土力学研究与探索

前言

第1章 相间力相互作用原理和土力学平衡微分方程

1.1 土体状态变量的定义及其连续性

1.1.1 连续介质的概念

1.1.2 土力学物理力学量的定义方法

1.2 土体应力

1.2.1 干土的土骨架应力

1.2.2 饱和土的土骨架应力

1.2.3 非饱和土的土骨架应力

1.3 相间力相互作用原理

1.4 土力学的平衡微分方程

1.4.1 孔隙流体引起的土骨架应力

1.4.2 饱和土体平衡微分方程

1.4.3 非饱和土体平衡微分方程

参考文献

第2章 土的有效应力原理

2.1 饱和土的土骨架应力方程

2.2 非饱和土的土骨架应力方程

2.3 关于有效应力原理的讨论

2.3.1 有效应力原理的正确表述

2.3.2 有效应力方法是否需要修正

2.3.3 A.W.Skempton的修正公式为什么不适当

2.3.4 土体体积变化或强度等效应力

2.3.5 非饱和土土骨架应力公式的正确性

2.4 含气泡饱和土的应力分析

2.4.1 含气泡饱和土的土骨架应力方程

2.4.2 封闭气泡的逸出条件

2.5 地表水入渗时孔隙气体的逸出条件

参考文献

第3章 达西定律与土的渗透系数

3.1 达西定律的导出与饱和土的渗透系数

3.2 非饱和土的渗透系数

3.2.1 非饱和土土骨架与孔隙水的相互作用力

3.2.2 非饱和土的导水系数

参考文献

第4章 三轴土样变形数字图像测量方法及其应用

4.1 三轴土样变形数字图像测量方法

4.1.1 第一代三轴土样变形数字图像测量系统

4.1.2 三轴土样变形测量的基本假定

4.2 第二代三轴土样变形数字图像测量系统

4.2.1 角点识别算法

4.2.2 测量系统组成

4.3 测量误差修正及精度检定

4.3.1 误差来源分析

4.3.2 图像测量的精度分析

4.4 土样表面位移(变形)场和应变场

4.4.1 曲面展开

4.4.2 环向应变场和轴向应变场

4.4.3 环向应变与径向应变关系

4.4.4 三轴土样全表面位移场和应变场

4.5 数字图像测量技术应用举例

4.5.1 三轴试验土样的端部影响问题研究

4.5.2 膜嵌入问题研究

4.5.3 基于数字图像测量的Duncan-Chang模型参数研究

4.5.4 三轴试验土样剪切破坏带研究

参考文献

第5章 土工结构滑动稳定分析的有限元极限平衡法

5.1 安全系数的定义

5.1.1 土体沿滑动面的极限平衡状态

5.1.2 滑动面上土体极限平衡的充分必要条件

5.1.3 滑动稳定安全系数的定义

5.1.4 关于安全系数的讨论

5.2 最危险滑动面搜索方法

5.2.1 稳定分析问题的数学表述

5.2.2 安全系数计算

5.2.3 最危险滑动面搜索

5.3 有限元极限平衡法应用举例

5.3.1 自重作用下边坡的稳定分析

5.3.2 存在软弱夹层边坡的稳定分析

5.3.3 极限承载力作用下边坡和地基的稳定分析

5.3.4 土钉支护基坑边坡的稳定分析

5.3.5 重力式挡土墙的稳定分析

5.3.6 基于确定性随机地震响应分析的有限元边坡稳定分析

5.4 三维滑动稳定分析

5.4.1 三维有限元极限平衡法的安全系数定义

5.4.2 滑动面搜索

5.4.3 应用举例

参考文献 2100433B

在土力学基本理论研究方面，提出了相介质力相互作用原理，由此导出土力学的基本平衡方程，说明和解释了土力学中最著名的有效应力原理和达西定律的物理意义，导出了非饱和土的有效应力表达式以及非饱和土导水系数的理论公式；为了研究工作的需要，主持研发了"三轴试验土样变形数字图像测量系统"，它对三轴试验条件下土的力学行为研究的作用和意义将会逐渐显现；在边坡稳定性分析方面，发展了基于有限元应力应变分析的岩土结构物稳定分析方法，阐明了安全系数定义的物理意义，提出了以曲线节点坐标为求解变量确定潜在滑裂面和相应安全系数的分析方法，并通过大量算例表明有限元极限平衡法可以成为土工结构稳定分析的通用方法。

《工程系统分析与探索研究论文集》从航天大系统的角度出发，对复杂工程系统开发的诸多方面的工作进行了系统分析与探索研究。全书共收录了已经公开发表的论文及报告36篇，按照所讨论问题的范围和性质分为总论、工程系统发展研究、导弹与航天系统总体设计、导弹与航天系统试验研究、武器装备采办技术管理、系统工程.钱学森科学思想研究、导弹与航天科技译文选等8个部分。适合航天专业的本科生、研究生和相关领域的工作者阅读。

第一部分 总论

对我国现代工程科学技术发展的思考

工程系统开发复杂性的讨论

中国导弹、航天事业五十年

对我国工程科技人才育用战略的思考

从源头上保护原始性创新

第二部分 工程系统发展研究

中国航天运载技术发展的决策思考

中国载人航天“飞船起步”的战略思考

武器装备发展战略研究的基本思路

武器装备发展研究的内涵、程序与方法

战略研究探索

发展研究的宏观谋划管理

第三部分 导弹与航天系统总体设计

弹道式导弹结构偏差特性的分析计算

推力线偏差的分析与测量

对改型设计的探讨

第四部分 导弹与航天系统试验研究

试验系统工程初探

弹道导弹的飞行试验程序与方法

弹道导弹的飞行试验与精度鉴定

弹道导弹的试验区

导弹与航天系统的研制

第五部分 武器装备采办技术管理

武器装备的开发过程与使用方的职责

对战略导弹研制决策程序的思考

完善战略导弹定型办法的研究

工程系统工程的决策

第六部 分系统工程

武器装备现代化建设与系统工程

航天系统工程

工程系统工程

第七部 分钱学森科学思想研究

钱老的风范

学习钱学森，沿着钱老开辟的现代科学技术体系探索研究的道路前进

钱学森与中国航天科技50年

钱学森系统科学的战略思考与科学实践

科学技术与国家发展需要理论与管理机制的创新

第八部分 导弹与航天科技译文选

利用卡尔曼滤波技术处理飞行试验数据

民兵导弹试验中的弹着点误差校正

结构不对称性对探空火箭飞行性能的影响

对火箭发动机启动时有时观测到的侧向力的研究

苏联在太平洋的火箭与导弹试验

后记2100433B

工程系统开发与管理的重要任务之一是适时地做出对工程开发与实施具有重要影响的技术决策，诸如工程系统发展与立项决策、工程开发最优总体方案的抉择，以及考虑周全、切实可行的工程系统生产计划、试验与鉴定计划、技术保障计划以及系统开发的风险管理计划的制订等。

工程开发决策是一个永攀高峰的系统分析与探索研究过程，涉及到工程系统开发工作的方方面面：包括制订工程发展战略与规划，进行工程立项研究与决策，采办方与研制方共同确定工程开发的总要求，筹划工程系统开发工作的优先保障序列，选择能够满足工程开发要求的总体设计、生产、试验和综合技术保障方案，以及决定工程开发是否可以转入下一个研制阶段等。工程开发的系统分析与探索研究工作是一项多学科、多工程专业的综合分析与研究过程，对于我国导弹与航天系统而言，通常称其为总体论证与总体设计工作。

在我国导弹与航天事业发展的50多年中，不乏工程系统分析与探索研究的范例。诸如20世纪50年代，在新中国刚刚建立，百业待兴，经济、科学和工业基础十分薄弱的条件下，通过对国家发展的背景与需求的系统分析，钱学森院士独具慧眼地提出优先发展我国“航空工业（实际为‘导弹与航天事业’）的建议书”，推动了我国航天事业的建立与发展；60年代，集众多航天领域专家、科学家的智慧，为探索、研究我国弹道导弹和运载火箭的发展途径，由谭忠愚研究员执笔写出著名的“8年4弹”发展规划的第一稿卜雨亭著，中国科学院院士——谢光选，金城出版社，2008.5，第61～62页，促进了我国第一代弹道导弹和运载火箭技术的发展；70年代，在我国运载火箭技术发展转型的关键时期，通过对我国运载火箭技术发展和建立较为独立、完整的运载火箭技术体系的需求分析，由火箭技术研究院总体部的科技人员首先提出发展我国高能上面级运载火箭的建议和技术方案，为独立自主地发射我国同步定点轨道卫星和形成今天的“长征3号运载火箭系列”奠定了基础；70年代到90年代初，在我国第一代洲际火箭长达20多年的发展和定型方案论证过程中，通过实事求是、科学的系统分析与探索研究工作，提出了一系列有创见的改进与定型试验方案，为领导正确决策提供了科学依据；90年代以来，经过一代航天人多方案、多技术途径的发展论证，我国“863”天地往返运输系统专家组首席科学家钱振业研究员等通过广泛、深入的调研与系统研究，明确地提出了我国载人航天应采取“飞船起步,平稳发展”的战略构想，把我国载人航天事业引入了正确的发展道路……钱振业、杨广耀等,中国载人航天发展战略,国务院发展研究中心国际技术经济研究所,1990.10，从“航空工业建议书”到我国载人航天“飞船起步,平稳发展”的战略构想的提出，我们应当站在国家发展战略的高度进行全面、实事求是的总结。

复杂工程开发的系统分析与探索研究工作是一项多学科、多工程专业的综合分析与研究过程，我们需要培养一大批能够对复杂工程问题进行系统分析与研究、从总体上思考并解决问题的人才，当前更需要出版一些既有一定理论高度，又有比较深厚实践基础的系统分析与探索研究的著述。本人自1964年4月到1989年12月，在运载火箭技术研究院总体部总体室工作，1989年12月在部队武器装备发展论证总体单位从事总体论证、总体设计和采办技术管理工作，有幸参与了我国多种型号导弹和航天系统的发展研究和开发过程的系统分析与探索研究工作。这里选择其中部分已经公开发表的系统分析和研究论文及报告，按照研究报告与论文所讨论问题的范围和性质分为8个部分，以“工程系统分析与探索研究”文集的形式出版。其中第一部分：总论——从工程大系统的角度、比较广阔的领域讨论了系统分析与探索研究的广泛问题；第二部分：工程系统发展研究——讨论了工程系统发展研究的职责、内容和基本方法；第三部分：导弹与航天系统总体设计——侧重于弹道导弹和运载火箭系统设计有关问题的分析和研究；第四部分：导弹与航天系统试验研究——重点讨论弹道导弹和运载火箭试验的程序和方法；第五部分：武器装备采办技术管理——从武器装备采办方的角度讨论工程系统开发过程中的系统分析与探索研究工作；第六部分：系统工程——收集了作者讨论系统工程有关的论文和研究报告；第七部分：钱学森科学思想研究——钱学森科学思想的核心内容之一是系统科学思想，这部分收集了作者研究钱学森科学思想的心得和体会；第八部分：导弹与航天科技译文选——收集了作者自1975年以来发表的有关美苏导弹与航天技术研究报告的译文。限于作者的工作经历和水平，本书只能是作者、包括与同事们从事工程系统分析与探索研究点滴收获的初步综合和概括，遗漏或不妥之处在所难免，请同行专家、学者不吝赐教。谢光选院士在百忙之中审阅了大部分书稿，第二炮兵装备研究院凌福根研究员审阅了全部书稿，他们提出了中肯、宝贵的修改意见。对他们的帮助、支持和鼓励，作者在此表示诚挚的谢意。

鉴于本书从航天大系统的角度出发，对复杂工程系统开发的系统分析与探索研究诸多方面的工作进行了讨论，内容比较丰富，对航天专业的本科生、研究生和相关领域的科技工作者也会有所裨益。如果本书的出版能为研究生层次的读者提供一些启示和帮助，将是作者的最大欣慰。

作者

2009年8月22日