2-土力学学科的发展历史课件

2.土力学学科的发展历史2.11925之前2.21925-20世纪60年代2.360年代-20世纪80年代2.420世纪末－21世纪2.土力学学科的发展历史2.11925之前11.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2.11925之前-土的强度与渗透2.土中水的渗透：堤坝、井达西定律渗透试验1.土的强度：2.11925之前-土的强度与渗透2.土中水2库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806)图72库仑库仑图72库仑3图73直剪仪仪器简图图73直剪仪仪器简图42.21925-20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。2.21925-20世纪60年代-土的变形土的变形：地基5太沙基（KarlTerzaghi)(1883-1963)图74太沙基太沙基（KarlTerzaghi)图74太沙基6图75单向固结压缩仪图75单向固结压缩仪7三轴仪简图图76三轴仪三轴仪简图图76三轴仪82.360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，非线性数值计算实用土力学：解决工程问题2.360年代-20世纪80年代-变形与强度的耦合:土9近代土力学的分支理论土力学实验土力学计算土力学岩土工程的实践非线性计算的可能揭示土的性状，通过归纳演绎形成理论，模型的验证提供计算数学模型提供计算参数；验证计算结果（模型实验）对试验和模型试验的数值模拟提出机理试验和确定参数要求数值模拟试验模拟实用土力学验证和发现规律提供参数简化实用的计算方法近代土力学的分支理论土力学实验土力学计算土力学岩土工程的实践101.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1.土的应力应变模型理论

（本构关系模型）11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122.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2.土工试验室内试验13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室内试验:与土的本构关系模型研究相适应的14改装式与盒式真三轴仪图78真三轴仪

改装式与盒式真三轴仪图78真三轴仪15图79平面应变仪图79平面应变仪16图80真三轴仪图80真三轴仪17图82空心圆柱扭剪仪图81方向剪切仪图82空心圆柱扭剪仪图81方向剪切仪18图83空心圆柱扭剪仪图83空心圆柱扭剪仪19环剪仪单剪仪图84单剪仪与环剪仪环剪仪单剪仪图84单剪仪与环剪仪20图85共振柱试验仪图85共振柱试验仪21原位测试及现场试验

原状土的强度与变形指标原位测试及现场试验原状土的强度与变形指标22图86旁压仪及其试验简图图86旁压仪及其试验简图23plv弹性阶段塑性阶段图87旁压试验曲线plv弹性阶段塑性阶段图87旁压试验曲线24ScrewPlateCompressometer图88螺旋板压缩仪ScrewPlateCompressometer图8825IowaBoreholeShearTest图89深孔剪切试验IowaBoreholeShearTest图89深孔26模型试验自重为主的应力应变相似性模型试验自重为主的应力应变相似性27图90土工离心机（Colorado,Denver)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)美国28图91清华大学离心机图91清华大学离心机29压力水hjh=wih图92

渗水力模型试验原理压力水hjh=wih图92渗水力模型试验原理30z=iw+＝n图93渗水力模型试验仪器z=iw+图93渗水力模型试验仪器31足尺试验昂贵而有效的试验方法足尺试验昂贵而有效的试验方法32图94加筋挡土墙的足尺试验图94加筋挡土墙的足尺试验333.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……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34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渗流与固结计算渗流计算：35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……稳定与极限平衡计算分析36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土的动力分析经验公式法372.420世纪末－21世纪-从抽象的土转为具体的土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。2.420世纪末－21世纪-从抽象的土转为具体的土1.土382.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39图95量测微小应变（<0.005%）的三轴试验ＬＤＴ：局部变形量测图95量测微小应变ＬＤＴ：局部变形量测40图96不同量测方法的应力应变关系图96不同量测方法的应力应变关系41图97非饱和土三轴试验仪图97非饱和土三轴试验仪42图99应力－应变路径三轴试验仪图99应力－应变路径三轴试验仪43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5亿美元日本兵库县，三木震灾纪念公园

大型三维振动试验台面积：20m44图100大型振动台实验室图100大型振动台实验室45图101大型振动破坏试验图101大型振动破坏试验46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人死亡年野外的人工降雨泥石流试验壤土(loam)斜坡崩塌实验47

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

茨城県真壁郡大和村大字大曽根加波山（標高709ｍ）北西斜482.室外试验关东壤土

(风化花岗岩上

火山灰堆积层)

ρ=1.45w=5%倾角：30°Nc<50:1.2～3m图105试验布置示意图2.室外试验关东壤土

(风化花岗岩上

火山灰堆积层)图1049过程：09：07降雨开始(降雨強度90mm/hr)

10：15浸透深度50cm

13：30斜面最下部深100cm处超静孔隙水压力产生

15：00斜面下半部移动开始

15：30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

16：03斜面下半部崩塌过程：50录像6－野外滑坡试验录像6－野外滑坡试验51以身殉职15人纪念碑15人不幸遇难，11人受伤死者当中

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纪念碑以身殉职15人纪念碑15人不幸遇难，图107纪念碑52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15-200mm/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），建造了一个25m×38m×2.4m的蓄水池(储水量2250m3)。

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。53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；试验用砂为樱川砂(细砂)，干密度ρd=1.46g/m3,制样时含水量为w=8%。降雨强度：100mm/hr。10°30°6m

10m3m模型试验2002年11月29日进行的模型试验，10°30°6542-土力学学科的发展历史课件55室内模型试验－斜面室内模型试验－斜面563室内试验3室内试验57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2m/s4.斜面上方滑动距离5.0～5.7m室内试验地表滑动特征：58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。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。再次现场试验2003年11月12日到14日在日本茨城県真壁592-土力学学科的发展历史课件60关东壤土

(风化花岗岩上

火山灰堆积层)

ρ=1.45w=5%倾角：30°Nc<50:1.2～3m关东壤土

(风化花岗岩上

火山灰堆积层)612-土力学学科的发展历史课件622003年野外实验2003年野外实验2003年野外实验2003年野外实验63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处的表层破坏(火山灰层70cm)。而地表移动自破坏前3小时开始，逐渐扩大。试验结果14日上午9：07降雨开始(降雨強度90mm/h643.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3.数值计算的发展非连续65

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）……颗粒流法岩土介质的离散计算边界面的模型与单元设置66DDA(discontinousdeformationanalysis)非连续变形分析图108DDA计算三轴试验曲线DDA(discontinousdeformation67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应变软化与滞回圈峰值强度时颗粒排列图109颗粒的受力分析与68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……稳定分析边坡三维稳定分析69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不确定性的分析与数值计算随机有限元702.土力学学科的发展历史2.11925之前2.21925-20世纪60年代2.360年代-20世纪80年代2.420世纪末－21世纪2.土力学学科的发展历史2.11925之前711.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2.11925之前-土的强度与渗透2.土中水的渗透：堤坝、井达西定律渗透试验1.土的强度：2.11925之前-土的强度与渗透2.土中水72库仑（C.A.Coulomb）(1736-1806)图72库仑库仑图72库仑73图73直剪仪仪器简图图73直剪仪仪器简图742.21925-20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。2.21925-20世纪60年代-土的变形土的变形：地基75太沙基（KarlTerzaghi)(1883-1963)图74太沙基太沙基（KarlTerzaghi)图74太沙基76图75单向固结压缩仪图75单向固结压缩仪77三轴仪简图图76三轴仪三轴仪简图图76三轴仪782.360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，非线性数值计算实用土力学：解决工程问题2.360年代-20世纪80年代-变形与强度的耦合:土79近代土力学的分支理论土力学实验土力学计算土力学岩土工程的实践非线性计算的可能揭示土的性状，通过归纳演绎形成理论，模型的验证提供计算数学模型提供计算参数；验证计算结果（模型实验）对试验和模型试验的数值模拟提出机理试验和确定参数要求数值模拟试验模拟实用土力学验证和发现规律提供参数简化实用的计算方法近代土力学的分支理论土力学实验土力学计算土力学岩土工程的实践801.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1.土的应力应变模型理论

（本构关系模型）81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822.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2.土工试验室内试验83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室内试验:与土的本构关系模型研究相适应的84改装式与盒式真三轴仪图78真三轴仪

改装式与盒式真三轴仪图78真三轴仪85图79平面应变仪图79平面应变仪86图80真三轴仪图80真三轴仪87图82空心圆柱扭剪仪图81方向剪切仪图82空心圆柱扭剪仪图81方向剪切仪88图83空心圆柱扭剪仪图83空心圆柱扭剪仪89环剪仪单剪仪图84单剪仪与环剪仪环剪仪单剪仪图84单剪仪与环剪仪90图85共振柱试验仪图85共振柱试验仪91原位测试及现场试验

原状土的强度与变形指标原位测试及现场试验原状土的强度与变形指标92图86旁压仪及其试验简图图86旁压仪及其试验简图93plv弹性阶段塑性阶段图87旁压试验曲线plv弹性阶段塑性阶段图87旁压试验曲线94ScrewPlateCompressometer图88螺旋板压缩仪ScrewPlateCompressometer图8895IowaBoreholeShearTest图89深孔剪切试验IowaBoreholeShearTest图89深孔96模型试验自重为主的应力应变相似性模型试验自重为主的应力应变相似性97图90土工离心机（Colorado,Denver)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)美国98图91清华大学离心机图91清华大学离心机99压力水hjh=wih图92

渗水力模型试验原理压力水hjh=wih图92渗水力模型试验原理100z=iw+＝n图93渗水力模型试验仪器z=iw+图93渗水力模型试验仪器101足尺试验昂贵而有效的试验方法足尺试验昂贵而有效的试验方法102图94加筋挡土墙的足尺试验图94加筋挡土墙的足尺试验1033.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……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104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渗流与固结计算渗流计算：105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……稳定与极限平衡计算分析106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土的动力分析经验公式法1072.420世纪末－21世纪-从抽象的土转为具体的土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。2.420世纪末－21世纪-从抽象的土转为具体的土1.土1082.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109图95量测微小应变（<0.005%）的三轴试验ＬＤＴ：局部变形量测图95量测微小应变ＬＤＴ：局部变形量测110图96不同量测方法的应力应变关系图96不同量测方法的应力应变关系111图97非饱和土三轴试验仪图97非饱和土三轴试验仪112图99应力－应变路径三轴试验仪图99应力－应变路径三轴试验仪113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5亿美元日本兵库县，三木震灾纪念公园

大型三维振动试验台面积：20m114图100大型振动台实验室图100大型振动台实验室115图101大型振动破坏试验图101大型振动破坏试验116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人死亡年野外的人工降雨泥石流试验壤土(loam)斜坡崩塌实验117

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

茨城県真壁郡大和村大字大曽根加波山（標高709ｍ）北西斜1182.室外试验关东壤土

(风化花岗岩上

火山灰堆积层)

ρ=1.45w=5%倾角：30°Nc<50:1.2～3m图105试验布置示意图2.室外试验关东壤土

(风化花岗岩上

火山灰堆积层)图10119过程：09：07降雨开始(降雨強度90mm/hr)

10：15浸透深度50cm

13：30斜面最下部深100cm处超静孔隙水压力产生

15：00斜面下半部移动开始

15：30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

16：03斜面下半部崩塌过程：120录像6－野外滑坡试验录像6－野外滑坡试验121以身殉职15人纪念碑15人不幸遇难，11人受伤死者当中

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纪念碑以身殉职15人纪念碑15人不幸遇难，图107纪念碑122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15-200mm/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），建造了一个25m×38m×2.4m的蓄水池(储水量2250m3)。

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。123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；试验用砂为樱川砂(细砂)，干密度ρd=1.46g/m3,制样时含水量为w=8%。降雨强度：100mm/hr。10°30°6m

10m3m模型试验2002年11月29日进行的模型试验，10°30°61242-土力学学科的发展历史课件125室内模型试验－斜面室内模型试验－斜面1263室内试验3室内试验127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2m/s4.斜面上方滑动距离5.0～5.7m室内试验地表滑动特征：128再次现场试验

2003年11月12日到