临界状态土力学11.docx

1.1简介

本书是介绍的是关于饱和重塑土的力学性质的理想模型。每种模型涉及一类力学性能，并且每种模型的都可用工程师熟练的应用数学的技巧来解决。这些模型或多或少精确反应了土体材料力学性能的几个重要技术问题。土体被认为是一种均匀的两相机械混合：其中一相反应的是土颗粒中的固体颗粒的结构，另一相则反应土颗粒中空隙或微孔中流体水。比起简单而完美的弹塑性物质来说，土体的理解更加的困难，因此本书大多数内容是有关土体材料各相之间的力学相互作用和散装土体材料的应力和应变特性。这种都是外行人所感兴趣的研究方法，对于我们专业的土木工程师来说规范的测试、土力学的计算和地基工程学才是我们特别感兴趣的。

本书升端对目前土壤工程学中的规范化实践操作做出了评论，这是恰当的。大多数土木工程师在实践中做出的计算和做出的判断是根据两百年前C.A.库伦在他的对土对墙的作用力和反作用力的经典分析中使用的模型。在模型中土壤材料（或岩石）被认为是刚性的直到土体材料沿着从表面到内部的剪切应力能够克服土体材料的附着力和内部摩擦力为止，据此，土体材料可被划分为两个可沿着分界而相互滑动的刚体。附着力和内部摩擦力是这个模型考虑的两个要素，为了能正确做出计算，工程师有必要要将具体的数值赋予给土体材料的每个具体分块单元的要素。土很难取样，实践中很少有均质的和等方性的土质，因此工程师对土的特性的主观判断要做大量的实验。

在过去的半个多世纪为了让判断更加客观，许多研究人员测试了大量的饱和重塑土样本。这些工作帮助工程师们持续不断的应用库伦理想模型相继发表大量的研究结果。例如，典型的论文包括有关讨论“应变对全摩擦力的应用”，或者是“表观附着力在排水条件下的效应”，大多数的研究对工程师来说容易理解，因为他们能够通过思考他们经历的实验例子发现了标准模型的不足之处，那些实验中必须对标准属性做出一个不同的解释。最近，各个研究员也在创建新的理想模型。特别是剑桥大学在过去的10年中，临界状态的概念从众多的模型中脱颖而出，现在已经发展的很完善，在假设为均质硬化的弹塑性体的条件下可以被接受（在§1.8有介绍，后面的第五章将进行详细的讨论）。

我们想要强调的是我们所将要写的大多数内容已经包括现在工程师们的现行判断中。新的理想模型包含标准的库伦模型以及实践中的通常考虑的演化模型：附聚和摩擦，压缩性和固结作用，排水和不排水这些词在实践中被用到。概念之间的相互关系、建立出新的计算方法的能力和判断依据的统一是新的。

在下一节我们开始提出沉积模型，在1.3我们介绍经验指数测试并保证对它们做基本的解释（在第6章发表）。机械筛分和对土壤分类的指数部分在1.4,在1.5我们确定含水量和比容。1.6介绍有效应力的概念。1.7介绍简化模型的复杂数学结果（适用于第9章的规格参数表提到的极限应力分布状况）和复杂模型的简单数学结果（适用于临界状态）。

1.2用沉积法和筛分法测定粒径尺寸

第一种模型是斯托克斯球，就是在重力作用下稳定的在粘性液体中下沉的状态。普朗特在一个很小的雷诺兹数下讨论这种例子的运动，并发现总的运动阻力和与结果（（粘性M）X（流速Wx（流径如成比例的动态相似性相关。斯托克斯的解答是把阻力R的这一比例系数y设为3n，公式如下：

R=3兀"d（1-1）这个阻力必须和球体的浮力平衡，因此

3兀"d=—（G-1）yd3 （1.2）

6sW

这里的GY是球体的固体颗粒单位体积的重量，Y是水单位sw w

体积的重量。因此，单个球体若在时间t内稳定的下落z的距离，那么直径d就可以计算出来：

(1.3)18曰z

(1.3)

（G-以*~t

这种方法仅仅适用于当雷诺兹数很小时：Krumbein和

Pettijohn认为水中石英球体颗粒的直径估计在小于0.005mm的范围内才准确。尽管在直径小于0.1微米（0.0001mm）的情况下，颗粒受到布朗运动的影响，但他们仍然认为公式可以继续使用。这种适用于0.05到0.0001mm范围内的方法称为沉积法，该方法对于粘土和粘粒的颗粒尺寸的分类特别适用。

通常粉土和粘土颗粒都不是标准的球体，表而也不光滑，每个颗粒的重量G值也不一样，是大量颗粒集合而成。因此这类不规则的小颗粒用它们的下沉速率来定义，我们用“液压直径”、“等效直径”或“沉积直径”这种词来形容。这些只是我们专业术语中简单的一个举例，但是这些术语很重要。

标准的定量测试小的土颗粒尺寸的实验方法叫沉积法。土被预处理过，用机械粉碎，可能使土颗粒胶结的有机物和钙化物被溶解掉。为了抵消掉某些可能导致小颗粒凝结在一起的表面效应，须要添加一种分散剂。把10克固体颗粒放入500毫升水中，