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绪论 3

第1章 非饱和土状态 3

1.1非饱和土现象 3

1.1.1非饱和土力学的定义 3

1.1.2非饱和土力学的跨学科属性 4

1.1.3非饱和土现象的分类 5

1.2本书内容与撰写结构 7

1.2.1章节结构 7

1.2.2“岩土力学”与“环境岩土工程”课程内容选学建议 8

1.3大自然与工程中的非饱和土 9

1.3.1水循环中的非饱和土 9

1.3.2全球化的气候因素 9

1.3.3非饱和带与土的形成 12

1.3.4工程实践中的非饱和土 15

1.4含水量、孔隙压力与应力的垂直分布 16

1.4.1非饱和状态下的应力 16

1.4.2饱和土含水量与应力的垂直分布：概念性图示 16

1.4.3非饱和土含水量与应力的垂直分布：概念性图示 17

1.4.4应力分析方法 18

1.5状态变量、材料变量与本构定律 20

1.5.1现象预测 20

1.5.2状态变量——水头 22

1.5.3状态变量——有效应力 24

1.5.4状态变量——净法向应力 25

1.6土中水的吸力与势能 26

1.6.1土体总吸力 26

1.6.2孔隙水势能 26

1.6.3土体吸力单位 29

1.6.4吸力形式与土-水特征曲线 30

本章习题 33

第Ⅰ部分 基本原理 37

第2章 材料变量 37

2.1气体和水的物理性质 37

2.1.1非饱和土的多相体系 37

2.1.2干燥空气的密度 37

2.1.3水的密度 39

2.1.4气体和水的黏滞性 41

2.1.5流动方式 42

2.2分压力与相对湿度 44

2.2.1非饱和土力学中的相对湿度 44

2.2.2气体组分与分压力 44

2.2.3自由水与气体的平衡 45

2.2.4孔隙水与气体的平衡 47

2.2.5相对湿度 48

2.2.6露点 49

2.3潮湿气体的密度 50

2.3.1水蒸气对空气密度的影响 50

2.3.2潮湿空气密度公式 51

2.4表面张力 55

2.4.1表面张力的来源 55

2.4.2穿过水-气交界面产生的压降 58

2.5水的空化 60

2.5.1空化与沸腾 60

2.5.2静态大气压力 62

2.5.3空化压力 64

本章习题 65

第3章 相界面平衡 67

3.1气体在水中的溶解度 67

3.1.1亨利定律 67

3.1.2温度相关性 68

3.1.3体积溶解系数 69

3.1.4亨利定律常数与体积溶解系数 70

3.1.5蒸汽作用的修正 71

3.1.6质量溶解系数 72

3.2气体-水-固体交界面 72

3.2.1两个水滴之间的平衡 72

3.2.2气体-水-固体交界面的平衡 73

3.2.3接触角 74

3.2.4非饱和土中的气体-水-固体交界面 76

3.3蒸汽压降低效应 78

3.3.1开尔文公式的意义 78

3.3.2开尔文公式的推导 79

3.3.3毛细冷凝 82

3.4土-水特征曲线 85

3.4.1土体吸力与土中水 85

3.4.2毛细管模型 85

3.4.3接触球模型 87

3.4.4小结 91

本章习题 92

第4章 毛细现象 95

4.1杨-拉普拉斯方程 95

4.1.1三维弯液面 95

4.1.2毛细管的静水平衡 97

4.2毛细上升高度 98

4.2.1管内毛细上升现象 98

4.2.2毛细水带模型 100

4.2.3理想土的毛细上升现象 101

4.2.4实际土的毛细上升现象 102

4.3毛细上升速率 104

4.3.1从饱和渗透系数推导的表达式 104

4.3.2从非饱和渗透系数推导的表达式 105

4.3.3试验验证 107

4.4毛细孔径分布 110

4.4.1理论基础 110

4.4.2孔隙几何形状 111

4.4.3孔径分布计算步骤 114

4.5吸应力 118

4.5.1两球状颗粒之间的作用力 118

4.5.2透镜形水里的压力 119

4.5.3毛细作用产生的有效应力 120

4.5.4有效应力参数与含水量的关系 122

本章习题 123

第Ⅱ部分 应力现象 127

第5章 应力状态 127

5.1非饱和土中的有效应力 127

5.1.1宏观力学概念 127

5.1.2微观力学概念 128

5.1.3非零接触角的两球状颗粒之间的应力 128

5.1.4孔隙压力状态 132

5.2滞后作用 133

5.2.1滞后作用机理 133

5.2.2“墨水瓶”滞后作用 135

5.2.3接触角滞后作用 136

5.2.4土-水特征曲线中的滞后作用 136

5.2.5有效应力参数的滞后作用 137

5.2.6吸应力特征曲线的滞后作用 139

5.3应力张量表示形式 141

5.3.1净法向应力、基质吸力与吸应力张量 141

5.3.2非饱和土中的应力张量：概念性图示 143

5.4轴平移法的应力控制 147

5.4.1轴平移法的基本原理 147

5.4.2气体-水-高进气值材料系统的平衡 148

5.4.3气体-水-高进气值材料土体系统的平衡 149

5.4.4高进气值材料的特征曲线 149

5.4.5应力变量控制试验 150

5.5应力图解 152

5.5.1净法向应力与基质吸力的表示方式 152

5.5.2有效应力的表示方式 156

本章习题 159

第6章 抗剪强度 161

6.1扩展的莫尔-库仑准则 161

6.1.1饱和土的莫尔-库仑准则 161

6.1.2非饱和土抗剪强度的试验观察 162

6.1.3扩展的莫尔-库仑准则 166

6.1.4用主应力表示的扩展莫尔-库仑准则 169

6.2扩展莫尔-库仑准则的抗剪强度参数 170

6.2.1三轴试验结果分析 170

6.2.2直剪试验结果分析 172

6.3有效应力与莫尔-库仑准则 174

6.3.1扩展莫尔-库仑准则包线的非线性特征 174

6.3.2有效应力方法 176

6.3.3破坏状态下χ参数的测定 177

6.3.4φb与χf的协调 178

6.3.5有效应力作为一个强度状态变量的有效性 180

6.4莫尔-库仑准则中的抗剪强度参数 182

6.4.1直剪试验结果分析 182

6.4.2三轴试验结果分析 183

6.5破坏包线的统一表达式 184

6.5.1非饱和土中具特征作用的毛细黏聚力 184

6.5.2毛细黏聚力值的确定 187

6.5.3小结 192

本章习题 192

第7章 吸力与土压力垂直分布 195

7.1稳流状态下吸力与含水量的垂直分布 195

7.1.1非饱和土中的吸力状态 195

7.1.2基质吸力垂直分布的解析解 196

7.1.3典型土类的水文参数 198

7.1.4典型土类内基质吸力的垂直分布 199

7.1.5典型土类内含水量的垂直分布 200

7.2稳定流下有效应力参数与应力垂直分布 204

7.2.1有效应力参数χ的垂直分布 204

7.2.2吸应力垂直分布及参数范畴 204

7.2.3典型土类吸应力的垂直分布 209

7.2.4小结 212

7.3静止土压力 212

7.3.1广义胡克定律 212

7.3.2静止土压力系数的垂直分布 213

7.3.3张裂缝深度 215

7.4主动土压力 218

7.4.1非饱和土莫尔-库仑破坏准则 218

7.4.2朗肯主动破坏状态 219

7.4.3吸应力为常量时的主动土压力垂直分布 221

7.4.4吸应力为变量时的主动土压力垂直分布 223

7.4.5具有张裂缝的主动土压力垂直分布 225

7.5被动土压力 226

7.5.1朗肯被动破坏状态 226

7.5.2吸应力为常量时的被动土压力垂直分布 228

7.5.3吸应力为变量时的被动土压力垂直分布 229

7.5.4小结 232

本章习题 233

第Ⅲ部分 流动现象 237

第8章 稳定流 237

8.1水流与气流的驱动机制 237

8.1.1水流势能 237

8.1.2气流机理 237

8.1.3孔隙水流与孔隙气流状态 238

8.1.4稳定水流定律 239

8.2渗透率与渗透系数 240

8.2.1渗透率与传导率 240

8.2.2大小、变化范围与尺度效应 241

8.3渗透系数函数 242

8.3.1渗透系数函数的概念模型 242

8.3.2渗透系数函数的滞后作用 243

8.3.3相对传导率 245

8.3.4土体类型的影响 246

8.4毛细隔离带 248

8.4.1自然与人工的毛细隔离带 248

8.4.2平坦毛细隔离带 249

8.4.3倾斜毛细隔离带 251

8.5稳定入渗与蒸发 254

8.5.1水平入渗 254

8.5.2垂直入渗与蒸发 255

8.6稳定蒸汽流动 261

8.6.1蒸汽流动的菲克定律 261

8.6.2温度与蒸汽压的变化 261

8.6.3蒸汽密度梯度 262

8.7稳定气体在水中的扩散 264

8.7.1理论基础 264

8.7.2轴平移系统中的气体扩散 266

本章习题 267

第9章 瞬态流 269

9.1孔隙液体流动原理 269

9.1.1质量守恒原理 269

9.1.2瞬态饱和流 270

9.1.3瞬态非饱和流 271

9.2入渗率 274

9.2.1瞬态水平入渗 274

9.2.2瞬态垂直入渗 276

9.2.3垂直入渗的瞬态含水量分布 278

9.3瞬态吸力与含水量的垂直分布 280

9.3.1瞬态吸力与含水量的重要性 280

9.3.2瞬态非饱和流的解析解 280

9.3.3瞬态非饱和流的数值模型 286

9.4孔隙气体流动原理 288

9.4.1可压缩气体质量守恒原理 288

9.4.2孔隙气流的控制方程 289

9.4.3气流方程的线性化 290

9.4.4大气压力的正弦波动 291

9.5大气压泵作用分析 293

9.5.1大气压泵作用 293

9.5.2理论框架 293

9.5.3时间序列分析 294

9.5.4气体渗透率的确定 296

本章习题 300

第Ⅳ部分 材料变量测量与模拟 305

第10章 吸力测量 305

10.1测量技术概览 305

10.2张力计 307

10.2.1高进气值材料性质 307

10.2.2张力计测量原理 308

10.3轴平移技术 309

10.3.1平衡测量试验与孔隙水抽取试验 309

10.3.2压力板装置 310

10.3.3Tempe压力室 312

10.4电/热传导传感器 314

10.5湿度测量技术 315

10.5.1总吸力与相对湿度 315

10.5.2热电偶干湿计 316

10.5.3冷镜湿度计 321

10.5.4聚合物电阻/电容传感器 322

10.6湿度控制技术 323

10.6.1等压湿度控制法 324

10.6.2双压湿度控制法 325

10.7滤纸技术 328

10.7.1滤纸测量原理 328

10.7.2校准与测试步骤 329

10.7.3滤纸法的准确性、精度与性能 331

本章习题 335

第11章 渗透系数的测量 337

11.1测量技术概览 337

11.2稳定状态测量技术 337

11.2.1常水头法 337

11.2.2常流量方法 340

11.2.3离心法 344

11.3瞬态流动的测量技术 347

11.3.1水力扩散系数 347

11.3.2水平入渗方法 347

11.3.3溢出法 350

11.3.4瞬时剖面法 352

本章习题 358

第12章 吸力与渗透系数模型 359

12.1土-水特征曲线模型 359

12.1.1土-水特征曲线模型参数 359

12.1.2 Brooks-Corey（BC）模型 361

12.1.3 van Genuchten（VG）模型 363

12.1.4 Fredlund-Xing （FX）模型 367

12.2渗透系数模型 370

12.2.1经验与宏观模型 370

12.2.2统计模型 374

本章习题 381

参考资料 383

索引 397

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