2土力學(xué)學(xué)科的發(fā)展歷史

1、2,土力學(xué)學(xué)科的發(fā)展歷史,2.1 1925,之前,2.2 1925- 20,世紀(jì),60,年代,2.3 60,年代,20,世紀(jì),80,年代,2.4 20,世紀(jì)末,21,世紀(jì),2.1 1925,之前,土的強(qiáng)度與滲透,1,土的強(qiáng)度,邊坡穩(wěn)定、擋土墻穩(wěn)定、承載力,摩爾,庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則,直剪儀及直剪試驗(yàn),2,土中水的滲透,堤壩、井,達(dá)西定律,滲透試驗(yàn),庫(kù)侖,C. A. Coulomb,1736-1806,圖,72,庫(kù)侖,圖,73,直剪儀儀器簡(jiǎn)圖,2.2 1925- 20,世紀(jì),60,年代,土的變形,土的變形：地基的沉降、土體固結(jié),太沙基：有效應(yīng)力原理與,一維滲流固結(jié)理論,壓縮儀、三軸儀,強(qiáng)度與變形的分割,

2、強(qiáng)度問(wèn)題極限平衡分析,變形問(wèn)題壓縮儀試驗(yàn)與分層總和法計(jì)算,太沙基,Karl Terzaghi,1883-1963,圖,74,太沙基,圖,75,單向固結(jié)壓縮儀,三軸儀簡(jiǎn)圖,圖,76,三軸儀,2.3 60,年代,20,世紀(jì),80,年代,變形與強(qiáng)度的,耦合,土的本構(gòu)關(guān)系模型,理論土力學(xué),土的本構(gòu)關(guān)系模型的研究高潮,實(shí)驗(yàn)土力學(xué),各種復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗(yàn)儀器,計(jì)算土力學(xué),有限元法，非線性數(shù)值計(jì)算,實(shí)用土力學(xué)：解決工程問(wèn)題,近代土力學(xué)的分支,理論土力學(xué),對(duì)試驗(yàn)和模型試驗(yàn)的,數(shù)值模擬,實(shí)驗(yàn)土力學(xué),提供計(jì)算,參數(shù),驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果,模型實(shí)驗(yàn),計(jì)算土力學(xué),試驗(yàn)?zāi)M,實(shí)用土力學(xué),數(shù)值模擬,巖土工程的實(shí)踐,1,土的應(yīng)力應(yīng)變

3、模型理論,本構(gòu)關(guān)系模型,彈性,線彈性與非線彈性理論模型,塑性,剛塑性、理想塑性、彈塑性理論模,型、亞塑性模型、邊界面模型,內(nèi)時(shí)理論模型,幾種本構(gòu)模型,線彈性模型,非線彈性模型,應(yīng)變軟化彈性模型,剛塑性模型,彈性理想塑性模型,彈塑性模型,圖,77,幾種本構(gòu)模型的外應(yīng)力應(yīng)變,曲線,2,土工試驗(yàn),室內(nèi)試驗(yàn),野外實(shí)驗(yàn)與原位測(cè)試,模型試驗(yàn),足尺試驗(yàn),室內(nèi)試驗(yàn),與土的本構(gòu)關(guān)系模型研究相適應(yīng)的,復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗(yàn)儀器與方法,改裝式與,盒式真,三軸儀,圖,78,真三軸儀,圖,79,平面應(yīng)變儀,圖,80,真三軸儀,圖,81,方向剪切儀,圖,82,空心圓柱扭剪儀,圖,83,空心圓柱扭剪儀,環(huán)剪儀,單剪儀,圖,84,

4、單剪儀與環(huán)剪儀,圖,85,共振柱試驗(yàn)儀,原位測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),原狀土的強(qiáng)度與變形指標(biāo),圖,86,旁壓儀及其試驗(yàn)簡(jiǎn)圖,v,塑性階段,彈性階段,圖,87,旁壓試驗(yàn)曲線,p,l,Screw Plate Compressometer,圖,88,螺旋板壓縮儀,Iowa Borehole Shear Test,圖,89,深孔剪切試驗(yàn),模型試驗(yàn),自重為主的應(yīng)力應(yīng)變相似性,美國(guó),科羅拉多大學(xué)的離心模型試驗(yàn)機(jī),圖,90,土工離心機(jī),Colorado, Denver,圖,91,清華大學(xué)離心機(jī),壓力水,h,jh,w,ih,圖,92,滲水力模型試驗(yàn)原理,z,i,w,n,圖,93,滲水力模型試驗(yàn)儀器,足尺試驗(yàn),昂貴而有效

5、的試驗(yàn)方法,圖,94,加筋擋土墻的足尺試驗(yàn),3,土工數(shù)值計(jì)算,本構(gòu)關(guān)系模型研究的推動(dòng)與,應(yīng)用,將碎散的巖土體看作連續(xù)介質(zhì),連續(xù)介質(zhì)離散,化,有限差分法,有限單元法,有限條法,有限線法,邊界元法,無(wú)單元法,滲流與固結(jié)計(jì)算,滲流計(jì)算,飽和土體穩(wěn)定滲流、非穩(wěn)定滲流計(jì)算,非飽和土體滲流計(jì)算,固結(jié)計(jì)算,滲流與受力變形的耦合,有效應(yīng)力數(shù)值分析,預(yù)壓固結(jié),滲流固結(jié)大變形計(jì)算,穩(wěn)定與極限平衡計(jì)算分析,有限元的極限分析：強(qiáng)度折減，完全塑性模型,極限平衡理論分析：滑移線法,極限平衡法：假設(shè)滑裂面法：條分法、斜條分法,庫(kù)侖土壓力法,土的動(dòng)力分析,經(jīng)驗(yàn)公式法,土的動(dòng)本構(gòu)模型,液化理論與計(jì)算,2.4 20,世紀(jì)末,21

6、,世紀(jì),從抽象的土轉(zhuǎn)為,具體的土,1,土的本構(gòu)關(guān)系研究方面的總體趨勢(shì),從抽象的土轉(zhuǎn)為具體的土,原狀土、非飽和土、特殊土,從一般的條件轉(zhuǎn)為具體的條件,土的結(jié)構(gòu)性、以及在卸,減）載、循環(huán)加載、動(dòng)荷載、小應(yīng)變的性狀等方面,土的結(jié)構(gòu)性研究：精典的土力學(xué)理論的對(duì)象可以說(shuō)主要,是飽和重塑土。堤壩、填方擋工墻、沖填土的固結(jié)算問(wèn),題,地基、基坑開(kāi)挖、地下工程等問(wèn)題,1996,年沈珠江院士預(yù)料：土體結(jié)構(gòu)性的數(shù)學(xué)模型,21,世紀(jì)土力學(xué)的核心問(wèn)題,2,土工試驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì),與土的結(jié)構(gòu)性相關(guān)，更加重視野外原位測(cè),試，高質(zhì)量的取樣技術(shù),室內(nèi)試驗(yàn)：非飽和土吸力量測(cè)，三軸試,驗(yàn)；微小應(yīng)變的三軸試驗(yàn)；應(yīng)力路徑和應(yīng),變路徑控制試

7、驗(yàn)；高水平的動(dòng)三軸試驗(yàn),模型試驗(yàn),大尺寸、模擬振動(dòng)的土工離心,機(jī),高投入的足尺試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái),巖土工程的信息化,局部變形量,測(cè),圖,95,量測(cè)微小應(yīng)變,0.005,的三軸試驗(yàn),圖,96,不同量測(cè)方法的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,圖,97,非飽和土三軸試驗(yàn)儀,圖,99,應(yīng)力應(yīng)變路徑,三軸試驗(yàn)儀,日本兵庫(kù)縣，三木震災(zāi)紀(jì)念公園,大型三維振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),面積,20m,15m,質(zhì)量,1200t,最大加速度度：水平,0.9g,豎直,1.5g,最大速度：水平,200cm/s,豎直,70cm/s,最大位移：水平,100cm,豎直,50cm,造價(jià)：約,5,億美元,圖,100,大型振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)室,圖,101,大型振動(dòng)破壞試驗(yàn),野外的人工

8、降雨泥石流試驗(yàn),壤土,loam,斜坡崩塌實(shí)驗(yàn),1971,年,11,月,9,日,15:00,人工降雨開(kāi)始,11,日,15:00,左右降雨量達(dá),500mm,陡坡中泥土突然以,20-30m/s,流出,斜坡崩塌，泥石流產(chǎn)生,推倒,28,米外的護(hù)欄,泥石流到達(dá),55,米外的水池中央,31,人被埋,15,人死亡年,茨城県真壁郡大和村大字大曽根,加波山（標(biāo)高,709,北西斜面,圖,104,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地,2,室外試驗(yàn),關(guān)東壤土,風(fēng)化花崗巖上,火山灰堆積層,1.45,w=5,傾角,30,Nc50: 1.2,3m,圖,105,試驗(yàn)布置示意圖,過(guò)程,09,07,10,15,13,30,產(chǎn)生,15,00,15,30,

9、16,03,降雨開(kāi)始,降雨強(qiáng)度,90mm/hr,浸透深度,50cm,斜面最下部深,100cm,處超靜孔隙水壓力,斜面下半部移動(dòng)開(kāi)始,斜面下半部的移動(dòng)量加速,5,分鐘,1mm,5,分鐘,3mm,5,分鐘,5mm,1,分鐘,10mm,斜面下半部崩塌,錄像,6,野外滑坡試驗(yàn),以,身,殉,職,15,15,人不幸遇難,11,人受傷,死者當(dāng)中,實(shí)驗(yàn)人員,1,人,參觀者,10,人,報(bào)社記者,1,人,電視采訪人員,3,人,人,紀(jì),念,碑,圖,107,紀(jì)念碑,模型試驗(yàn),日本的巖土工程界進(jìn)行了,深刻的反思和系統(tǒng)的研究,他們不惜投入巨資建造了,模型試驗(yàn)設(shè)備,大型的活動(dòng)降雨試驗(yàn)棚,其模擬降雨強(qiáng)度范圍為,15,200m

10、m/hr,降雨范圍達(dá),44m,72m,噴頭高度距地,面以上,16m,噴頭數(shù)為,544,4,個(gè)，揚(yáng)水泵兩臺(tái),功率為,160kw,流量為,25.5kl,分,建造了一個(gè),25m,38m,2.4m,的蓄水池,儲(chǔ)水量,2250m3,模型試驗(yàn),2002,年,11,月,29,日進(jìn)行,的模型試驗(yàn),斜坡分為兩段，上段,傾角,30,長(zhǎng)度,10m,下段傾角,10,長(zhǎng)度,6m,斜面寬度,3m,土層厚,度,1.2m,試驗(yàn)用砂為櫻川砂,細(xì),砂,干密度,d=1.46g/m3, 制樣,時(shí)含水量為,w,8,降,雨強(qiáng)度,100mm/hr,30,3m,10,室內(nèi)模型試驗(yàn)斜面,3,室內(nèi)試驗(yàn),室內(nèi)試驗(yàn),地表滑動(dòng)特征,1,破壞前兆現(xiàn)象存

11、在（經(jīng)歷,55,分鐘，移動(dòng)速度漸,漸加速,降雨開(kāi)始后,104,分鐘：土層開(kāi)始發(fā)生位移,降雨開(kāi)始后,159,分鐘：全面崩塌,2,破壞過(guò)程短暫,5,秒鐘完成,3,崩塌時(shí)滑動(dòng)速度達(dá)到,2 m/s,4,斜面上方滑動(dòng)距離,5.0,5.7m,再次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),2003,年,11,月,12,日到,14,日在日本茨城県真壁郡大和,村的加波山（標(biāo)高,709,北西斜面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試,驗(yàn),斜坡傾角,30,土層厚,1.2,3m,土層為關(guān)東壤土,是位于風(fēng)化花崗巖上的火山灰堆積層。干密度,d,1.45g/m,3,天然含水量,w,5,降雨用水來(lái)自于坡下溝中的溪水，用水泵抽進(jìn)貯,水箱中，通過(guò)噴水模擬降雨,降雨強(qiáng)度,90mm/hr,

12、兩次降雨過(guò)程：一次在,12,日,12,00 - 16,30,計(jì),4,小時(shí),30,分鐘；第二次在,14,日,9,07 - 16,03,計(jì),6,小時(shí),56,分鐘,關(guān)東壤土,風(fēng)化花崗巖上,火山灰堆積層,1.45,w=5,傾角,30,Nc50: 1.2,3m,2003,年野外實(shí)驗(yàn),2003,年野外實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果,14,日,上午,9,07,降雨開(kāi)始,降雨強(qiáng)度,90mm/hr,13,30,斜面最下部深,100cm,處超靜孔隙水壓力產(chǎn),生，表明已經(jīng)飽和,15,00,斜面下半部移動(dòng)開(kāi)始,15,30,斜面下半部的移動(dòng)量加速，最后達(dá)到,1,分鐘,10mm,16,03,斜面下半部崩塌。斜面下方,14m,處的表層破,壞,火山灰層,70cm,而地表移動(dòng)自破壞前,3,小時(shí)開(kāi),始，逐漸擴(kuò)大,3,數(shù)值計(jì)算的發(fā)展,非連續(xù),不確定性,靜與動(dòng)的耦合,固體與流體計(jì)算的耦合,巖土介質(zhì)的離散計(jì)算,邊界面的模型與單元設(shè)置,離散元法,塊體理論,非連續(xù)變形分析,DDA,流形元法,MEM,顆粒流法,DDA (discontinous deformation analysis,非連續(xù)變,形分析,12,1,2,4,3,v,1,1,0,0,1,3,10,8,6,4,2,0,0,2,2,4,6,a,1/100,8,10,12,Shear,St,r,ess,Vol,um,e,St,r,ai,n,1,2,4,3,圖,108,DDA,計(jì)算三軸試