土王教学课件

土王教学课件土力学与岩土工程核心知识体系课程导入土的世界土是由各种矿物颗粒、有机质、水和气体组成的自然材料，是工程建设的重要介质和基础作为自然界中最常见的材料之一，土的力学性质对建筑物、道路、水利工程等基础设施的安全和稳定性至关重要土力学的定义研究土体在外力作用下的应力、变形和强度特性的学科，是岩土工程的理论基础工程应用广泛第一章土的基本性质土的组成与分类颗粒大小与孔隙结构物理性质指标土由固相（矿物颗粒）、液相（水）和气相颗粒级配影响土的工程性质，黏土颗粒小于常用物理指标包括密度ρ、干密度ρd、含（空气）组成，根据颗粒大小可分为砂土、

0.005mm，粉土为

0.005-

0.075mm，砂水率w、孔隙比e、饱和度Sr、液限wL、塑粉土和黏土等类型中国标准将土分为砾土为

0.075-2mm孔隙结构决定了土的透限wP和塑性指数IP等，这些指标是工程分石、砂、粉土和黏土四大类水性和变形特性析的基础土的力学性质概述应力与应变基础土的弹性与塑性行为土体中的应力状态通常由正应力（σ）和剪应力（τ）描述在三维空间在小变形下，土表现出近似弹性行为，遵循胡克定律随着应力增加，中，应力状态可用应力张量表示，主应力方向对应土体变形的主要方土体进入塑性阶段，产生不可恢复变形向土体变形通常表示为应变，包括体积应变和剪切应变土的应力-应变关系复杂，表现出明显的非线性特征土壤颗粒显微图显微镜下的土壤颗粒结构，展示了不同大小的颗粒及其之间的孔隙分布这种微观结构决定了土体的宏观力学行为，包括渗透性、压缩性和强度特性第二章土的本构关系非线性E-μ模型分部屈服弹塑性模型以弹性模量E和泊松比μ为核心参数，考虑应力水平对这些参数的影响，适卢廷浩教授创新性提出的模型，将屈服面分为多个部分，更精确地描述了用于小变形问题该模型计算简单，在工程中应用广泛，但难以准确描述复杂应力路径下土体的力学响应，特别适用于高坝工程中的复杂应力状态大变形下的塑性行为分析123剑桥模型基于临界状态土力学理论，通过引入屈服面概念描述土的塑性行为模型考虑了应力路径对土体强度和变形的影响，适合描述黏土的本构关系应力路径对土体行为的影响土的力学行为强烈依赖于应力路径，相同的初始和最终应力状态，通过不同的应力路径可能导致完全不同的变形和强度特性工程实践中，准确模拟实际应力路径对预测土体行为至关重要土的本构关系研究意义本构关系是连接微观力学机理与宏观工程响应的桥梁，对准确预测土体在复杂工况下的力学行为具有决定性意义理论研究价值试验技术进步揭示土体力学行为的内在规律，建立推动三轴试验、真三轴试验等先进试力学理论与物理现象的对应关系通验技术发展，提高试验数据解释的科过本构方程，将微观颗粒相互作用转学性，为模型参数标定提供可靠依化为宏观力学参数据工程设计应用通过数值模拟技术，将本构模型应用于工程设计，提高计算精度和预测可靠性，为重大工程安全提供技术保障第三章土与结构相互作用接触面力学基础土与结构物接触面是应力传递的关键界面，其力学行为直接影响结构物的安全性接触面具有特殊的力学特性，包括正向刚度、切向刚度以及强度特性，这些特性与接触面的粗糙度、材料特性和应力状态密切相关无厚度单元薄层单元模型Goodman Desai基于弹性理论，假设接触面为无厚度的理想界面，通过设置法向和切向考虑接触面具有一定厚度，采用特殊的本构关系描述薄层内的力学行弹簧模拟接触行为模型简单实用，但难以描述复杂的应力-位移关系为该模型能更好地模拟接触面的非线性行为和损伤演化过程，适用于复杂接触问题分析卢廷浩教授对该模型进行了改进，提出了考虑接触面破坏和损伤的高级薄层单元模型，在高坝工程中得到了成功应用高面板堆石坝接触面单剪试验现场照片2m5MPa100mm试样尺寸最大正应力最大位移大尺寸试验装置可测试真实工程材料模拟高坝深部接触面应力状态捕捉完整的应力-位移曲线这种大型接触面单剪试验能够直接测量真实工程材料的界面参数，为数值模拟和工程设计提供可靠数据，是卢廷浩教授研究团队的技术创新点之一接触面模型的工程应用试验研究模型建立通过单剪试验和三轴试验获取接触面力学参基于试验数据建立接触面数学模型，考虑法向数，研究不同材料组合、不同应力状态下的接应力、剪切位移和损伤演化的影响，形成完整触行为的接触面本构关系工程应用数值模拟将研究成果应用于面板堆石坝、混凝土坝和地将接触面模型集成到有限元分析程序中，模拟下洞室等工程，提高结构安全性和耐久性接触面在工程荷载下的响应，预测可能的错动和开裂行为面板堆石坝工程案例在某200米高面板堆石坝工程中，卢廷浩教授团队应用接触面薄层单元模型，成功预测了混凝土面板与垫层料之间的错动行为，为优化设计提供了科学依据模拟结果表明，通过改善垫层料级配和增强接触面处理，可显著减少接触面错动，提高面板的防渗性能第四章非饱和土力学非饱和土的定义与特性非饱和土是指孔隙中同时含有水和气体的土体，其力学行为比饱和土更为复杂非饱和土的主要特征是存在基质吸力（土-水界面处的负孔隙水压力），这种吸力使土体具有额外的强度和刚度三维非饱和土固结方程推导基于多相介质力学理论，考虑固相、液相和气相的相互作用，推导非饱和土的三维固结控制方程其中，Cv为固结系数，u为孔隙水压力，ψ为基质吸力该方程考虑了基质吸力随时间和空间的变化，是非饱和土力学理论的核心内容与饱和土固结方程的关系当土体趋于饱和状态时（饱和度Sr→1），基质吸力ψ→0，非饱和土固结方程简化为Terzaghi传统固结方程，显示了理论的一致性和连续性非饱和土研究的工程意义气候变化影响边坡稳定性水利工程安全降雨和干旱循环导致土体饱和度变化，引起强度和变形特性的周期性变化，影响工程长期稳定性降雨入渗导致边坡基质吸力减小，强度下降，是许多滑坡灾害的主要诱因掌握非饱和土力学原理可提高水库蓄水过程中，坝体及地基逐渐饱和，力学性质发生显著变化理解这一过程有助于评估工程风险边坡设计安全性工程案例红粘土路基研究卢廷浩教授团队对中国南方广泛分布的红粘土进行了系统研究，发现其在干湿循环作用下强度显著下降，导致路基变形增大通过应用非饱和土力学理论，团队提出了改良措施，包括添加石灰和粉煤灰提高稳定性，以及设计合理的排水系统维持适宜的含水状态，有效解决了多条高速公路的路基病害问题第五章计算程序与数值分析平面与三维有限元计算程序Biot固结理论的数值实现卢廷浩教授团队自主开发了平面和三维有限元分析程序，具有以下特点团队在程序中实现了Biot固结理论的数值解法，采用有限元法离散空间域，有限差分法离散时间域，构建了稳定高效的求解算法•集成了多种高级土体本构模型典型工程应用实例•考虑土-结构接触面非线性行为•支持饱和和非饱和土体分析该程序成功应用于•实现了静力、动力和流固耦合分析功能•双江口水电站高坝变形分析程序采用模块化设计，便于扩展和维护，已在多个重大工程中得到应用验证•南京地铁深基坑支护设计•长江堤防渗流稳定性评价•高速公路软基沉降预测模型建立几何模型、网格划分、边界条件设置参数标定基于试验数据确定模型参数数值计算运行分析，监控收敛性结果解释分析变形、应力和稳定性工程应用指导设计优化和施工控制三维有限元模型示意图图中展示了某水利工程的三维有限元模型，包括复杂的地质结构和工程构筑物模型采用了数十万个有限元单元，精确描述了几何特征和材料分区模型特点分析能力计算效率采用多种单元类型，包括实体单元、接触单支持静力、动力和渗流耦合分析，可预测工采用并行计算技术，结合稀疏矩阵存储和求元和特殊边界单元，实现了工程结构与地基程全寿命周期内的应力、变形和稳定性变解技术，大幅提高了计算效率，缩短了分析相互作用的精确模拟化周期第六章地基基础工程设计地基承载力与变形分析深基坑支护设计原则软基处理与堤防加固地基承载力是基础设计的核心指标，取决于随着城市地下空间开发，深基坑工程日益重软弱地基处理是保障工程稳定性的关键技土体强度和变形特性卢廷浩教授提出了考要支护结构设计需综合考虑安全性、经济术，卢教授团队在长江堤防加固工程中积累虑应力历史的地基承载力计算方法，更准确性和环境影响了丰富经验地预测了软土地基的承载性能•支护形式选择（排桩、地下连续墙、•排水固结法（竖向排水板、真空预压）•极限承载力理论与应用SMW工法等）•加筋技术（土工格栅、微型桩）•沉降计算方法与控制标准•内支撑与锚杆设计•化学改良（石灰、水泥搅拌桩）•基础形式选择的技术经济分析•降水方案与环境影响评估•堤防防渗设计与渗流控制•监测与信息化施工卢廷浩教授强调，地基基础设计应充分考虑土体的非线性特性和时间效应，将理论分析与工程经验相结合，确保设计的可靠性和经济性典型工程案例分享双江口水电站心墙堆石坝卢教授团队参与了该300米高土石坝的材料研究和变形分析，重点解决了高地震区大坝材料选择问题通过创新性地应用改进的Duncan-Chang模型，成功预测了坝体变形，为施工控制提供了技术支持高速公路软基处理在江苏某高速公路项目中，面对厚度达15米的软黏土地基，团队采用了复合地基技术，结合真空预压和CFG桩，有效控制了路基沉降，缩短了施工周期，节约了工程造价，获得了业主高度评价城市地铁基坑支护在南京地铁施工中，针对车站深基坑穿越砂层的涌水涌砂风险，团队设计了三轴搅拌桩加深层搅拌墙的组合支护方案，并应用自主开发的渗流-应力耦合分析软件评估了方案的安全性，成功保障了基坑施工安全这些案例展示了卢廷浩教授将土力学理论成功应用于复杂工程问题的能力，体现了理论研究与工程实践的紧密结合每个案例都具有典型性和代表性，为类似工程提供了宝贵经验卢廷浩教授科研成果精选高面板堆石坝研究非饱和红粘土研究磷石膏混合料研究针对200米以上高面板堆石坝面临的技术挑战，卢教通过改进的三轴试验设备，研究了非饱和红粘土在干针对磷化工行业大量产生的磷石膏固体废弃物，开展授团队系统研究了坝料变形特性、面板接缝设计和接湿循环作用下的强度和变形特性，揭示了基质吸力对了磷石膏路用性能研究，开发了磷石膏-粉煤灰-石灰触面处理技术，提出了一套完整的设计理论和方法，红粘土力学性质的影响规律，为红粘土地区的工程建复合稳定材料，实现了磷石膏的资源化利用，取得了被成功应用于多座大型水电站设提供了科学依据显著的环境和经济效益200+30+5发表论文获批专利科研奖励在国内外重要学术期刊发表论文200余篇，其中SCI收获得发明专利和实用新型专利30余项获得省部级科技进步奖5项录80余篇卢廷浩教授现场指导与试验照片卢廷浩教授亲临工程现场，指导学生开展土工原位测试，强调理论与实践相结合的科研理念照片展示了教授在某水利工程现场检查土样采集和原位试验工作卢教授一贯坚持把论文写在祖国大地上的理念，注重将学术研究与工程实践紧密结合，鼓励学生深入一线，从实际问题中发现研究课题，将研究成果应用于解决工程难题在卢教授的指导下，研究团队已培养了数十名博士和硕士研究生，他们大多成为岩土工程领域的技术骨干，活跃在重大工程建设一线土力学实验技术试验设备与方法关键试验数据解读技巧现代土力学实验设备日益精密，自动化程度不断提高卢廷浩教授实验土工试验数据解读是一门艺术，需要丰富的经验和专业知识卢教授分室配备了国际先进的试验设备，包括享了以下技巧•GDS高级动三轴仪（可控应力路径）

1.重视样品扰动评估，必要时进行修正•真三轴试验系统（六面加压）

2.关注应力-应变曲线形态，识别材料非线性特征•高压固结仪（最大压力20MPa）

3.分析孔压演化规律，判断排水条件•非饱和土三轴仪（可测量基质吸力）

4.对比不同应力路径下的材料响应，理解应力路径依赖性•大型直剪仪（接触面性质研究）

5.结合实测与理论模型，标定本构参数•振动台（动力性质测试）

6.考虑尺寸效应，谨慎外推实验室数据到工程尺度土与结构接触面力学试验详解试验设备数据处理卢廷浩教授团队自主研发的大型接触面剪切试验装置，可测试实际工程尺寸试验获取的原始数据需要经过系统处理，包括的材料样品，最大正向压力达5MPa，最大剪切位移100mm，能全面捕捉•绘制剪应力-位移曲线，确定峰值强度和残余强度接触面的力学行为•分析不同正应力下的强度变化，确定强度包络线•计算接触面摩擦系数和粘聚力•研究法向变形与剪切位移的关系，分析接触面膨胀特性试验步骤参数标定

1.样品制备分别制备混凝土和填料样品，模拟实际接触界面基于试验数据，标定接触面模型参数，包括

2.装样将样品安装在剪切盒中，确保接触面位于剪切面上•法向刚度Kn和切向刚度Ks

3.施加正向压力根据试验方案施加不同级别的正向压力•内摩擦角φ和粘聚力c

4.剪切过程控制剪切速率，记录剪切力和位移•膨胀角ψ和损伤参数D

5.多级加载完成一级剪切后，增加正向压力进行下一级剪切•应力相关性参数，描述刚度和强度与正应力的关系工程中的土力学问题与挑战土体非线性行为的预测难点土体的应力-应变关系高度非线性，且受多种因素影响，包括应力历史、应力路径、排水条件和时间效应等目前的本构模型虽然不断完善，但在预测复杂工况下的土体行为时仍存在局限性卢教授指出，需要发展更先进的本构理论，特别是考虑土体微观结构演化的多尺度模型，以提高预测精度土与结构界面失效机理土与结构界面是工程中的薄弱环节，其失效往往导致严重后果界面力学行为复杂，包括摩擦、粘结、损伤和断裂等多种机制研究表明，界面失效受多种因素影响•材料组合类型与接触面粗糙度•法向应力大小与分布•环境因素（温度、湿度）•施工质量与接触面处理方法未来需要深入研究界面损伤演化规律，建立更精确的界面本构模型现代岩土工程发展趋势理论创新1多尺度力学和多场耦合理论试验技术2先进无损检测和微观观测方法数值方法3高性能计算和人工智能辅助分析工程应用4信息化施工和全寿命周期健康监测数值模拟技术进步数值模拟技术在岩土工程中的应用日益广泛，主要进展包括•离散元法（DEM）模拟颗粒材料微观力学行为•扩展有限元法（XFEM）处理裂缝扩展问题•材料点法（MPM）处理大变形问题•多尺度计算方法，连接微观与宏观力学行为•高性能并行计算，实现超大规模模型分析智能监测与大数据应用智能监测技术与大数据分析正在改变传统岩土工程实践•分布式光纤传感技术实现空间连续监测•无线传感网络和物联网技术应用于工程实时监控•大数据分析方法用于识别潜在风险和预测工程行为•人工智能技术辅助工程决策和风险管理•数字孪生技术，创建工程虚拟映射，实现全过程管理环境岩土工程简介环境岩土工程的兴起环境岩土工程是土力学与环境工程相结合的新兴交叉学科，研究土体在环境作用下的力学行为以及土体对环境污染物的迁移转化规律随着环境保护意识的增强，环境岩土工程在近年来得到了快速发展卫生填埋场土壤污染治理卫生填埋场是固体废弃物处理的重要设施，其设计需考虑污染土壤修复是环境岩土工程的重要研究方向，涉及污染防渗、稳定性和气体收集等多方面因素关键技术包括物迁移规律和修复技术主要包括•重金属污染土固化/稳定化技术•复合防渗系统设计与防渗效果评价•有机污染物生物修复方法•渗滤液收集系统优化•电动力学修复技术•填埋场边坡稳定性分析•热处理技术•沉降控制与土地再利用规划CO₂地质封存地下水屏障将二氧化碳注入地层长期封存，减少温室气体排放防止污染物随地下水扩散的工程措施，包括•封存场地适宜性评价•垂直防渗墙设计与施工•注入过程中地层力学行为•渗透反应墙技术•长期封存安全性评估•注浆防渗技术卢廷浩教授指出，环境岩土工程是土力学未来发展的重要方向之一，需要加强多学科交叉融合，培养复合型人才，推动理论创新和技术突破环境岩土工程典型项目照片图片展示了某污染场地修复工程现场，采用土壤固化/稳定化技术处理重金属污染土壤现场设置了专业的土壤搅拌设备和环境监测系统，确保修复过程安全有效天85%6030%污染物去除率修复周期成本节约通过优化固化剂配方，实现高效污染物稳定化采用改进工艺，显著缩短修复时间相比传统技术，降低修复成本该项目是卢廷浩教授团队在环境岩土工程领域的典型案例，体现了将土力学原理应用于环境修复的创新思路，为类似污染场地治理提供了成功经验土力学教学体会与课程建设理论联系实际的教学理念卢廷浩教授在土力学教学中，始终坚持理论联系实际的教学理念他认为，土力学是一门实践性很强的学科，学生只有将课堂所学与实际工程相结合，才能真正掌握知识，培养解决复杂问题的能力在教学过程中，他经常引入实际工程案例，组织学生参观工程现场，让学生亲身感受土力学在工程中的应用创新教学方法针对土力学概念抽象、内容繁多的特点，卢教授积极探索教学方法创新•开发可视化教学软件，将抽象概念直观呈现•建立虚拟实验室，让学生随时进行虚拟试验•采用项目式教学，让学生在解决实际问题中学习•引入翻转课堂，鼓励学生自主学习和小组讨论•建立网络教学平台，实现线上线下混合式教学学生反馈与教学改进卢教授重视学生反馈，定期收集学生意见，不断改进教学学生普遍反映其课程特点•理论深入浅出，难点讲解清晰•案例丰富生动，理论联系实际•重视培养思维能力，不只是知识传授•关注学生个体差异，因材施教课程总结与知识体系回顾基本原理土的性质土力学分析岩土勘察工程应用土力学核心概念梳理土力学研究的核心是土体在外力作用下的应力、变形和强度特性主要内容包括•土的物理性质与工程分类•土与结构物相互作用•应力应变理论与有效应力原理•非饱和土力学基础•土的本构关系与强度理论•数值分析方法与应用•土的渗流理论与固结理论•环境岩土工程新进展结构与土体相互作用重点提示结构与土体相互作用是工程设计中的关键问题，需特别关注未来展望土力学与岩土工程的创新方向新材料与新技术应用跨学科融合发展趋势重大挑战与机遇未来岩土工程将更多地应用新型材料和先进技土力学正与多学科深度融合，形成新的研究方未来岩土工程面临的重大挑战与机遇术向•应对气候变化带来的极端工况•纳米材料增强土体性能•与材料科学结合，发展智能土工材料•超大型和复杂地下空间开发•生物固化技术加固松散土•与环境科学结合，推动环境岩土工程发展•海洋和极地岩土工程技术需求•智能地质材料（具有感知和自修复能力）•与计算科学结合，发展高性能数值模拟方•城市更新中的地下基础设施重建法•3D打印技术在特殊土工构筑物中的应用•可持续发展要求下的绿色岩土技术•与人工智能结合，实现智能监测与决策•新型环保土体改良剂的开发与应用•与能源科学结合，支持地热能开发和能源地质封存卢廷浩教授指出，未来土力学将更加注重多学科交叉融合，发展多尺度、多场耦合的理论体系，通过数字化、智能化手段提升岩土工程技术水平，为国家重大工程建设提供更加可靠的技术支撑互动环节案例讨论与问题解答问题1软土地基处理方法选择在高速公路穿越厚软土地区时，如何选择合适的地基处理方法？需要考虑哪些关键因素？解答选择软土地基处理方法需综合考虑土层特性（厚度、强度、压缩性）、工期要求、造价限制和环境影响对于高速公路，常用方法有排水固结法（适合厚层饱和黏土）、强夯法（适合浅层松散土）、CFG桩复合地基（适合中等厚度软土）和轻质材料替换法（适合严格控制沉降的路段）问题2非饱和土边坡稳定性在季节性降雨地区，非饱和土边坡稳定性如何评价？如何考虑降雨入渗对边坡稳定性的影响？解答非饱和土边坡稳定性受基质吸力显著影响随降雨入渗，基质吸力减小，强度下降评价方法建立渗流-应力耦合模型，模拟降雨入渗过程；考虑土-水特征曲线，计算基质吸力变化；采用非饱和土强度准则，分析边坡安全系数动态变化工程措施包括表面防渗、排水系统优化和植被防护等问题3如何理解和应用临界状态土力学理论？临界状态土力学理论是理解土体塑性变形的重要理论框架核心概念是临界状态线，表示土体在持续剪切过程中最终达到的状态，此时剪切应变继续增加而体积和应力保持不变应用该理论可统一解释土体在不同排水条件下的力学行为，为本构模型提供理论基础修正剑桥模型是其重要应用，在软土分析中广泛使用参考文献与推荐阅读123卢廷浩教授主要著作重要学术论文经典土力学教材

1.卢廷浩,《高面板堆石坝接触面力学行为研究》,水利水电出

1.Lu,T.H.,Wang,Y.J.,Zhang,W.

2019.Constitutive

1.Lambe,T.W.,Whitman,R.V.,《土力学》中译本,中国建筑版社,2018Model forInterface betweenConcrete Faceand Cushion工业出版社

2.卢廷浩,《非饱和土力学基础与应用》,河海大学出版社,2016Layer inHigh CFRD.Journal ofGeotechnical Engineering,

2.Terzaghi,K.,《理论土力学》中译本,水利水电出版社1453,

040190023.卢廷浩,《岩土工程数值分析方法》,中国建筑工业出版社,

3.Craig,R.F.,《土力学原理与应用》中译本,高等教育出版社

2.Lu,T.H.,Chen,X.L.,Li,M.

2020.Experimental Studyon

20204.何满潮,《土力学与基础工程》,清华大学出版社Unsaturated RedClay underCyclic Wettingand Drying.

4.卢廷浩,朱伟,《土与结构相互作用理论与应用》,科学出版社,

5.龚晓南,《土力学》,水利水电出版社Soils andFoundations,602,378-

38920196.叶为民,《高等土力学》,同济大学出版社

3.Lu,T.H.,Zhang,L.,Liu,J.

2021.Numerical Analysisof

5.卢廷浩等,《环境岩土工程前沿技术》,化学工业出版社,2021Seepage-Stress Couplingin EarthDam consideringUnsaturatedFlow.Computers andGeotechnics,132,

1039894.Lu,T.H.,Wang,C.,Zhao,K.

2022.Modified Thin-layerElement forSoil-structure InterfaceModeling.International Journalfor Numericaland AnalyticalMethodsin Geomechanics,464,811-830学术期刊推荐•《岩土工程学报》•Journal ofGeotechnical andGeoenvironmental Engineering•《水利学报》•Géotechnique•《岩土力学》•Soils andFoundations•《水科学进展》•Computers andGeotechnics•《工程地质学报》•Canadian GeotechnicalJournal致谢与联系方式感谢聆听感谢各位同学和同行的积极参与和宝贵建议希望本课程能够帮助大家更好地理解土力学与岩土工程的基本原理和应用，为今后的学习和工作奠定坚实基础电子邮箱联系电话办公地址lutinghao@hhu.edu.cn025-8378XXXX江苏省南京市鼓楼区西康路1号河海大学岩土工程研究所欢迎对土力学与岩土工程感兴趣的同学加入我们的研究团队，共同探索科学奥秘，解决工程难题，为国家建设贡献力量河海大学岩土工程研究所。