土性研究的歷史(黨進謙)

1、黨進謙水利與建筑工程學院,西北農(nóng)林科技大學,土性研究歷史,土性研究的歷史,一、研究名人簡介二、有關圖片資料三、土性研究的歷史 1. 探索階段 2. 土力學學科發(fā)展,一 名人簡介—Coulomb,庫侖(1736～1806)：法國科學院院士，被稱為“土力學之始祖” 。1773年提出了土的抗剪強度準則（即庫侖定律）；首次提出了主動土壓力和被動土壓力的概念及其計算方法。,一 名人簡介—Darcy,達西(180

2、3～1858): 1839 ～ 1840 年設計和主持建造了家鄉(xiāng)的供水系統(tǒng)。于1856年發(fā)表了他對孔隙介質中水流的研究成果，即著名的達西定律。,一 名人簡介—Rankine,朗肯(1820~1872):在熱力學 、流體力學 及土力學等領域均有杰出的貢獻。建立了至今仍在廣泛應用土壓力理論。,一 名人簡介—Mohr,摩爾(1835-1918):一直在進行力學和材料強度方面的理論研究工作。提出了用應力圓表示一點應力的方法，并將其擴展到三維問題

3、。,一 名人簡介—Boussinesq,布辛奈斯克(1842~ 1929): 一生對數(shù)學物理中的所有分支（除電磁學外）都有重要的貢獻。在彈性理論方面的研究亦取得顯著成就.,一 名人簡介—Terzaghi,太沙基(1883 - 1963):被譽為土力學之父。他最大的貢獻是向人們展示了用理論解決工程問題的方法。 1925年他的《土力學》問世，介紹了他所提出的固結理論以及土壓力、承載力、穩(wěn)定性分析等理論，標志著土力學這門學科的誕生。1943年

4、他還出版了“理論土力學”。,一 名人簡介—Taylor,泰勒(1900-1955): 在粘性土的固結問題、抗剪強度、砂土剪脹及土坡穩(wěn)定等領域均有不少建樹。他編寫的《土力學基本原理》，是一部經(jīng)典的土力學教科書。,一 名人簡介—Casagrande,卡薩格蘭德(1902~ 1981)：對土力學有很大的貢獻和影響，如在土的分類、土坡的滲流、抗剪強度、砂土液化等方面的研究成果，粘性土分類的塑性圖中的“A 線”即是以他姓命名的。,一 名人簡介—P

5、eck,派克 (1912~ )：為土力學及基礎工程的發(fā)展作出了重要的貢獻。他將土力學應用在土工結構的設計、施工建造和評估中，并努力將研究成果表述為工程師容易接受的形式。,一 名人簡介—Skempton,斯肯普頓 (1914~2001)：對有效應力、粘土中的孔隙水壓、地基承載力、邊坡穩(wěn)定性等問題的研究作出了突出的貢獻，具有從復雜的問題中提取出重要而關鍵部分的杰出本領，創(chuàng)立并領導的倫敦帝國大學土力學研究中心是國際頂尖的土力學研究中心。

6、,一 名人簡介—Roscoe,羅斯克(1914~1970):設計的剪切儀成為土力學平面剪切儀的先驅；提出了確定土體臨界狀態(tài)時孔隙比的方法；提出的劍橋模型創(chuàng)建了臨界狀態(tài)土力學，為現(xiàn)代土力學的誕生和發(fā)展作出了重要貢獻。,一 名人簡介—Bjerrum,布耶魯 (1918~ 1973):研究內(nèi)容主要包括抗剪強度機理、靈敏土的特性和邊坡穩(wěn)定等方面。,一 名人簡介—Sowers,叟爾斯 (1921~1996):將巖土工程及工程地質的實踐及研究與教育

7、完美結合。他被稱為工程師的工程師。編寫的《土力學及基礎工程》教材被美國國內(nèi)高校廣為采用。,一 名人簡介—Leonards,利昂納茲 (1921~1997)：在壓實粘土的強度及壓縮性、軟土的強度和固結、土壩開裂、凍土行為、邊坡穩(wěn)定、軟土上筑堤、砂土液化、樁基礎、巖土工程事故調查方法學等方面都有開創(chuàng)性的研究工作。,一 名人簡介—Vesic,魏錫克 (1924-1982)：主要從事基礎的破壞研究。論證了無粘性土地基的破壞方式不僅與其相對密度有

8、關，還與基礎的相對埋深有關；闡明了地基的整體剪切破壞、局部剪切破壞以及沖切破壞形式；對地下核爆炸引起的地表沉陷問題進行了理論推導；對土在高壓作用下的表現(xiàn)進行了小比例的試驗。他是在研究破壞時考慮土的壓縮性的第一人，并引入了相應的剛性系數(shù)指標。還澄清了筏板基礎下基底反力分布中的許多問題。,一 名人簡介—Janbu,簡布：在土的壓縮性研究、邊坡穩(wěn)定性等方面為土力學的發(fā)展作出了杰出的貢獻。人們對Janbu的評價是：半個世紀以來，他都是巖土工程領

9、域前進的推動力。,一 名人簡介—黃文熙,黃文熙：中國科學院院士，水工結構和巖土工程專家，我國土力學學科的奠基人之一，新中國水利水電科學研究事業(yè)的開拓者。他在國內(nèi)第一個開設土力學課程，建立了國內(nèi)大學中的第一個土工實驗室。,一 名人簡介—王思敬,王思敬：中國工程院院士。我國著名的工程地質、環(huán)境地質和巖體力學專家。長期致力于水電、礦山、國防和環(huán)境工程等方面的科研生產(chǎn)工作。,一 名人簡介 潘家錚,潘家錚：中國科學院院士、工程院院士。曾

10、主持和指導新安江、葛洲壩、鳳灘、龍羊峽、安康、二灘、龍灘、三峽等大型水電工程的設計工作。主要致力于運用力學理論解決實際設計問題，對許多復雜的結構如地下結構、地基梁與框架、土石壩的心墻、斜墻、調壓井襯砌、岔管和法蘭等，應用結構理論、彈性理論或板殼理論，或運用特殊函數(shù)，提出了新的計算理論或方法。,一 名人簡介—孫鈞,孫鈞：中國科學院院士。工程力學家，隧道與地下結構工程專家。長期從事地下建筑工程專業(yè)教學，進行地下結構理論研究，對發(fā)展地下結構流

11、變力學、粘彈塑性理論和防護工程抗爆動力學等學科有重大貢獻。創(chuàng)建高校第一所地下建筑工程專業(yè)。,一 名人簡介—茅以升,茅以升：中國科學院院士，土木工程學家、橋梁專家、工程教育家。中國近代橋梁事業(yè)的先驅，中國土力學的開拓者。為我國培養(yǎng)了一大批科學技術人才，是我國工程學術團體的創(chuàng)建人之一。本世紀３０年代，他主持設計并組織修建的錢塘江公路鐵路兩用大橋，成為中國鐵路橋梁史上的一個里程碑。,一 名人簡介—盧肇鈞,盧肇鈞：中國科學院院士。土力學家，我國

12、鐵路路基土工技術的開拓者，對我國土力學及基礎工程學科發(fā)展作出了重要貢獻。長期從事土的基本性質及特殊土地區(qū)筑路技術的研究。在我國最早闡明了硫酸鹽漬土的松脹特性及其對路基穩(wěn)定性的影響；提出了新型錨定板擋土結構及其,相應的計算理論；首先獲得了膨脹土強度變化的規(guī)律。,一 名人簡介—沈珠江,沈珠江：中國科學院院士。土力學專家。長期從事土力學理論及其在工程實踐中的應用研究，提出土體極限分析理論，證明了兩個極限原理。在土的彈塑性理論研究上，提出了多重

13、屈服面概念，建立了新型的實用的土體彈塑性本構模型；,建立了非飽和土固結理論的基本框架，提出了建立現(xiàn)代土力學的設想。,一 名人簡介—周鏡,周鏡：中國科學院院士。巖土工程專家。長期從事鐵路路基建設和科研工作。提出了按黃土結構力學性質確定邊坡的理論，第二破裂面計算衡重式擋土墻壓力的原理和判別墻后滑動面出現(xiàn)范圍的公式；最早采用樁排架支擋、短密砂井,和生石灰樁處理軟土路基取得成功；提出了靜力觸探確定樁承載力的綜合修正系數(shù)法，解決了靜力觸探應用中的

14、技術問題，,一 名人簡介—錢七虎,錢七虎：中國工程院院士。防護工程及地下工程專家。長期從事防護工程設計計算理論教學與研究工作，為發(fā)展我國的防護工程學科和防護工程建設事業(yè)作出重要貢獻。,一 名人簡介—林學鈺,林學鈺：中國科學院院士。著名的水文地質和環(huán)境地質學家。從事地下水管理模型的理論與方法研究，在區(qū)域和城市地下水資源評價、水流模擬、預報研究方面取得多項成果, 并建立了我國最早的一批地下水水質模型。,一 名人簡介—陳夢熊,陳夢熊：中國科學

15、院院士。水文地質學家。是我國水文地質事業(yè)主要創(chuàng)始人之一，組織和完成全國區(qū)域水文地質普查，創(chuàng)立具有我國特色的水文地質圖編圖方法，,一 名人簡介—黃熙齡,黃熙齡：中國工程院院士。巖土工程專家。從事地基計算、處理、土的性質與基礎工程等研究。1960年研究試制旁壓儀，測試土的變形模量，提出在側限條件下土的橫向變形及變形模量計算公式。,1962年，研究軟土工區(qū)房屋大量下沉開裂的問題，總結出《軟土地基設計施工主要問題及其經(jīng)驗》，解決了房屋開裂問題。

16、,一 名人簡介—劉寶琛,劉寶?。褐袊こ淘涸菏俊Ｊ菄鴥?nèi)外知名的巖石力學專家，長期致力采礦、巖土工程研究，主要從事煤礦巖層及地表移動研究。是我國隨機介質理論的奠基人。,二 圖片資料—地基沉降,意大利比薩斜塔：自1173年9月8日動工，因塔明顯傾斜而2次停工。至1370年竣工，前后近200年。 由于地基不均勻下沉，塔向南傾斜，南北兩端沉降差1.8m，塔頂離中心線5.27m，傾斜5.5°,成為危險建筑。,二 圖片資料—地基沉

17、降,墨西哥粘土是一種高壓縮性土，墨西哥城因過渡抽取地下水，導致地基沉降，1891~1973年,整個老城下沉8.7m。圖示圣母教堂，因地表不均勻下沉使其發(fā)生嚴重傾斜。,二 圖片資料—地基沉降,墨西哥城的一幢建筑，可清晰地看見其發(fā)生的沉降及不均勻沉降。,二 圖片資料—地基沉降,蘇州虎丘塔，建于公元959～961年。地基土層由上至下依次為雜填土、塊石填土、亞粘土夾塊石、風化巖石、基巖等，由于地基土壓縮層厚度不均及磚砌體偏心受壓等原因，造成該

18、塔向東北方向傾斜。,二 圖片資料—地基沉降,加拿大Transcona谷倉，基礎為鋼筋混凝土筏板基礎，1913年秋完成。9月裝谷物，至31822m3時，發(fā)現(xiàn),谷倉1小時內(nèi)豎向沉降達30.5cm，并向西傾斜， 24 小時后傾倒，西側下陷 7.32m ，東側抬高 1.52m ，后用 388 個 50T 千斤頂糾正后繼續(xù)使用，但位置較原先下降 4m 。事故的原因是地基因超載而發(fā)生強度破壞 。,二 圖片資料—地基沉降,加拿大某農(nóng)場容量為2500t

19、的飼料筒倉，建于粘土地基。在首次使用時，由于裝填過快，地基土層無法充分固結，至使地基發(fā)生破壞。,二 圖片資料—地基沉降,農(nóng)場用來儲存飼料的筒倉，由于兩筒之間的距離過近，在地基中產(chǎn)生的應力發(fā)生疊加，使得兩筒之間地基土層的應力水平較高，從而導致內(nèi)側沉降大于外側沉降，倉筒向內(nèi)傾斜。,二 圖片資料—大壩破壞,Teton 大壩位于美國愛達荷州，高 93m 的土壩。,二 圖片資料—大壩破壞,二 圖片資料—滑坡,1996 年發(fā)生在美國加州的 La C

20、onchita滑坡，未造成人員傷亡。,二 圖片資料—滑坡,2001年1月13日，薩爾瓦多發(fā)生了里氏7.6級的強震，在Santa Tecla造成山體滑坡，最終導致700多人遇難。,二 圖片資料—滑坡,云南徐村水電站溢洪道土坡滑坡,二 圖片資料—滑坡,江岸崩塌滑坡,二 圖片資料—滑坡,江西省江新洲洲頭北側蹋岸,二 圖片資料—滑坡,漫灣滑坡,1989年1月8日 坡高103m,二 圖片資料—滑坡,香港港島1972 滑坡 (~ 20,000

21、m3)(67 死、20 傷),二 圖片資料—地震引起的砂土液化,1964年6月16日日本新瀉發(fā)生7.5級地震，因地基土發(fā)生液化所造成的破壞。,二 圖片資料—地震引起的砂土液化,1995年1月17日發(fā)生在神戶的里氏7.2級地震造成的橋梁地基及結構的破壞。,二 圖片資料—土的生成(物理風化),二 圖片資料—土的生成(物理風化),二 圖片資料—土的生成(物理風化),二 圖片資料—土的生成(物理風化),二 圖片資料—土粒,二 圖片資料—土粒

22、,砂粒,二 圖片資料—土粒,二 圖片資料—土粒,二 圖片資料 —土粒,二 圖片資料—土層分布,二 圖片資料—特殊土,三 土性研究歷史,早期對土的性質的認識和理解，從工程角度看，可以分成四個時期：（1）前古典期 即18世紀，其代表是基于“天然坡度”及填土重度的經(jīng)驗土壓力理論。,1. 早期認識,（2）古典土力學的第一階段 從大約1800年人們普遍接受庫倫(Coloumb)的研究成果到1862年朗肯(Ranki

23、ne)的著作的出版為止。其特點是：假設c=0，同時認為φ是松散填方的天然坡度；從19世紀30年代開始，φ又被認為是開挖粘土的長期穩(wěn)定表面坡度。庫林(Collin,1864)單獨把粘聚力看做是粘土在破壞瞬間的強度。,（3）古典土力學的第二階段 其特征是：一系列對砂土的重要實驗研究：從達西(Darcy,1856)在印度對管涌和過濾的實驗開始，其后，達爾文(Darwin)和布辛奈斯克(Boussinesq)(1883)通過土壓力實驗

24、及分析，得出φ是土的摩擦角的定義(天然坡度是其特例)，并且 歐斯伯恩·雷諾德 (Osborne Renold)在1886年論證了剪脹性和負孔隙壓力。,（4）現(xiàn)代土力學的第一階段（1911～1927） 該階段對粘土性質的認識有了重大突破，其中最重要的是太沙基(Terzaghi)的有效應力原理；分類試驗（艾特伯格Atterberg，1910），第一次實際的剪切盒實驗及對它的應用（貝爾Bell， 1915），費倫紐斯(Fell

25、enius)和他的瑞典同事進行的滑動圓弧分析和強度實驗（1916～1926），以及太沙基(Terzaghi)對固結抗剪強度的基礎性研究（1921～1927）。,1. H. Gautier (H.戈蒂葉,1717)：關于土體重度和天然坡度研究 戈蒂葉提出，填土可以分為三類：砂、普通土和粘土。這些土有不同的重度而且以不同的坡度保持穩(wěn)定，而這又與顆粒的圓度和咬合作用相關。通過測定戈蒂葉得出填土在傾斜成堆時的穩(wěn)定角度（后來的作者稱為自然

26、坡角）和重度為：,研究歷史—前古典期,,,,,,,,,,,戈蒂葉沒有對粘土進行試驗，但他認為粘土產(chǎn)生的水平力比砂土和填土小，這是因為粘土具有較高的強度。,研究歷史—前古典期,,2. B.F.Belidor(B.F.貝利多爾,1729)：土壓力與地基土分類研究,,貝利多爾在戈蒂葉的基礎上提出了土壓力理論：如果沒有擋土墻支撐，回填土形成的邊坡坡度不可能比天然坡度更陡；并得到砂土填料將產(chǎn)生較高的壓力而壓實粘土則較小。,研究歷史—前古典期,圖中

27、的BC平面代表了填土的自然邊坡。填土面水平的楔形體ABC產(chǎn)生的水平推力：在BC面上沒有摩擦力時，等于楔形體的重量；考慮土的強度影響，實際產(chǎn)生的水平推力為其重量的一半。因此貝利多爾假定：對于具有平坦表面的填土，其作用于,垂直擋土墻的推力為：,研究歷史—前古典期,貝利多爾將地基土劃分為： 巖石：因其難以開挖很容易識別。 砂：①硬砂，帶尖的鐵棒刺穿困難，屬良好的地基；②可壓縮砂，鐵棒易刺穿，作為地基使用應多加小心。 土

28、：①普通土在干旱地區(qū)作為地基；②軟土，一般主要由低強度的粉土組成，在其上修筑基礎應極度謹慎；③粘土，當堅硬均勻時是良好的地基；④泥炭，不能為基礎提供足夠的強度。,研究歷史—前古典期,3.F.Gadroy(F.蓋德羅伊,1746): 土壓力研究,蓋德羅伊1746年撰文第一次明確提出滑動面的存在而且第一次給出了模型試驗的結果：填土破壞時其頂部出現(xiàn)裂縫，裂縫位于墻后大約1/2墻高處，裂縫延伸至墻趾形成一個破裂面。于是楔形體沿,,與水平面成64

29、°的平面滑動，墻后填土產(chǎn)生破壞。,研究歷史—前古典期,蓋德羅伊繼續(xù)進行模型試驗研究，他在一個開口的箱子里面裝滿干砂，箱子一端設置了鉸接“墻”。在試驗中，當墻傾倒時，墻后填土表面出現(xiàn)裂縫，裂縫位置在墻后大約2/3墻高處。因此滑動面傾角大約是57°，與之相對，砂的天然坡度多次測量均為31°左右。　　這個結果是與已知理論相矛盾的，在當時肯定令人困惑。蓋德羅伊對此也無能為力，而模型試驗的尺寸太小也不能使懷疑者信服

30、。,研究歷史—前古典期,4. J.R.Perronet(J.R.佩羅內(nèi),1769)：邊坡穩(wěn)定分析,佩羅內(nèi)認為邊坡失穩(wěn)主要由于水的滲入而使粘聚力減小，導致滑動和邊坡坡度的減小。對于粘土，水主要通過旱季形成的裂縫滲透進去。 因開挖時間較長而已失去大部分粘聚力的泥土或只有更低粘聚力的新鮮土填筑形成的邊坡穩(wěn)定坡度：最大可達到35°或36°，最軟的土僅30°。在完整的地層中，砂土的穩(wěn)定坡度為30°左

31、右。礫石或碎石大約為40°～45°，濕土約為18°或更低。,研究歷史—前古典期,佩羅內(nèi)繼續(xù)研究滑動時的摩擦阻力。他指出摩擦角在壓力增大時會減小，而且摩擦角的大小很大程度上取決于接觸面的不規(guī)則性和粗糙程度。通過試驗，佩羅內(nèi)發(fā)現(xiàn)，將不同粒徑的碎石放置在粗糙的木板上，只有當傾角達到39°或40°時才會發(fā)生滑動，與之相對，磨光的材料放在光滑的平面上，只要18.5°的坡度時就能發(fā)生滑動。

32、,研究歷史—前古典期,研究歷史—前古典期,佩羅內(nèi)將天然坡度與摩擦角等同，或至少將二者相互聯(lián)系起來。觀察表明，粘土邊坡（一般高度）開挖時幾乎可以保持直立狀態(tài)，但該狀態(tài)能否長久保持，卻沒有定論。佩羅內(nèi)暗示粘聚力隨著水從裂隙的滲入將會最終減小，邊坡的長期穩(wěn)定主要取決于摩擦。,5. C.A.Coulomb(C.A.庫倫,1773):極大極小原理在建筑靜力學中的應用,庫倫發(fā)表的《極大極小原理在建筑靜力學中的應用》論文奠定了古典土力學的基礎，其主要

33、內(nèi)容為： ①面積為a法向力為N的平面上的抗剪強度S可以表述為：s=c·a+N·f 式中，c為單位面積的粘聚力，f為內(nèi)摩擦系數(shù)。,研究歷史—從Coulomb到Rankine,②破壞發(fā)生在土樣強度最小或使擋土墻上側向壓力最大的臨界滑動面上。 ③橫斷面為A的柱體的破壞軸向力為：,,其中破裂面與水平面的夾角為α,,④對于只有粘聚力的材料(f=0),,,且,研究歷史—從Coulomb到Rankine,⑤高度為H的擋土

34、墻，墻后土體的滑動面一般為曲面，為了簡化視為平面。推力最大時，臨界滑動面的傾角為α，該滑動面上楔形土體產(chǎn)生的推力為：,⑥墻頂下深度Z處作用于擋土墻上的單位壓力為:,⑦α不是前述理論所指的填土邊坡的天然坡度，它僅取決于摩擦系數(shù)。,研究歷史—從Coulomb到Rankine,⑧無支撐垂直邊坡的臨界高度為：,,⑨前面推導假定推力Pa是水平的(對垂直墻背而言)。一般來說，由于墻背與土體的摩擦作用，推力存在一個傾角δ。當c=0時，其Pa的計算公式

35、為：,⑩如果c=0，則天然坡度為arctanf。,研究歷史—從Coulomb到Rankine,6. G.C.M.R.Prony(G.C.M.R.普魯內(nèi),1802)：對庫倫理論的接受,普魯內(nèi)在1802年為工藝學校和道橋學校編寫的教材使用了與庫倫相同的表示法，標志著庫倫理論在法國被廣泛接受。在該教材中普魯內(nèi)認為粘聚力可以通過以下方法確定，首先測定天然坡度(為給出φ)，然后找出可以垂直開挖的高度(在裂縫出現(xiàn)以前)，無論是完整土層還是填土。如果

36、容重已知，則可根據(jù)庫倫公式確定c值：,,研究歷史—從Coulomb到Rankine,7.J.F.Francais(J.F.弗朗凱斯,1820):粘性填土的臨界高度,弗朗凱斯將庫倫分析擴展于粘性填土傾斜墻背的主動土壓力,推導出了傾角為β 的無支撐粘土邊坡的臨界高度為：,,式中：Hc為垂直開挖的庫倫臨界高度。因此,,研究歷史—從Coulomb到Rankine,8. C.L.M.H.Navier(C.L.M.H.奈維爾,1833)：完整土層中

37、邊坡長期c=0的假設,在未擾動(原始)狀態(tài)下，大多數(shù)土具有一定的粘聚力，因而可以垂直開挖而不出現(xiàn)裂縫，如碎屑土可以開挖1m～2m，而粘土則為3m～4m。但是，奈維爾指出，在天然狀態(tài)下的土被開挖，邊坡暴露在空氣中，經(jīng)歷雨旱交替，或經(jīng)受嚴寒作用，土的性質會改變。另外，隨著時間的推移，該邊坡逐漸接近粘聚力為零的原始邊坡,研究歷史—從Coulomb到Rankine,即風化作用將逐漸減小邊坡的坡度，使其等于或接近零粘聚力土的天然坡度。這就是完整土

38、層中邊坡長期c=0的假設。 然而，奈維爾對此既沒有給出具體的數(shù)據(jù)，也沒有建議在擋土墻的設計中c值應該取為零。相反，奈維爾認為粘土如果能被水滲入，粘土的膨脹性將會導致其土壓力與同容重的液體相同，即Ka＝1。,研究歷史—從Coulomb到Rankine,研究歷史—從Coulomb到Rankine,9. C.V.Poncelet(C.V.龐斯列1840)：土壓力計算,龐斯列將直線型楔形體理論應用于一般情形：擋土墻傾斜、填土表面傾斜而且

39、墻背存在摩擦，求得到主動土壓力和被動土壓力的正確解。 龐斯列引入符號φ 來表示摩擦角，而且可以通過測定松散填土的天然坡度來確定?；靥钔恋恼尘哿σ话憧梢院雎?，而且在任何情況,下，利用假定c=0時計算出的主動土壓力所得到的墻厚都不大于經(jīng)驗值。但更普遍地，龐斯列認同c=0假設的理由是：在土已發(fā)生破壞地那一刻，粘聚力將不再存在，—也許粘土是個例外。這個新奇地概念相當于假定強度從峰值瞬時下降到臨界狀態(tài)，伴隨著輕微的漸進性破壞，最終

40、將導致整個滑動面上的粘聚力為零。,研究歷史—從Coulomb到Rankine,10. C.W.Hope（C.W.侯普,1845)：擋墻上土壓力試驗,研究歷史—從Coulomb到Rankine,侯普同時對土壓力的水平分量和垂直分量進行了測量，從而可以直接確定擋土墻的摩擦系數(shù)tanδ。該擋土墻墻高12ins，木制，墻背光滑或粗糙，填土為松散干砂，其天然坡度為35°。測試結果與庫倫楔形體理論吻合較好，說明墻背摩擦不能被忽略。,研究歷

41、史—從Coulomb到Rankine,考慮到試驗的箱子只有12ins寬，所測的土壓力并不符合嚴格意義上的二維（平面）問題的假定。如果設定允許誤差為5％，粗糙墻背的試驗結論十分符合庫倫理論，而光滑墻背的結果大約存在8％的差值。,研究歷史—從Coulomb到Rankine,11. A.Collin (A.庫林,1846)：粘土突發(fā)性滑坡的試驗研究,庫林對相當數(shù)量的路塹、路堤或路壩的粘土邊坡的深層滑動做了詳細的描述。在一些實例中，庫林提供了滑

42、動面的剖面：剖面一般是光滑的，有條痕，斷面呈圓弧狀。雖然沒有排除前期剪切的可能性，但他堅持認為滑動面是破壞形成的。,研究歷史—從Coulomb到Rankine,在所有的實例中，庫林認為，破壞之所以發(fā)生是因為現(xiàn)存的粘聚力剛剛超過限值。破壞可能在施工期間發(fā)生，也可能在以后幾年內(nèi)發(fā)生，這是水滲入開挖邊坡或壓實不好的填土使得粘聚力降低的結果。破壞后，粘聚力喪失，摩擦單獨發(fā)生作用。由于含水率的增大，摩擦也會降低。,研究歷史—從Coulomb到Ra

43、nkine,為了研究含水率變化產(chǎn)生的影響，庫林利用剪切試驗來測量粘聚力。用軟土和壓實良好的粘土的試驗結果與已有滑坡的反分析（利用泰勒分析方法）結果的一致性很好。庫林很關注補救性措施，特別是扶壁：在滑動面以下石砌溝渠，既可以用作深排水溝，也可作為內(nèi)扶壁。此后，該方法在英國和法國得到了廣泛的應用。,研究歷史—從Coulomb到Rankine,12. Rankine(朗肯,1862)：《土木工程手冊》,在該手冊中朗肯認為土坡對滑動的抵抗力一部

44、分來自顆粒之間的摩擦，另一部分則來自土的粘聚力。但在空氣和濕氣，特別是霜凍和凍融交替作用下，粘聚力會逐漸喪失，因此摩擦就成為永久邊坡穩(wěn)定唯一可靠的因素。由粘聚力產(chǎn)生的臨時性穩(wěn)定是有益的，它可以維持開挖垂直邊坡的暫時穩(wěn)定。,研究歷史—從Coulomb到Rankine,但僅由摩擦產(chǎn)生的永久穩(wěn)定已經(jīng)足夠保持開挖或填筑邊坡的穩(wěn)定，邊坡的傾角為休止角φ，即tanφ＝f，稱之為天然坡度。φ的取值范圍從濕粘土的14°～17°到礫石

45、的＞35°，最常用的土坡坡度為1.5:1或2:1。 當巖石堅硬而堅固時，其粘聚力的持久性可以得到保證，因此可以垂直或近似垂直開挖。含泥頁巖應謹慎對待，無論初次開挖時它有多硬，遇水后都可能軟化。,研究歷史—從Coulomb到Rankine,該手冊中朗肯給出了各種土φ和γ的取值范圍,研究歷史—從Coulomb到Rankine,在擋土墻設計中，朗肯對于無粘性土應用了他的應力場理論，推導出熟悉的公式,,,研究歷史—從Coulo

46、mb到Rankine,朗肯認為存在一個綜合考慮摩擦作用和粘聚作用的理論，但缺少精確的試驗數(shù)據(jù)。該理論在原理上解釋了粘土邊坡大角度開挖的臨時穩(wěn)定性。對于粘土邊坡，粘聚力的長期損失會有多大則沒有討論，但很明確的暗示在設計永久性工程時應該考慮條件c=0。,研究歷史—從Coulomb到Rankine,朗肯以著名的倫敦至伯明翰鐵路擋土墻為例。墻的凈高20英尺，修建于1836年，位于一個無支護坡度不大于63°的挖方邊坡之前。開始墻體承受很

47、小的土壓力，但粘聚力隨著時間流失以至于6年后墻體向前傾伏，不得不采用高架鐵柱來加固。因此，擋土墻背后的粘土確實發(fā)生了軟化過程，邊坡也一樣?；A底下的粘土可能不會出現(xiàn)這種情況。,研究歷史—砂土試驗,13. H.P.G.Darcy(H.P.G.達西,1856)：滲透規(guī)律,達西測量和定義了砂的滲透性。通過試驗改變水頭差△h和砂柱的高度L，在試驗精度內(nèi)，得出水流過砂的速度總是與水頭梯度成正比。即：,,式中：k對砂而言是常數(shù)，定義為滲透系數(shù)。,研

48、究歷史—砂土試驗,達西也嘗試讓水在重力作用下滲透，因此砂頂面以上的水面深度將會隨著時間而下降，并得到：,,研究歷史—砂土試驗,14. G.H.Darwin(G.H.達爾文,1883)：砂土的水平推力,達爾文量測了不同墻高、不同松密程度的砂，破壞時作用在鉸接的墻上的傾覆力矩。結果表明：力矩的變化與H/3成正比，因而可假定壓力作用點在底面以上H/3處，在給定試驗條件下，可算得系數(shù)Ka、cosδ。 一個明顯的結論是松砂作用于墻上的水平

49、推力比密實的砂要大35％。,研究歷史—砂土試驗,達爾文對松砂和密砂性質差別的解釋是：我們通?？偸羌僭O土中的摩阻力同固體之間的靜摩擦具有同樣的性質，為tanφ，其中φ是天然坡角。但是這個假設并不準確，因為將一粒嵌在其它砂中的砂力粒移開原位，會比移動松散砂中一顆砂粒需更大的力。因此，內(nèi)摩擦系數(shù)應是填充密實度的函數(shù)。,研究歷史—砂土試驗,即使是在松散的砂堆中，砂粒也有可能在堆積過程中沉積成較緊密的填充。但在密砂中，砂粒一定是更加緊密地填充。此

50、外，剪切過程中，砂土非常可能不但“不沉降”，而且顆粒因發(fā)生部分地旋轉而形成更開的排列，從而使得整個砂堆占用了更大的體積”。更進一步地講，這樣的作用“將幾乎是必然發(fā)生在一特定的面上或狹窄的區(qū)域，最終形成滑動范圍”，因此，楔形理論比將砂作為連續(xù)介質的理論更加真實。,研究歷史—砂土試驗,因此我們得出結論，將砂作為具有固定摩擦角的非壓縮體是不正確的。他總結說，“沒有任何一堆砂是不經(jīng)過一個過程而形成的，而這一過程將決定其極限平衡特性”。這個歷史元

51、素“從根本上逃避了數(shù)學處理”。 達爾文是劍橋大學天文學和經(jīng)驗哲學的教授，主要從事地球物理學研究。,研究歷史—砂土試驗,15. J.V.Boussinesq(J.V.布辛奈斯克,1883)： “砂的水平推力”的一個注解,布辛奈斯克得到：對于一個有水平回填土的垂直墻背的擋墻，有,,其中ε＝(45°－φ/2)，δ是墻背的摩擦角。該,研究歷史—砂土試驗,結論與庫倫的楔形理論比沒有多大的差異。很明顯，朗肯的解是當δ=0時的一個特

52、例。 布辛內(nèi)斯克在其1885年發(fā)表了的著作《勢能的應用》（Application des potentials）中，給出了彈性地基中應力和位移的計算公式。至今仍在應用。,研究歷史—砂土試驗,16. O.Reynolds(O.雷諾德,1887 ):剪脹特性研究,剪脹現(xiàn)象由達爾文明確提出，而由歐斯伯恩·雷諾德(Osborne Reynolds)在1885年命名和演示。 雷諾德通過試驗研究發(fā)現(xiàn)：當承受剪應變

53、時，顆粒的堆積會變得更為松散，砂呈現(xiàn)出剪脹現(xiàn)象；當砂在剪切過程中體積恒定，孔隙水壓力降低，而砂的抗剪強度增加，這是砂剪脹趨勢的后果。,研究歷史—砂土試驗,綜合達爾文、布辛奈斯克和雷諾德的研究成果，可以看出：①砂的內(nèi)摩擦角取決于填充密實度，在所研究的實例中，其變化范圍為35°～43°；②休止角對應與最低密度時的內(nèi)摩擦角；③剪切會伴隨著體積的改變（膨脹）；若體積改變發(fā)生在飽和密砂中，將導致孔隙水壓力降低并伴隨著強度增加。

54、,研究歷史—砂土試驗,17.J.Clibborn(J. 克利本,1896)：砂的滲透試驗,克利本的模型試驗箱前端為玻璃，可以看到其中的水流會“貼著”不可滲透的邊界流動。并提出了滲透因子c=L/H(平均水力的倒數(shù))的概念。 克利本采用了長度為115英尺的大直徑容器驗證了在水力梯度為0.02～0.17范圍內(nèi)，達西定律是正確的。,研究歷史—砂土試驗,18.J.S.Beresford(J.S.貝瑞斯福特,1902)：管涌研究,貝瑞斯福特

55、在1899年通過試驗研究發(fā)現(xiàn)：假設水頭沒有超過砂層厚度的1/3(微粒大小約0.1～0.25mm)，則向上的滲流不會帶走任何砂粒。水頭的增加將使水流變得渾濁，當達到或超過砂層厚度的一半時，砂將被沖起來。但是如果在45英寸的砂層上堆上3～6英寸的細小顆粒的壓載，則砂層不再會有管涌的趨勢,研究歷史—粘土試驗,19. A.M.Atterberg (A.M.艾特伯格,1911)：塑限和液限,到1908年，艾特伯格已經(jīng)完成了按粒組對粘性土的分類，粒

56、組以顆粒2μ(0.002mm)和6μ的十進制倍增劃分（2μ、20μ、200μ等），其中“粘粒粒組”被定義為粒徑小于2μ的顆粒。國際土力學協(xié)會在1913年采納了這個體系 。,研究歷史—粘土試驗,然而，艾特伯格意識到，對粘性土的分類僅考慮粒徑的大小是不夠的，他認為“可塑性”的確定在很大程度上還要求引入其它的準則，為此，他選擇(重塑)土表現(xiàn)出不同塑性行為時的含水量范圍。可塑性的上限是指粘性土將變?yōu)榱黧w時的含水量，稱為Fliessgnenze(

57、液限)?？伤芟扌缘南孪奘钱斖链瓿杉殫l發(fā)生破裂點時的含水量，稱為Ausrollgrenze(塑限)。液限與塑限之差定義為塑性指數(shù)(以IP表示)，用來衡量可塑性的大小。,研究歷史—粘土試驗,可塑性的大小分為三級：15以上、7～15、1～7， IP為1和0的土不具有可塑性。無機粘性土的IP和粘粒粒組間存在著廣泛的聯(lián)系。 1913年，艾特伯格指出，粘性土的塑性特點主要取決于粘粒組中的片狀顆粒。他將黑云母、綠泥石及高嶺石磨成粒徑小于2μ的粉末，

58、測出其IP由高到中為45～20，非片狀顆粒的褐鐵礦的IP較低，而石英粉則完全沒有可塑性。,研究歷史—粘土試驗,在一段時間內(nèi)，艾特伯格研究成果的影響基本限于瑞士國內(nèi)。幸運的是，太沙基在1921年就認識到了它的價值，并用于自己的研究項目。1926年，他也就這個主題發(fā)表了一篇論文，其中將“Fliessgrenze”和“Ausrollgrenze”分別譯為“液限”和“塑限”，“艾特伯格界限”成為土力學中一個不可缺少的角色。,20.J.Front

59、ard(J.弗朗塔德,1914)：關于堤壩塌方的研究,研究歷史—粘土試驗,首先，弗朗塔德分析了取自15個壩的土樣中砂和礫石含量，堤壩的破壞與填土中細粒的高含量（粉土+粘土約55％）有關。填土中細粒的含量越高，堤壩越容易破壞,研究歷史—粘土試驗,其次，弗朗塔德對填料在不同豎向荷載下的抗剪強度進行了測定：發(fā)現(xiàn)φ值比預想的要低，說明以前文獻中的φ值過高，弗朗塔德試驗值標志著對粘性土性質的認識已進入一個新的階段。接下來的剪切試驗中，將填土與各種

60、礫石部分進行充分的混合，結果表明：加入20％的礫石（＜20mm），在15t/m2的豎向荷載下作用下，可使抗剪強度提高35％。,研究歷史—粘土試驗,第三，弗朗塔德以他出色的直覺意識到，來自水庫的靜水壓力可部分的被傳遞到填土，但是由于毛細孔非常的小，在水位下降過程中的壓力調整將存在一個滯后。因此，水位下降后，還有一部分孔隙壓力能夠保持并且施加一個內(nèi)部的不穩(wěn)定力。要確定在給定荷載下的平衡條件，以及達到該條件所需要的時間，通過土樣試驗即可獲得。

61、,研究歷史—粘土試驗,試驗用土樣的直徑為34cm，厚度5cm，置于一個有多孔基底的鐵容器中，并保持高濕度的環(huán)境以防止其變干。將壩填料用水重塑為可塑狀態(tài)，然后施加一個恒定荷載，在1～2周的時間內(nèi)，土樣中的水被排出，其體積逐漸變小。由此可見，一個大壩填土的含水量達到平衡狀態(tài)將需要數(shù)月甚至數(shù)年時間。,21.A.L.Bell(A.L.貝爾,1915)：粘土側壓力和地基承載力,研究歷史—粘土試驗,貝爾第一個用右圖示剪切盒裝置測量未擾動粘土試樣“不

62、排水”狀態(tài)下的抗剪強度。,,試驗結果表明，與砂土比較，粘土在壓力增加時強度幾乎沒有增加。所有粘土的φ值都小于6°，其中絕大多數(shù)φ值都小于3°。貝爾意識到這個測量的φ值絕不等同于“休止角”。,研究歷史—粘土試驗,后來，他在朗肯理論中把粘聚力考慮進去，推導出以下的表達式,,,式中，γz是地表水平的垂直墻墻前或者墻后z深度處的（總）垂直壓力。,,研究歷史—粘土試驗,,假設在“臨界深度”以上Pa為0，則：,D深度處的地基承載

63、力為,ε=45°-φ/2,研究歷史—粘土試驗,22.K.E.Petterson(K.E.彼得遜),S.Hultin(S.哈爾丁,1916):圓弧滑動分析,Gotherburg港口的Stiberg碼頭在建造接近完工時于1916年3月5日破壞，通過勘查和鉆探，,彼得遜發(fā)現(xiàn)：實際的位移十分接近于圓弧上的轉動位移，這個圓弧通過礫石填土下方的軟粘土。,研究歷史—粘土試驗,,為了進行分析，彼得遜的設計師S.哈爾丁將滑動體分成許多個豎直的條

64、，通過嘗試和修正φ值，找出了力的封閉多邊形，從而滿足了極限平衡條件。在計算分析中，土的內(nèi)聚力被忽略，并假設條間力是水平的。這個分析于1916年4月19日完成，得出的φ值非常低，僅9.7°。這是第一個圓弧滑動分析，是瑞典“條分法”的起源。,研究歷史—粘土試驗,23.W.Fellenius(W. 費倫紐斯,1927)：基于圓弧滑動面假定之上的帶摩擦角和粘聚力的土工計算,彼得遜和哈爾丁成果引起了廣泛的討論。海倫(Hellan)在19

65、17年建議，抗剪強度應該看作內(nèi)聚力，而不是摩阻力。1918年1月，費倫紐斯將彼得遜-哈爾丁的圓形滑動面與海倫的純內(nèi)聚力概念結合起來產(chǎn)生了第一個φ＝0的圓形滑動分析法。并將此法用于實際工程，發(fā)現(xiàn)對于大多數(shù)臨界坡趾圓，其c=2.0t/m2。,研究歷史—粘土試驗,在什么條件下粘土象純粹的粘性材料尚不清楚，但是貝爾已經(jīng)表示軟粘土可以看成純粘性材料，尼爾斯·韋斯特伯格(Nils Westerberg)在1921年給出了進一步的證明。他在

66、粘土的(不排水)雙軸壓縮試驗中發(fā)現(xiàn)，(σ1-σ3)是恒定的，與應力水平無關，從而證明了在他的試驗條件下φ＝0。,研究歷史—粘土試驗,1926年，費倫紐斯對粘土坡的φ＝0圓形滑動分析法進行了系統(tǒng)的的研究，對經(jīng)過坡趾的平面和圓形滑動面的穩(wěn)定數(shù)c/γH都給出了正確的數(shù)值解答。他還認識到，在假設粘土直到無限深處的內(nèi)聚力c都為常數(shù)的前提下，當c/γH=0.18時，所有超過53°的滑坡的臨界圓都在坡趾下穿過。然而，費倫紐斯認為：在一般正確

67、的穩(wěn)定性分析方法中，應同時考慮c和φ。,研究歷史—粘土試驗,哈爾丁(Hultin) 發(fā)現(xiàn)，實際滑動面的φ＝9.7°，c=0。但是大多數(shù)c=0的臨界面處于更淺的深度。相反的，絕大多數(shù)φ=0的臨界面相對較深。同時考慮c和φ，我們會得到對實際滑移最好的近似，費倫紐斯提出一個合理的取值，即c=1.25t/m2，φ＝4°。利用這些參數(shù)所繪出的力多邊形與哈爾丁的力多邊形相近，但是多了內(nèi)聚力矢量。,研究歷史—粘土試驗,24.Joh

68、n Olsson(約翰·烏爾松,1922):粘性土的靈敏度,,通過右圖的試驗裝置，觀測重為Q的圓錐的貫入度h，可以測出抗剪強度。將完全重塑土上測定的強度記為H1，部分,擾動土樣的強度為H2，未擾動試樣上測定的強度為H3，則比值H3/H1是重塑過程中試樣敏感性和強度損失的度量。由此，定義了粘性土的靈敏度。,研究歷史—粘土試驗,25.K.Terzaghi(K.太沙基,1921～1927),對于粘土，太沙基從一開始就認識到：（a）粘

69、土壓縮性、抗剪強度和滲透性的基本性質應當在粘土處于“水力平衡”狀態(tài)時進行量測，這種“水力平衡”狀態(tài)是指對應于任意的壓力值，含水量已經(jīng)變化到一個平衡值；（b）在從一個平衡轉變到另一個平衡時，由于粘土的低滲透性，由壓力變化而造成的含水量改變會非常緩慢。,研究歷史—粘土試驗,⑴在固結試驗中：土樣厚1.3cm，直徑8cm，單面排水，分級加荷，在每級荷載下保持兩天使試樣完全固結，然后再施加下一級荷載，直到大約20kg/cm2的壓力。然后壓力逐步減