土力学经过几十年的研究，虽然取得了丰硕的成果，但与其他力学学科相比，还没有建立起一套坚实的理论基础，各种概念和方法之间缺少有机的联系。热力学是从研究热和力等现象的关系中发展起来的宏观唯象学理论，和自然科学的其他学科相比，它具有一个非常显著的特点即普适性。土是一种复杂的多相多组分材料，用热力学方法研究土力学，能够提供更加普遍的、范围更大的用于建立本构方程的定理和方法。以热力学为基础，基于多相孔隙介质理论对非饱和土进行研究是一个具有挑战性的研究方向。
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序
前言
第1章 导言 1
1.1 热力学的发展 1
1.2 热力学在土力学中的应用 2
上篇 热力学基础理论
第2章 平衡态热力学基础 7
2.1 热力学系统与过程 7
2.1.1 系统与环境 7
2.1.2 系统的描述 9
2.1.3 准静态过程 9
2.1.4 可逆过程与不可逆过程 11
2.2 温度与热力学第零定律 12
2.3 能量守恒与热力学第一定律 13
2.3.1 功与热 13
2.3.2 内能 14
2.3.3 热力学第一定律 14
2.4 热力学第二定律与熵 15
2.4.1 热力学第二定律 15
2.4.2 熵 16
2.5 热力学的状态函数 17
2.5.1 焓 17
2.5.2 Helmholtz自由能 18
2.5.3 Gibbs自由能 18
2.5.4 Legendre变换 19
2.6 运动学基础 21
2.6.1 两种描述方法 21
2.6.2 速度 22
2.6.3 物质导数 23
2.7 平衡方程 23
2.7.1 一般方程 23
2.7.2 质量守恒方程 24
2.7.3 动量守恒方程 25
2.7.4 能量守恒方程 26
2.7.5 熵的守恒方程 27
2.8 本章小结 28
第3章 非平衡态热力学基础 29
3.1 热力学发展的三个阶段 29
3.2 线性非平衡态热力学理论 30
3.2.1 局部平衡假设 31
3.2.2 基本方程和熵增表达式 31
3.2.3 唯象定律 34
3.2.4 线性非平衡态热力学的应用 37
3.3 经典非平衡态热力学的发展 39
3.3.1 广延非平衡态热力学 39
3.3.2 理性热力学 40
3.3.3 内变量热力学 41
3.3.4 非线性非平衡态热力学与耗散结构 42
3.4 最大耗散率原理 43
3.4.1 耗散函数和耗散势 43
3.4.2 热力学极值定理 45
3.4.3 正交条件 49
3.5 本章小结 50
第4章 内变量热力学理论建立本构方程的基本思想 51
4.1 内变量热力学理论简介 51
4.1.1 内变量 51
4.1.2 局部伴随状态 54
4.1.3 热力学第二定律对本构方程的限制 55
4.2 弹性本构理论 56
4.3 屈服面的确定 58
4.3.1 广义耗散应力 58
4.3.2 耗散空间中的屈服面 59
4.3.3 真实应力空间中的屈服面 59
4.4 本构方程 60
4.5 内变量理论建立材料方程举例 62
4.5.1 算例1 62
4.5.2 算例2 63
4.6 本章小结 64
第5章 多孔介质理论 65
5.1 混合物理论 66
5.1.1 混合物理论的发展 66
5.1.2 复合混合物理论 69
5.2 平均化方法 71
5.2.1 表征体元 72
5.2.2 平均体积和平均面积 73
5.2.3 平均化算子 75
5.2.4 平均化定理 76
5.2.5 宏观量的获取 77
5.2.6 一般方程的平均化 77
5.3 多孔介质的宏观平衡方程 80
5.3.1 质量平衡方程 80
5.3.2 动量平衡方程 80
5.3.3 能量平衡方程 81
5.3.4 熵平衡方程 83
5.4 本章小结 84
下篇 理性土力学
第6章 土的基本方程 87
6.1 平衡方程 87
6.1.1 质量平衡方程 88
6.1.2 线动量平衡方程 89
6.1.3 能量平衡方程 89
6.1.4 熵平衡方程 90
6.2 本构假定 92
6.3 热动力学第二定律约束 94
6.4 平衡状态的限制 97
6.5 近平衡态过程 99
6.5.1 耦合理论框架的建立 99
6.5.2 线性假设 100
6.5.3 非线性关系 101
6.6 本章小结 103
第7章 土力学理论的热力学基础 104
7.1 非饱和土变形功的表达式 104
7.2 有效应力原理 108
7.2.1 饱和土的有效应力原理 108
7.2.2 非饱和土有效应力的发展 111
7.2.3 从功的表达式确定有效应力 115
7.2.4 平均土骨架应力的推导 117
7.2.5 非饱和土有效应力原理的讨论 124
7.3 土体弹塑性理论的热力学基础 127
7.3.1 土体的变形特性 128
7.3.2 经典塑性理论 128
7.3.3 土的弹性模型 132
7.3.4 应变增量与背应力 135
7.3.5 耗散势与屈服函数 137
7.3.6 硬化法则 140
7.3.7 流动法则与一致性条件 143
7.3.8 临界状态理论 146
7.4 土水特征曲线 150
7.4.1 土水特征曲线简介 150
7.4.2 热力学描述 152
7.4.3 土水特征曲线的边界面模型 153
7.5 本章小结 155
第8章 非饱和土多场耦合过程的数学模型 157
8.1 自由能函数和耗散函数的选取 157
8.1.1 自由能函数的选取 157
8.1.2 耗散函数的选取 160
8.2 考虑变形-渗流-传热耦合的非饱和土本构关系 163
8.2.1 描述变形的本构方程 163
8.2.2 描述系统熵变化的本构方程 164
8.2.3 描述渗流的本构方程 165
8.2.4 描述热传导的本构方程 166
8.2.5 描述流-固界面动力相容条件的本构方程 166
8.3 闭合的场方程系统 166
8.3.1 质量守恒方程 166
8.3.2 动量守恒方程——固相力学平衡方程 168
8.3.3 能量守恒方程——热传导方程 168
8.4 本章小结 169
第9章 土体本构模型的框架 170
9.1 热力学方法建模的基本思想 170
9.2 应力状态变量的选择 171
9.3 弹性增量关系 172
9.3.1 固相 172
9.3.2 液相 173
9.3.3 气相 173
9.3.4 弹性方程 174
9.4 耗散势与屈服面 174
9.4.1 耗散势函数 174
9.4.2 屈服面方程 175
9.4.3 线性化 176
9.5 本构方程 177
9.5.1 固相的本构方程 177
9.5.2 液相的本构方程 179
9.5.3 气相的本构方程 181
9.6 非饱和土增量本构方程 182
9.7 本章小结 183
第10章 非饱和土本构模型 185
10.1 非饱和土本构模型发展 185
10.1.1 基于净应力和基质吸力建立的弹塑性模型 185
10.1.2 基于Bishop应力和基质吸力建立的弹塑性模型 186
10.1.3 热力学和多孔介质理论在本构建模中的应用 188
10.2 水力-力学耦合弹塑性模型 189
10.2.1 本构模型建立 189
10.2.2 土水特征曲线的改进 195
10.2.3 数值求解 197
10.3 高饱和度非饱和土模型 205
10.3.1 高饱和度土体变形特性 206
10.3.2 硬化方程 208
10.3.3 增量本构方程 209
10.3.4 高饱和度模型预测 210
10.4 热-水-力耦合弹塑性本构模型 212
10.4.1 弹性增量关系 213
10.4.2 屈服面与硬化方程 214
10.4.3 增量本构方程 215
10.5 本章小结 217
参考文献 218
附录1 符号表 230
附录2 代表性研究成果 235
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