2. 土力学学科的发展历史.

再次现场试验
• 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（標高709ｍ）北西斜面进行了现场试 验。
• 斜坡倾角30°，土层厚1.2～3m。土层为关东壤土， 是位于风化花岗岩上的火山灰堆积层。干密度
ρd=1.45g/m3,天然含水量w=5%，
• 降雨用水来自于坡下沟中的溪水，用水泵抽进贮 水箱中，通过喷水模拟降雨。
列
加载时：
p1=1.732p3 卸载时：
p1=0.577p3
图109 颗粒的受力分析与应变软化
稳定分析
边坡三维稳定分析 统一的稳定分析：挡土墙、地基、土坡
优化与搜索、可靠度、神经网络……
不确定性的分析与数值计算
随机有限元 神经网络 可靠度分析 模糊分析 分形
时含水量为w=8%。降
雨强度：100mm/hr。
30° 10°
室内模型试验－斜面
3 室内试验
室内试验
地表滑动特征： 1.破坏前兆現象存在（经历55分钟，移动速度渐 渐加速）
・降雨开始后104分钟：土层开始发生位移 ・降雨开始后159分钟：全面崩塌 2.破坏过程短暂：5秒钟完成 3.崩塌时滑动速度达到 2 m/s 4.斜面上方滑动距离5.0～5.7m
图95 量测微小应变 （<0.005%） 的三轴试验
图96 不同量测方法的应力应变关系
图97非饱和土三轴试验仪
图99应力－应变路径 三轴试验仪
日本兵库县，三木震灾纪念公园 大型三维振动试验台
面积：20m15m 质量：1200t 最大加速度度：水平－0.9g；竖直－1.5g 最大速度：水平-200cm/s；竖直-70cm/s 最大位移：水平－100cm；竖直－50cm 造价：约5亿美元
茨城県真壁郡大和村大字大曽根 加波山（標高 709ｍ）北西斜面
图104 现场试验场地
2. 室外试验
关东壤土 (风化花岗岩上 火山灰堆积层)
ρ=1.45
w=5% 倾角：30° Nc<50: 1.2～3m
图105 试验布置示意图
过程：
09：07 10：15 13：30 产生 15：00 15：30
图100 大型振动台实验室
图101 大型振动破坏试验
野外的人工降雨泥石流试验
壤土(loam)斜坡崩塌实验
1971年11月9日15:00人工降雨开始 11日15:00左右降雨量达500mm 陡坡中泥土突然以20-30m/s流出 斜坡崩塌，泥石流产生 推倒28米外的护栏 泥石流到达55米外的水池中央 31人被埋，15人死亡年
• 降雨强度90mm/hr。两次降雨过程：一次在12日12： 00 - 16：30 ，计4小时30分钟；第二次在14日 9： 07 - 16：03 ，计6小时56分钟。
关东壤土 (风化花岗岩上 火山灰堆积层)
ρ=1.45 w=5% 倾角：30° Nc<50: 1.2～3m
2003年野外实验
2003年野外实验
固结计算 渗流与受力变形的耦合—有效应力数值分析
预压固结 渗流固结大变形计算
稳定与极限平衡计算分析
有限元的极限分析：强度折减，完全塑性模型 极限平衡理论分析：滑移线法 极限平衡法：假设滑裂面法：条分法、斜条分法、
库仑土压力法……
土的动力分析 经验公式法 土的动本构模型 液化理论与计算
2.4 20世纪末－21世纪 -从抽象的土转为 具体的土
实用土力学：解决工程问题
近代土力学的分支
理论土力学
实验土力学
试验模拟
Hale Waihona Puke Baidu
对试验和模型试验的 数值模拟
提供计算参数；验证计算结果 （模型实验）
计算土力学
实用土力学
岩土工程的实践
数值模拟
1.土的应力应变模型理论 （本构关系模型）
弹性——线弹性与非线弹性理论模型 塑性——刚塑性、理想塑性、弹塑性理论模
型、亚塑性模型、边界面模型 内时理论模型
(σ1-σ3) (100kPa)
1 23
4
1 23
4
εv (1/100)
12
10
8
Shear Stress
V olum e Strain 6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
-2
εa (1/100)
图108 DDA计算三轴试验曲线
应变软化与滞回圈
峰值强度时颗粒排 列
加载时：
p1=3.732p3 卸载时：p1=1. 0p3 残余强度时颗粒排
库仑 （C. A. Coulomb）
(1736-1806)
图72 库仑
图73直剪仪仪器简图
2.2 1925- 20世纪60年代-土的变形
土的变形：地基的沉降、土体固结 太沙基：有效应力原理与一维渗流固结理论 压缩仪、三轴仪
强度与变形的分割： 强度问题－极限平衡分析； 变形问题－压缩仪试验与分层总和法计算。
图93 渗水力模型试验仪器
足尺试验
昂贵而有效的试验方法
图94 加筋挡土墙的足尺试验
3. 土工数值计算:本构关系模型研究的推动与 应用
将碎散的岩土体看作连续介质-连续介质离散 化：
有限差分法 有限单元法 有限条法 有限线法 边界元法 无单元法……
渗流与固结计算 渗流计算： 饱和土体稳定渗流、非稳定渗流计算 非饱和土体渗流计算
图79 平面应变仪
图80 真三轴仪
图81方向剪切仪
图82 空心圆柱扭剪仪
图83空心圆柱扭剪仪
环剪仪
单剪仪 图84 单剪仪与环剪仪
图85共振柱试验仪
原位测试及现场试验
原状土的强度与变形指标
图86 旁压仪及其试验简图
v
弹性阶段
塑性阶段
图87 旁压试验曲线
pl
Screw Plate Compressometer 图88 螺旋板压缩仪
2.土工试验的发展趋势
与土的结构性相关，更加重视野外原位测 试，高质量的取样技术 室内试验：非饱和土－吸力量测，三轴试 验；微小应变的三轴试验；应力路径和应 变路径控制试验；高水平的动三轴试验 模型试验: 大尺寸、模拟振动的土工离心 机 高投入的足尺试验－振动台 岩土工程的信息化
ＬＤＴ：局部变形量 测
• 建造了一个 25m×38m×2.4m的蓄水池 (储水量2250m3)。
模型试验
• 2002年11月29日进行 的模型试验，
• 斜坡分为两段，上段
倾角30，长度10m， 下段倾角10，长度6m；
• 斜面宽度3m；土层厚
度1.2m；
3m
• 试验用砂为樱川砂(细
砂)，干密度
ρd=1.46g/m3, 制样
太沙基
（Karl Terzaghi) (1883-1963)
图74 太沙基
图75单向固结压缩仪
三轴仪简图 图76 三轴仪
2.3 60年代- 20世纪80年代-变形与强度的 耦合:土的本构关系模型
理论土力学: 土的本构关系模型的研究高潮
实验土力学: 各种复杂应力路径试验仪器
计算土力学: 有限元法，非线性数值计算
2. 土力学学科的发展历史
2.1 1925之前 2.2 1925- 20世纪60年代 2.3 60年代- 20世纪80年代 2.4 20世纪末－21世纪
2.1 1925之前-土的强度与渗透
1.土的强度： 边坡稳定、挡土墙稳定、承载力 摩尔-库伦强度准则 直剪仪及直剪试验
2.土中水的渗透： 堤坝、井 达西定律 渗透试验
Iowa Borehole Shear Test 图89 深孔剪切试验
模型试验
自重为主的应力应变相似性
美国 科罗拉多大学的离心模型试验机 图90 土工离心机（Colorado, Denver)
图91清华大学离心机
压力水
h jh=wih
图92 渗水力模型试验原理
z=iw+ ＝n
试验结果
• 14日 上午9：07降雨开始 (降雨強度90mm/hr)； • 13：30 斜面最下部深100cm处超静孔隙水压力产
生，表明已经饱和； • 15：00斜面下半部移动开始； • 15：30斜面下半部的移动量加速，最后达到1分钟
10mm； • 16：03斜面下半部崩塌。斜面下方14m处的表层破
几种本构模型
线弹性模型
非线弹性模型
应变软化弹性模型
刚塑性模型 弹性－理想塑性模型
弹塑性模型
图77 几种本构模型的外应力应变 曲线
2.土工试验 室内试验 野外实验与原位测试 模型试验 足尺试验
室内试验:
与土的本构关系模型研究相适应的 复杂应力路径试验仪器与方法
改装式与 盒式真 三轴仪
图78 真三轴仪
1.土的本构关系研究方面的总体趋势：
从抽象的土转为具体的土: 原状土、非饱和土、特殊土。 从一般的条件转为具体的条件: 土的结构性、以及在卸 （减）载、循环加载、动荷载、小应变的性状等方面。 土的结构性研究：精典的土力学理论的对象可以说主要 是饱和重塑土。堤坝、填方挡工墙、冲填土的固结算问 题——地基、基坑开挖、地下工程等问题。 1996年沈珠江院士预料：土体结构性的数学模型——21 世纪土力学的核心问题。
16：03
降雨开始 (降雨強度90mm/hr) 浸透深度50cm 斜面最下部深100cm处超静孔隙水压力
斜面下半部移动开始 斜面下半部的移动量加速
5分钟1mm 5分钟3mm 5分钟5mm 1分钟10mm 斜面下半部崩塌
录像6－野外滑坡试验
以 身 殉 职
15
15人不幸遇难， 11人受伤
人 纪 念
死者当中
坏(火山灰层70cm)。而地表移动自破坏前3小时开 始，逐渐扩大。
3.数值计算的发展 非连续 不确定性 静与动的耦合 固体与流体计算的耦合
岩土介质的离散计算
边界面的模型与单元设置 离散元法 块体理论 非连续变形分析（DDA） 流形元法（MEM）…… 颗粒流法
DDA (discontinous deformation analysis)非连续变 形分析
碑
实验人员 1人
参观者 10人
报社记者 1人
电视采访人员 3人
图107 纪念碑
模型试验
• 日本的岩土工程界进行了 深刻的反思和系统的研究。
• 他们不惜投入巨资建造了 模型试验设备。
• 大型的活动降雨试验棚。 其模拟降雨强度范围为15200mm/hr，降雨范围达 44m×72m，喷头高度距地 面以上16m，喷头数为 544×4个，扬水泵两台 （功率为160kw，流量为 25.5kl/分），