非飽和土力學（簡體書）

作者：（美國）盧寧 （美國）力科思（William J.Likos） 譯者：韋昌富 侯龍 簡文星

《非飽和土力學》是專業巖土工程師、土壤學者、地質工作者、結構工程師非常有價值的參考書。

相關符號及單位
緒 論
第1章 非飽和土狀態
1.1 非飽和土現象
1.1.1 非飽和土力學的定義
1.1.2 非飽和土力學的跨學科屬性
1.1.3 非飽和土現象的分類
1.2 本書內容與撰寫結構
1.2.1 章節結構
1.2.2 “巖土力學”與“環境巖土工程”課程內容選學建議
1.3 大自然與工程中的非飽和土
1.3.1 水循環中的非飽和土
1.3.2 全球化的氣候因素
1.3.3 非飽和帶與土的形成
1.3.4 工程實踐中的非飽和土
1.4 含水量、孔隙壓力與應力的垂直分布
1.4.1 非餉和狀杰下的應力
1.4.2 飽和土含水量與應力的垂直分布：概念性圖示
1.4.3非飽和土含水量與應力的垂直分布：概念性圖示
1.4.4 應力分析方法
1.5 狀態變量、材料變量與本構定律
1.5.1 現象預測
1.5.2 狀態變量——水頭
1.5.3 狀態變量——有效應力
1.5.4 狀態變量——凈法向應力
1.6 土中水的吸力與勢能
1.6.1 土體總吸力
1.6.2 孔隙水勢能
1.6.3 土體吸力單位
1.6.4 吸力形式與土-水特征曲線
本章習題
第Ⅰ部分 基本原理
第2章 材料變量
2.1 氣體和水的物理性質
2.1.1 非飽和土的多相體系
2.1.2 干燥空氣的密度
2.1.3 水的密度
2.1.4 氣體和水的黏滯性
2.1.5 流動方式
2.2 分壓力與相對濕度
2.2.1 非飽和土力學中的相對濕度
2.2.2 氣體組分與分壓力
2.2.3 自由水與氣體的平衡
2.2.4 孔隙水與氣體的平衡
2.2.5 相對濕度
2.2.6 露點
2.3 潮濕氣體的密度
2.3.1 水蒸氣對空氣密度的影響
2.3.2 潮濕空氣密度公式
2.4 表面張力
2.4.1 表面張力的來源
2.4.2 穿過水-氣交界面產生的壓降
2.5 水的空化
2.5.1 空化與沸騰
2.5.2 靜態大氣壓力
2.5.3 空化壓力
本章習題
第3章 相界面平衡
3.1 氣體在水中的溶解度
3.1.1 亨利定律
3.1.2 溫度相關性
3.1.3 體積溶解系數
3.1.4 亨利定律常數與體積溶解系數
3.1.5 蒸汽作用的修正
3.1.6 質量溶解系數
3.2 氣體-水-固體交界面
3.2.1 兩個水滴之間的平衡
3.2.2 氣體-水-固體交界面的平衡
3.2.3 接觸角
3.2.4 非飽和土中的氣體-水-固體交界面
3.3 蒸汽壓降低效應
3.3.1 開爾文公式的意義
3.3.2 開爾文公式的推導
3.3.3 毛細冷凝
3.4 土-水特征曲線
3.4.1 土體吸力與土中水
3.4.2 毛細管模型
3.4.3 接觸球模型
3.4.4 小結
本章習題
第4章 毛細現象
4.1 楊-拉普拉斯方程
4.1.1 三維彎液面
4.1.2 毛細管的靜水平衡
4.2 毛細上升高度
4.2.1 管內毛細上升現象
4.2.2 毛細水帶模型
4.2.3 理想土的毛細上升現象
4.2.4 實際土的毛細上升現象
4.3 毛細上升速率
4.3.1 從飽和滲透系數推導的表達式
4.3.2 從非飽和滲透系數推導的表達式
4.3.3 試驗驗證
4.4 毛細孔徑分布
4.4.1 理論基礎
4.4.2 孔隙幾何形狀
4.4.3 孔徑分布計算步驟
4.5 吸應力
4.5.1 兩球狀顆粒之間的作用力
4.5.2 透鏡形水里的壓力
4.5.3 毛細作用產生的有效應力
4.5.4 有效應力參數與含水量的關系
本章習題
第Ⅱ部分 應力現象
第5章 應力狀態
5.1 非飽和土中的有效應力
5.1.1 宏觀力學概念
5.1.2 微觀力學概念
5.1.3 非零接觸角的兩球狀顆粒之間的應力
5.1.4 孔隙壓力狀態
5.2 滯后作用
5.2.1 滯后作用機理
5.2.2 “墨水瓶”滯后作用
5.2.3 接觸角滯后作用
5.2.4 土-水特征曲線中的滯后作用
5.2.5 有效應力參數的滯后作用
5.2.6 吸應力特征曲線的滯后作用
5.3 應力張量表示形式
5.3.1 凈法向應力、基質吸力與吸應力張量
5.3.2 非飽和土中的應力張量：概念性圖示
5.4 軸平移法的應力控制
5.4.1 軸平移法的基本原理
5.4.2 氣體-水-高進氣值材料系統的平衡
5.4.3 氣體-水-高進氣值材料-土體系統的平衡
5.4.4 高進氣值材料的特征曲線
5.4.5 應力變量控制試驗
5.5 應力圖解
5.5.1 凈法向應力與基質吸力的表示方式
5.5.2 有效應力的表示方式
本章習題
第6章 抗剪強度
6.1 擴展的莫爾-庫侖準則
6.1.1 飽和土的莫爾-庫侖準則
6.1.2 非飽和土抗剪強度的試驗觀察
6.1.3 擴展的莫爾-庫侖準則
6.1.4 用主應力表示的擴展莫爾-庫侖準則
6.2 擴展莫爾-庫侖準則的抗剪強度參數
6.2.1 三軸試驗結果分析
6.2.2 直剪試驗結果分析
6.3 有效應力與莫爾一庫侖準則
6.3.1 擴展莫爾一庫侖準則包線的非線性特征
6.3.2 有效應力方法
6.3.3 破壞狀態下X參數的測定
6.3.4 φb與Xf的協調
6.3.5 有效應力作為一個強度狀態變量的有效性
6.4 莫爾-庫侖準則中的抗剪強度參數
6.4.1 直剪試驗結果分析
6.4.2 三軸試驗結果分析
6.5 破壞包線的統一表達式
6.5.1 非飽和土中具特征作用的毛細黏聚力
6.5.2 毛細黏聚力值的確定
6.5.3 小結
本章習題
第7章 吸力與土壓力垂直分布
7.1 穩流狀態下吸力與含水量的垂直分布
7.1.1 非飽和土中的吸力狀態
7.1.2 基質吸力垂直分布的解析解
7.1.3 典型土類的水文參數
7.1.4 典型土類內基質吸力的垂直分布
7.1.5 典型土類內含水量的垂直分布
7.2 穩定流下有效應力參數與應力垂直分布
7.2.1 有效應力參數X的垂直分布
7.2.2 吸應力垂直分布及參數范疇
7.2.3 典型土類吸應力的垂直分布
7.2.4 小結
7.3 靜止土壓力
7.3.1 廣義胡克定律
7.3.2 靜止土壓力系數的垂直分布
7.3.3 張裂縫深度
7.4 主動土壓力
7.4.1 非飽和土莫爾一庫侖破壞準則
7.4.2 朗肯主動破壞狀態
7.4.3 吸應力為常量時的主動土壓力垂直分布
7.4.4 吸應力為變量時的主動土壓力垂直分布
7.4.5 具有張裂縫的主動土壓力垂直分布
7.5 被動土壓力
7.5.1 朗肯被動破壞狀態
7.5.2 吸應力為常量時的被動土壓力垂直分布
7.5.3 吸應力為變量時的被動土壓力垂直分布
7.5.4 小結
本章習題
第Ⅲ部分 流動現象
第8章 穩定流
8.1 水流與氣流的驅動機制
8.1.1 水流勢能
8.1.2 氣流機理
8.1.3 孔隙水流與孔隙氣流狀態
8.1.4 穩定水流定律
8.2 滲透率與滲透系數
8.2.1 滲透率與傳導率
8.2.2 大小、變化范圍與尺度效應
8.3 滲透系數函數
8.3.1 滲透系數函數的概念模型
8.3.2 滲透系數函數的滯后作用
8.3.3 相對傳導率
8.3.4 土體類型的影響
8.4 毛細隔離帶
8.4.1 自然與人工的毛細隔離帶
8.4.2 平坦毛細隔離帶
8.4.3 傾斜毛細隔離帶
8.5 穩定入滲與蒸發
8.5.1 水平入滲
8.5.2 垂直入滲與蒸發
8.6 穩定蒸汽流動
8.6.1 蒸汽流動的菲克定律
8.6.2 溫度與蒸汽壓的變化
8.6.3 蒸汽密度梯度
8.7 穩定氣體在水中的擴散
8.7.1 理論基礎
8.7.2 軸平移系統中的氣體擴散
本童習題
第9章 瞬態流
9.1 孔隙液體流動原理
9.1.1 質量守恒原理
9.1.2 瞬態飽和流
9.1.3 瞬態非飽和流
9.2 入滲率
9.2.1 瞬態水平入滲
9.2.2 瞬態垂直入滲
9.2.3 垂直入滲的瞬態含水量分布
9.3 瞬態吸力與含水量的垂直分布
9.3.1 瞬態吸力與含水量的重要性
9.3.2 瞬態非飽和流的解析解
9.3.3 瞬態非飽和流的數值模型
9.4 孔隙氣體流動原理
9.4.1 可壓縮氣體質量守恒原理
9.4.2 孔隙氣流的控制方程
9.4.3 氣流方程的線性化
9.4.4 大氣壓力的正弦波動
9.5 大氣壓泵作用分析
9.5.1 大氣壓泵作用
9.5.2 理論框架
9.5.3 時間序列分析
9.5.4 氣體滲透率的確定
本章習題
……
第Ⅳ部分 材料變量測量與模擬
參考資料
索引

2.1 氣體和水的物理性質
2.1.1 非飽和土的多相體系
非飽和土是一個由氣體、液體與固體組成的多相體系。氣體相通常指的是賦存于土體中未被液體填充的那部分孔隙空間內的氣體，其組成可以是任意類型的氣體、水蒸氣，或者是它們兩者的混合物。液體相是賦存于土體中未被氣體填充的那部分孔隙空間內的液體，其組成可以是任意的一種液體，也可以是任意的兩種或兩種以上相溶（或不相溶）液體的混合物（如水、油、非親濕相液體等）。固體相由土顆粒組成，囊括了從粉粒、黏粒、有機質等細粒物質到砂、礫等粗粒物質在內的各種物質。為研究方便起見，本書把非飽和土中的固、液、氣三相體分別假定為土體顆粒、水和氣體。但無論如何，我們都應清醒地認識到：這三相體系均不會是由單一的物質所組成的，它們都是混合物。例如，水蒸氣會溶解于孔隙氣體中，這會對非飽和土的物理性質以及特性起到重要的作用。同樣，溶解在孔隙水中的氣體和固體（如氣體的溶解、鹽的溶解）也會對非飽和土產生重要的影響。
非飽和土體系中的每一相物質都有其獨特的材料特性，并且不同相物質的材料特性差異很大。例如，空氣的密度大約是1kg／m3，而水的密度約是它的1000倍。很多特性，如水的表面張力，不僅僅是水相的特有性質，而且在各相物質間的相互作用中起到了重要的作用。表面張力對非飽和土中的液體流動、孔隙壓力以及應力狀態產生明確與深遠的影響。
很多非飽和土中物質相特征性的材料性質都取決于控制該土體系的狀態變量。重要的狀態變量有溫度、壓力、含水量、相對濕度以及應力等。例如，空氣的黏度會隨著溫度的升高而增加；相反，水的黏度卻隨溫度的升高而降低。為了準確描述與上述現象類似的材料性質，材料性質可用材料變量這個更加嚴謹的專業術語來表示。
材料變量可以劃分為兩種常見類型：物理性質和本構方程。本節將會對與空氣和水相關的物理性質進行描述，即密度與黏度。而其他的與非飽和土力學有關的物理性質，如水的表面張力、空氣在水中的溶解度和空氣中水蒸氣的密度等，將會在本章余下的幾節中予以系統性地介紹。非飽和土力學中一些重要的本構方程，如土一水特征曲線、水力傳導方程以及吸應力特征曲線等，將在后續章節中加以詳細論述。
2.1.2 干燥空氣的密度
空氣的密度可定義為單位體積空氣的質量。在大氣條件特別是溫度、壓力等發生變化的條件下，淺層非飽和土內的空氣密度也會發生很大的變化。局部或區域性的空氣密度的梯度為非飽和土中的孑L隙空氣流動提供了驅動力；這個驅動力也常成為近地表處土體內孔隙流體的蒸汽相運動的主要遷移機制；并且通過這個驅動力的作用引起孔隙空氣化學成分發生變化，促進了巖土化學反應。