 103
3.5.1 關(guān)于屈服面的一般性討論 104
3.5.2 塑性功方程和剪脹方程 104
3.5.3 屈服函數(shù)和塑性勢(shì)函數(shù) 105
3.5.4 硬化參量 105
3.5.5 塑性應(yīng)變?cè)隽糠匠痰耐茖?dǎo) 106
3.6 不同應(yīng)力路徑下劍橋模型塑性應(yīng)變?cè)隽糠匠?107
3.6.1 劍橋模型的一般表示 107
3.6.2 排水路徑下的計(jì)算 107
3.6.3 不排水路徑下的計(jì)算 111
3.6.4 三軸伸長(zhǎng)情況 117
3.7 土性指標(biāo)的確定 118
3.7.1 臨界狀態(tài)M的確定 118
3.7.2 壓縮系數(shù) 和回彈系數(shù)的確定 119
3.8 小結(jié) 119
3.9 思考題 120
3.10 習(xí)題 120
4 三維主應(yīng)力空間中土的屈服面和狀態(tài)邊界面及平面應(yīng)變問題 122
4.1 三維主應(yīng)力空間與平面 122
4.2 中主應(yīng)力對(duì)屈服和強(qiáng)度的影響 125
4.2.1 三軸壓縮和三軸伸長(zhǎng)狀態(tài) 125
4.2.2 三維應(yīng)力空間中的莫爾?庫侖準(zhǔn)則 127
4.2.3 米塞斯破壞準(zhǔn)則與莫爾?庫侖破壞準(zhǔn)則的應(yīng)用 131
4.3 三維情況下土的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式 136
4.3.1 三維主應(yīng)力空間的屈服面和狀態(tài)邊界面 137
4.3.2 三維應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系的增量表達(dá)式 138
4.4 采用通過三軸壓縮實(shí)驗(yàn)得到的參數(shù)預(yù)測(cè)平面應(yīng)變條件下土的行為 139
4.4.1 平面應(yīng)變條件下三維主應(yīng)力（）空間中的屈服面 139
4.4.2 平面應(yīng)變條件下二維主應(yīng)力（）空間中的屈服面 140
4.4.3 平面應(yīng)變條件下二維應(yīng)力（）空間中的屈服面 141
4.4.4 平面應(yīng)變條件下應(yīng)力?應(yīng)變的增量方程 143
4.5 三維空間中土的應(yīng)力作用的討論 145
4.5.1 中主應(yīng)力對(duì)應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系的影響 145
4.5.2 中主應(yīng)力對(duì)強(qiáng)度關(guān)系的影響 149
4.5.3 主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的影響 150
5 劍橋模型的優(yōu)點(diǎn)和局限性 151
5.1 劍橋模型的優(yōu)點(diǎn) 151
5.2 劍橋模型的局限性 151
5.3 劍橋模型的進(jìn)一步發(fā)展 152
參考文獻(xiàn) 153
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