土性研究的历史(党进谦).ppt

党进谦水利与建筑工程学院 西北农林科技大学 土性研究历史 土性研究的历史 一 研究名人简介二 有关图片资料三 土性研究的历史1 探索阶段2 土力学学科发展 一名人简介 Coulomb 库仑 1736 1806 法国科学院院士 被称为 土力学之始祖 1773年提出了土的抗剪强度准则 即库仑定律 首次提出了主动土压力和被动土压力的概念及其计算方法 一名人简介 Darcy 达西 1803 1858 1839 1840年设计和主持建造了家乡的供水系统 于1856年发表了他对孔隙介质中水流的研究成果 即著名的达西定律 一名人简介 Rankine 朗肯 1820 1872 在热力学 流体力学及土力学等领域均有杰出的贡献 建立了至今仍在广泛应用土压力理论 一名人简介 Mohr 摩尔 1835 1918 一直在进行力学和材料强度方面的理论研究工作 提出了用应力圆表示一点应力的方法 并将其扩展到三维问题 一名人简介 Boussinesq 布辛奈斯克 1842 1929 一生对数学物理中的所有分支 除电磁学外 都有重要的贡献 在弹性理论方面的研究亦取得显著成就 一名人简介 Terzaghi 太沙基 1883 1963 被誉为土力学之父 他最大的贡献是向人们展示了用理论解决工程问题的方法 1925年他的 土力学 问世 介绍了他所提出的固结理论以及土压力 承载力 稳定性分析等理论 标志着土力学这门学科的诞生 1943年他还出版了 理论土力学 一名人简介 Taylor 泰勒 1900 1955 在粘性土的固结问题 抗剪强度 砂土剪胀及土坡稳定等领域均有不少建树 他编写的 土力学基本原理 是一部经典的土力学教科书 一名人简介 Casagrande 卡萨格兰德 1902 1981 对土力学有很大的贡献和影响 如在土的分类 土坡的渗流 抗剪强度 砂土液化等方面的研究成果 粘性土分类的塑性图中的 A线 即是以他姓命名的 一名人简介 Peck 派克 1912 为土力学及基础工程的发展作出了重要的贡献 他将土力学应用在土工结构的设计 施工建造和评估中 并努力将研究成果表述为工程师容易接受的形式 一名人简介 Skempton 斯肯普顿 1914 2001 对有效应力 粘土中的孔隙水压 地基承载力 边坡稳定性等问题的研究作出了突出的贡献 具有从复杂的问题中提取出重要而关键部分的杰出本领 创立并领导的伦敦帝国大学土力学研究中心是国际顶尖的土力学研究中心 一名人简介 Roscoe 罗斯克 1914 1970 设计的剪切仪成为土力学平面剪切仪的先驱 提出了确定土体临界状态时孔隙比的方法 提出的剑桥模型创建了临界状态土力学 为现代土力学的诞生和发展作出了重要贡献 一名人简介 Bjerrum 布耶鲁 1918 1973 研究内容主要包括抗剪强度机理 灵敏土的特性和边坡稳定等方面 一名人简介 Sowers 叟尔斯 1921 1996 将岩土工程及工程地质的实践及研究与教育完美结合 他被称为工程师的工程师 编写的 土力学及基础工程 教材被美国国内高校广为采用 一名人简介 Leonards 利昂纳兹 1921 1997 在压实粘土的强度及压缩性 软土的强度和固结 土坝开裂 冻土行为 边坡稳定 软土上筑堤 砂土液化 桩基础 岩土工程事故调查方法学等方面都有开创性的研究工作 一名人简介 Vesic 魏锡克 1924 1982 主要从事基础的破坏研究 论证了无粘性土地基的破坏方式不仅与其相对密度有关 还与基础的相对埋深有关 阐明了地基的整体剪切破坏 局部剪切破坏以及冲切破坏形式 对地下核爆炸引起的地表沉陷问题进行了理论推导 对土在高压作用下的表现进行了小比例的试验 他是在研究破坏时考虑土的压缩性的第一人 并引入了相应的刚性系数指标 还澄清了筏板基础下基底反力分布中的许多问题 一名人简介 Janbu 简布 在土的压缩性研究 边坡稳定性等方面为土力学的发展作出了杰出的贡献 人们对Janbu的评价是 半个世纪以来 他都是岩土工程领域前进的推动力 一名人简介 黄文熙 黄文熙 中国科学院院士 水工结构和岩土工程专家 我国土力学学科的奠基人之一 新中国水利水电科学研究事业的开拓者 他在国内第一个开设土力学课程 建立了国内大学中的第一个土工实验室 一名人简介 王思敬 王思敬 中国工程院院士 我国著名的工程地质 环境地质和岩体力学专家 长期致力于水电 矿山 国防和环境工程等方面的科研生产工作 一名人简介潘家铮 潘家铮 中国科学院院士 工程院院士 曾主持和指导新安江 葛洲坝 凤滩 龙羊峡 安康 二滩 龙滩 三峡等大型水电工程的设计工作 主要致力于运用力学理论解决实际设计问题 对许多复杂的结构如地下结构 地基梁与框架 土石坝的心墙 斜墙 调压井衬砌 岔管和法兰等 应用结构理论 弹性理论或板壳理论 或运用特殊函数 提出了新的计算理论或方法 一名人简介 孙钧 孙钧 中国科学院院士 工程力学家 隧道与地下结构工程专家 长期从事地下建筑工程专业教学 进行地下结构理论研究 对发展地下结构流变力学 粘弹塑性理论和防护工程抗爆动力学等学科有重大贡献 创建高校第一所地下建筑工程专业 一名人简介 茅以升 茅以升 中国科学院院士 土木工程学家 桥梁专家 工程教育家 中国近代桥梁事业的先驱 中国土力学的开拓者 为我国培养了一大批科学技术人才 是我国工程学术团体的创建人之一 本世纪 年代 他主持设计并组织修建的钱塘江公路铁路两用大桥 成为中国铁路桥梁史上的一个里程碑 一名人简介 卢肇钧 卢肇钧 中国科学院院士 土力学家 我国铁路路基土工技术的开拓者 对我国土力学及基础工程学科发展作出了重要贡献 长期从事土的基本性质及特殊土地区筑路技术的研究 在我国最早阐明了硫酸盐渍土的松胀特性及其对路基稳定性的影响 提出了新型锚定板挡土结构及其 相应的计算理论 首先获得了膨胀土强度变化的规律 一名人简介 沈珠江 沈珠江 中国科学院院士 土力学专家 长期从事土力学理论及其在工程实践中的应用研究 提出土体极限分析理论 证明了两个极限原理 在土的弹塑性理论研究上 提出了多重屈服面概念 建立了新型的实用的土体弹塑性本构模型 建立了非饱和土固结理论的基本框架 提出了建立现代土力学的设想 一名人简介 周镜 周镜 中国科学院院士 岩土工程专家 长期从事铁路路基建设和科研工作 提出了按黄土结构力学性质确定边坡的理论 第二破裂面计算衡重式挡土墙压力的原理和判别墙后滑动面出现范围的公式 最早采用桩排架支挡 短密砂井 和生石灰桩处理软土路基取得成功 提出了静力触探确定桩承载力的综合修正系数法 解决了静力触探应用中的技术问题 一名人简介 钱七虎 钱七虎 中国工程院院士 防护工程及地下工程专家 长期从事防护工程设计计算理论教学与研究工作 为发展我国的防护工程学科和防护工程建设事业作出重要贡献 一名人简介 林学钰 林学钰 中国科学院院士 著名的水文地质和环境地质学家 从事地下水管理模型的理论与方法研究 在区域和城市地下水资源评价 水流模拟 预报研究方面取得多项成果 并建立了我国最早的一批地下水水质模型 一名人简介 陈梦熊 陈梦熊 中国科学院院士 水文地质学家 是我国水文地质事业主要创始人之一 组织和完成全国区域水文地质普查 创立具有我国特色的水文地质图编图方法 一名人简介 黄熙龄 黄熙龄 中国工程院院士 岩土工程专家 从事地基计算 处理 土的性质与基础工程等研究 1960年研究试制旁压仪 测试土的变形模量 提出在侧限条件下土的横向变形及变形模量计算公式 1962年 研究软土工区房屋大量下沉开裂的问题 总结出 软土地基设计施工主要问题及其经验 解决了房屋开裂问题 一名人简介 刘宝琛 刘宝琛 中国工程院院士 是国内外知名的岩石力学专家 长期致力采矿 岩土工程研究 主要从事煤矿岩层及地表移动研究 是我国随机介质理论的奠基人 二图片资料 地基沉降 意大利比萨斜塔 自1173年9月8日动工 因塔明显倾斜而2次停工 至1370年竣工 前后近200年 由于地基不均匀下沉 塔向南倾斜 南北两端沉降差1 8m 塔顶离中心线5 27m 倾斜5 5 成为危险建筑 二图片资料 地基沉降 墨西哥粘土是一种高压缩性土 墨西哥城因过渡抽取地下水 导致地基沉降 1891 1973年 整个老城下沉8 7m 图示圣母教堂 因地表不均匀下沉使其发生严重倾斜 二图片资料 地基沉降 墨西哥城的一幢建筑 可清晰地看见其发生的沉降及不均匀沉降 二图片资料 地基沉降 苏州虎丘塔 建于公元959 961年 地基土层由上至下依次为杂填土 块石填土 亚粘土夹块石 风化岩石 基岩等 由于地基土压缩层厚度不均及砖砌体偏心受压等原因 造成该塔向东北方向倾斜 二图片资料 地基沉降 加拿大Transcona谷仓 基础为钢筋混凝土筏板基础 1913年秋完成 9月装谷物 至31822m3时 发现 谷仓1小时内竖向沉降达30 5cm 并向西倾斜 24小时后倾倒 西侧下陷7 32m 东侧抬高1 52m 后用388个50T千斤顶纠正后继续使用 但位置较原先下降4m 事故的原因是地基因超载而发生强度破坏 二图片资料 地基沉降 加拿大某农场容量为2500t的饲料筒仓 建于粘土地基 在首次使用时 由于装填过快 地基土层无法充分固结 至使地基发生破坏 二图片资料 地基沉降 农场用来储存饲料的筒仓 由于两筒之间的距离过近 在地基中产生的应力发生叠加 使得两筒之间地基土层的应力水平较高 从而导致内侧沉降大于外侧沉降 仓筒向内倾斜 二图片资料 大坝破坏 Teton大坝位于美国爱达荷州 高93m的土坝 二图片资料 大坝破坏 二图片资料 滑坡 1996年发生在美国加州的LaConchita滑坡 未造成人员伤亡 二图片资料 滑坡 2001年1月13日 萨尔瓦多发生了里氏7 6级的强震 在SantaTecla造成山体滑坡 最终导致700多人遇难 二图片资料 滑坡 云南徐村水电站溢洪道土坡滑坡 二图片资料 滑坡 江岸崩塌滑坡 二图片资料 滑坡 江西省江新洲洲头北侧蹋岸 二图片资料 滑坡 漫湾滑坡 1989年1月8日坡高103m 二图片资料 滑坡 香港港岛1972滑坡 20 000m3 67死 20伤 二图片资料 地震引起的砂土液化 1964年6月16日日本新瀉发生7 5级地震 因地基土发生液化所造成的破坏 二图片资料 地震引起的砂土液化 1995年1月17日发生在神户的里氏7 2级地震造成的桥梁地基及结构的破坏 二图片资料 土的生成 物理风化 二图片资料 土的生成 物理风化 二图片资料 土的生成 物理风化 二图片资料 土的生成 物理风化 二图片资料 土粒 二图片资料 土粒 砂粒 二图片资料 土粒 二图片资料 土粒 二图片资料 土粒 二图片资料 土层分布 二图片资料 特殊土 三土性研究历史 早期对土的性质的认识和理解 从工程角度看 可以分成四个时期 1 前古典期即18世纪 其代表是基于 天然坡度 及填土重度的经验土压力理论 1 早期认识 2 古典土力学的第一阶段从大约1800年人们普遍接受库伦 Coloumb 的研究成果到1862年朗肯 Rankine 的著作的出版为止 其特点是 假设c 0 同时认为 是松散填方的天然坡度 从19世纪30年代开始 又被认为是开挖粘土的长期稳定表面坡度 库林 Collin 1864 单独把粘聚力看做是粘土在破坏瞬间的强度 3 古典土力学的第二阶段其特征是 一系列对砂土的重要实验研究 从达西 Darcy 1856 在印度对管涌和过滤的实验开始 其后 达尔文 Darwin 和布辛奈斯克 Boussinesq 1883 通过土压力实验及分析 得出 是土的摩擦角的定义 天然坡度是其特例 并且欧斯伯恩 雷诺德 OsborneRenold 在1886年论证了剪胀性和负孔隙压力 4 现代土力学的第一阶段 1911 1927 该阶段对粘土性质的认识有了重大突破 其中最重要的是太沙基 Terzaghi 的有效应力原理 分类试验 艾特伯格Atterberg 1910 第一次实际的剪切盒实验及对它的应用 贝尔Bell 1915 费伦纽斯 Fellenius 和他的瑞典同事进行的滑动圆弧分析和强度实验 1916 1926 以及太沙基 Terzaghi 对固结抗剪强度的基础性研究 1921 1927 1 H Gautier H 戈蒂叶 1717 关于土体重度和天然坡度研究戈蒂叶提出 填土可以分为三类 砂 普通土和粘土 这些土有不同的重度而且以不同的坡度保持稳定 而这又与颗粒的圆度和咬合作用相关 通过测定戈蒂叶得出填土在倾斜成堆时的稳定角度 后来的作者称为自然坡角 和重度为 研究历史 前古典期 戈蒂叶没有对粘土进行试验 但他认为粘土产生的水平力比砂土和填土小 这是因为粘土具有较高的强度 研究历史 前古典期 2 B F Belidor B F 贝利多尔 1729 土压力与地基土分类研究 贝利多尔在戈蒂叶的基础上提出了土压力理论 如果没有挡土墙支撑 回填土形成的边坡坡度不可能比天然坡度更陡 并得到砂土填料将产生较高的压力而压实粘土则较小 研究历史 前古典期 图中的BC平面代表了填土的自然边坡 填土面水平的楔形体ABC产生的水平推力 在BC面上没有摩擦力时 等于楔形体的重量 考虑土的强度影响 实际产生的水平推力为其重量的一半 因此贝利多尔假定 对于具有平坦表面的填土 其作用于 垂直挡土墙的推力为 研究历史 前古典期 贝利多尔将地基土划分为 岩石 因其难以开挖很容易识别 砂 硬砂 带尖的铁棒刺穿困难 属良好的地基 可压缩砂 铁棒易刺穿 作为地基使用应多加小心 土 普通土在干旱地区作为地基 软土 一般主要由低强度的粉土组成 在其上修筑基础应极度谨慎 粘土 当坚硬均匀时是良好的地基 泥炭 不能为基础提供足够的强度 研究历史 前古典期 3 F Gadroy F 盖德罗伊 1746 土压力研究 盖德罗伊1746年撰文第一次明确提出滑动面的存在而且第一次给出了模型试验的结果 填土破坏时其顶部出现裂缝 裂缝位于墙后大约1 2墙高处 裂缝延伸至墙趾形成一个破裂面 于是楔形体沿 与水平面成64 的平面滑动 墙后填土产生破坏 研究历史 前古典期 盖德罗伊继续进行模型试验研究 他在一个开口的箱子里面装满干砂 箱子一端设置了铰接 墙 在试验中 当墙倾倒时 墙后填土表面出现裂缝 裂缝位置在墙后大约2 3墙高处 因此滑动面倾角大约是57 与之相对 砂的天然坡度多次测量均为31 左右 这个结果是与已知理论相矛盾的 在当时肯定令人困惑 盖德罗伊对此也无能为力 而模型试验的尺寸太小也不能使怀疑者信服 研究历史 前古典期 4 J R Perronet J R 佩罗内 1769 边坡稳定分析 佩罗内认为边坡失稳主要由于水的渗入而使粘聚力减小 导致滑动和边坡坡度的减小 对于粘土 水主要通过旱季形成的裂缝渗透进去 因开挖时间较长而已失去大部分粘聚力的泥土或只有更低粘聚力的新鲜土填筑形成的边坡稳定坡度 最大可达到35 或36 最软的土仅30 在完整的地层中 砂土的稳定坡度为30 左右 砾石或碎石大约为40 45 湿土约为18 或更低 研究历史 前古典期 佩罗内继续研究滑动时的摩擦阻力 他指出摩擦角在压力增大时会减小 而且摩擦角的大小很大程度上取决于接触面的不规则性和粗糙程度 通过试验 佩罗内发现 将不同粒径的碎石放置在粗糙的木板上 只有当倾角达到39 或40 时才会发生滑动 与之相对 磨光的材料放在光滑的平面上 只要18 5 的坡度时就能发生滑动 研究历史 前古典期 研究历史 前古典期 佩罗内将天然坡度与摩擦角等同 或至少将二者相互联系起来 观察表明 粘土边坡 一般高度 开挖时几乎可以保持直立状态 但该状态能否长久保持 却没有定论 佩罗内暗示粘聚力随着水从裂隙的渗入将会最终减小 边坡的长期稳定主要取决于摩擦 5 C A Coulomb C A 库伦 1773 极大极小原理在建筑静力学中的应用 库伦发表的 极大极小原理在建筑静力学中的应用 论文奠定了古典土力学的基础 其主要内容为 面积为a法向力为N的平面上的抗剪强度S可以表述为 s c a N f式中 c为单位面积的粘聚力 f为内摩擦系数 研究历史 从Coulomb到Rankine 破坏发生在土样强度最小或使挡土墙上侧向压力最大的临界滑动面上 横断面为A的柱体的破坏轴向力为 其中破裂面与水平面的夹角为 对于只有粘聚力的材料 f 0 且 研究历史 从Coulomb到Rankine 高度为H的挡土墙 墙后土体的滑动面一般为曲面 为了简化视为平面 推力最大时 临界滑动面的倾角为 该滑动面上楔形土体产生的推力为 墙顶下深度Z处作用于挡土墙上的单位压力为 不是前述理论所指的填土边坡的天然坡度 它仅取决于摩擦系数 研究历史 从Coulomb到Rankine 无支撑垂直边坡的临界高度为 前面推导假定推力Pa是水平的 对垂直墙背而言 一般来说 由于墙背与土体的摩擦作用 推力存在一个倾角 当c 0时 其Pa的计算公式为 如果c 0 则天然坡度为arctanf 研究历史 从Coulomb到Rankine 6 G C M R Prony G C M R 普鲁内 1802 对库伦理论的接受 普鲁内在1802年为工艺学校和道桥学校编写的教材使用了与库伦相同的表示法 标志着库伦理论在法国被广泛接受 在该教材中普鲁内认为粘聚力可以通过以下方法确定 首先测定天然坡度 为给出 然后找出可以垂直开挖的高度 在裂缝出现以前 无论是完整土层还是填土 如果容重已知 则可根据库伦公式确定c值 研究历史 从Coulomb到Rankine 7 J F Francais J F 弗朗凯斯 1820 粘性填土的临界高度 弗朗凯斯将库伦分析扩展于粘性填土倾斜墙背的主动土压力 推导出了倾角为 的无支撑粘土边坡的临界高度为 式中 Hc为垂直开挖的库伦临界高度 因此 研究历史 从Coulomb到Rankine 8 C L M H Navier C L M H 奈维尔 1833 完整土层中边坡长期c 0的假设 在未扰动 原始 状态下 大多数土具有一定的粘聚力 因而可以垂直开挖而不出现裂缝 如碎屑土可以开挖1m 2m 而粘土则为3m 4m 但是 奈维尔指出 在天然状态下的土被开挖 边坡暴露在空气中 经历雨旱交替 或经受严寒作用 土的性质会改变 另外 随着时间的推移 该边坡逐渐接近粘聚力为零的原始边坡 研究历史 从Coulomb到Rankine 即风化作用将逐渐减小边坡的坡度 使其等于或接近零粘聚力土的天然坡度 这就是完整土层中边坡长期c 0的假设 然而 奈维尔对此既没有给出具体的数据 也没有建议在挡土墙的设计中c值应该取为零 相反 奈维尔认为粘土如果能被水渗入 粘土的膨胀性将会导致其土压力与同容重的液体相同 即Ka 1 研究历史 从Coulomb到Rankine 研究历史 从Coulomb到Rankine 9 C V Poncelet C V 庞斯列1840 土压力计算 庞斯列将直线型楔形体理论应用于一般情形 挡土墙倾斜 填土表面倾斜而且墙背存在摩擦 求得到主动土压力和被动土压力的正确解 庞斯列引入符号 来表示摩擦角 而且可以通过测定松散填土的天然坡度来确定 回填土的粘聚力一般可以忽略 而且在任何情况 下 利用假定c 0时计算出的主动土压力所得到的墙厚都不大于经验值 但更普遍地 庞斯列认同c 0假设的理由是 在土已发生破坏地那一刻 粘聚力将不再存在 也许粘土是个例外 这个新奇地概念相当于假定强度从峰值瞬时下降到临界状态 伴随着轻微的渐进性破坏 最终将导致整个滑动面上的粘聚力为零 研究历史 从Coulomb到Rankine 10 C W Hope C W 侯普 1845 挡墙上土压力试验 研究历史 从Coulomb到Rankine 侯普同时对土压力的水平分量和垂直分量进行了测量 从而可以直接确定挡土墙的摩擦系数tan 该挡土墙墙高12ins 木制 墙背光滑或粗糙 填土为松散干砂 其天然坡度为35 测试结果与库伦楔形体理论吻合较好 说明墙背摩擦不能被忽略 研究历史 从Coulomb到Rankine 考虑到试验的箱子只有12ins宽 所测的土压力并不符合严格意义上的二维 平面 问题的假定 如果设定允许误差为5 粗糙墙背的试验结论十分符合库伦理论 而光滑墙背的结果大约存在8 的差值 研究历史 从Coulomb到Rankine 11 A Collin A 库林 1846 粘土突发性滑坡的试验研究 库林对相当数量的路堑 路堤或路坝的粘土边坡的深层滑动做了详细的描述 在一些实例中 库林提供了滑动面的剖面 剖面一般是光滑的 有条痕 断面呈圆弧状 虽然没有排除前期剪切的可能性 但他坚持认为滑动面是破坏形成的 研究历史 从Coulomb到Rankine 在所有的实例中 库林认为 破坏之所以发生是因为现存的粘聚力刚刚超过限值 破坏可能在施工期间发生 也可能在以后几年内发生 这是水渗入开挖边坡或压实不好的填土使得粘聚力降低的结果 破坏后 粘聚力丧失 摩擦单独发生作用 由于含水率的增大 摩擦也会降低 研究历史 从Coulomb到Rankine 为了研究含水率变化产生的影响 库林利用剪切试验来测量粘聚力 用软土和压实良好的粘土的试验结果与已有滑坡的反分析 利用泰勒分析方法 结果的一致性很好 库林很关注补救性措施 特别是扶壁 在滑动面以下石砌沟渠 既可以用作深排水沟 也可作为内扶壁 此后 该方法在英国和法国得到了广泛的应用 研究历史 从Coulomb到Rankine 12 Rankine 朗肯 1862 土木工程手册 在该手册中朗肯认为土坡对滑动的抵抗力一部分来自颗粒之间的摩擦 另一部分则来自土的粘聚力 但在空气和湿气 特别是霜冻和冻融交替作用下 粘聚力会逐渐丧失 因此摩擦就成为永久边坡稳定唯一可靠的因素 由粘聚力产生的临时性稳定是有益的 它可以维持开挖垂直边坡的暂时稳定 研究历史 从Coulomb到Rankine 但仅由摩擦产生的永久稳定已经足够保持开挖或填筑边坡的稳定 边坡的倾角为休止角 即tan f 称之为天然坡度 的取值范围从湿粘土的14 17 到砾石的 35 最常用的土坡坡度为1 5 1或2 1 当岩石坚硬而坚固时 其粘聚力的持久性可以得到保证 因此可以垂直或近似垂直开挖 含泥页岩应谨慎对待 无论初次开挖时它有多硬 遇水后都可能软化 研究历史 从Coulomb到Rankine 该手册中朗肯给出了各种土 和 的取值范围 研究历史 从Coulomb到Rankine 在挡土墙设计中 朗肯对于无粘性土应用了他的应力场理论 推导出熟悉的公式 研究历史 从Coulomb到Rankine 朗肯认为存在一个综合考虑摩擦作用和粘聚作用的理论 但缺少精确的试验数据 该理论在原理上解释了粘土边坡大角度开挖的临时稳定性 对于粘土边坡 粘聚力的长期损失会有多大则没有讨论 但很明确的暗示在设计永久性工程时应该考虑条件c 0 研究历史 从Coulomb到Rankine 朗肯以著名的伦敦至伯明翰铁路挡土墙为例 墙的净高20英尺 修建于1836年 位于一个无支护坡度不大于63 的挖方边坡之前 开始墙体承受很小的土压力 但粘聚力随着时间流失以至于6年后墙体向前倾伏 不得不采用高架铁柱来加固 因此 挡土墙背后的粘土确实发生了软化过程 边坡也一样 基础底下的粘土可能不会出现这种情况 研究历史 砂土试验 13 H P G Darcy H P G 达西 1856 渗透规律 达西测量和定义了砂的渗透性 通过试验改变水头差 h和砂柱的高度L 在试验精度内 得出水流过砂的速度总是与水头梯度成正比 即 式中 k对砂而言是常数 定义为渗透系数 研究历史 砂土试验 达西也尝试让水在重力作用下渗透 因此砂顶面以上的水面深度将会随着时间而下降 并得到 研究历史 砂土试验 14 G H Darwin G H 达尔文 1883 砂土的水平推力 达尔文量测了不同墙高 不同松密程度的砂 破坏时作用在铰接的墙上的倾覆力矩 结果表明 力矩的变化与H 3成正比 因而可假定压力作用点在底面以上H 3处 在给定试验条件下 可算得系数Ka cos 一个明显的结论是松砂作用于墙上的水平推力比密实的砂要大35 研究历史 砂土试验 达尔文对松砂和密砂性质差别的解释是 我们通常总是假设土中的摩阻力同固体之间的静摩擦具有同样的性质 为tan 其中 是天然坡角 但是这个假设并不准确 因为将一粒嵌在其它砂中的砂力粒移开原位 会比移动松散砂中一颗砂粒需更大的力 因此 内摩擦系数应是填充密实度的函数 研究历史 砂土试验 即使是在松散的砂堆中 砂粒也有可能在堆积过程中沉积成较紧密的填充 但在密砂中 砂粒一定是更加紧密地填充 此外 剪切过程中 砂土非常可能不但 不沉降 而且颗粒因发生部分地旋转而形成更开的排列 从而使得整个砂堆占用了更大的体积 更进一步地讲 这样的作用 将几乎是必然发生在一特定的面上或狭窄的区域 最终形成滑动范围 因此 楔形理论比将砂作为连续介质的理论更加真实 研究历史 砂土试验 因此我们得出结论 将砂作为具有固定摩擦角的非压缩体是不正确的 他总结说 没有任何一堆砂是不经过一个过程而形成的 而这一过程将决定其极限平衡特性 这个历史元素 从根本上逃避了数学处理 达尔文是剑桥大学天文学和经验哲学的教授 主要从事地球物理学研究 研究历史 砂土试验 15 J V Boussinesq J V 布辛奈斯克 1883 砂的水平推力 的一个注解 布辛奈斯克得到 对于一个有水平回填土的垂直墙背的挡墙 有 其中 45 2 是墙背的摩擦角 该 研究历史 砂土试验 结论与库伦的楔形理论比没有多大的差异 很明显 朗肯的解是当 0时的一个特例 布辛内斯克在其1885年发表了的著作 势能的应用 Applicationdespotentials 中 给出了弹性地基中应力和位移的计算公式 至今仍在应用 研究历史 砂土试验 16 O Reynolds O 雷诺德 1887 剪胀特性研究 剪胀现象由达尔文明确提出 而由欧斯伯恩 雷诺德 OsborneReynolds 在1885年命名和演示 雷诺德通过试验研究发现 当承受剪应变时 颗粒的堆积会变得更为松散 砂呈现出剪胀现象 当砂在剪切过程中体积恒定 孔隙水压力降低 而砂的抗剪强度增加 这是砂剪胀趋势的后果 研究历史 砂土试验 综合达尔文 布辛奈斯克和雷诺德的研究成果 可以看出 砂的内摩擦角取决于填充密实度 在所研究的实例中 其变化范围为35 43 休止角对应与最低密度时的内摩擦角 剪切会伴随着体积的改变 膨胀 若体积改变发生在饱和密砂中 将导致孔隙水压力降低并伴随着强度增加 研究历史 砂土试验 17 J Clibborn J 克利本 1896 砂的渗透试验 克利本的模型试验箱前端为玻璃 可以看到其中的水流会 贴着 不可渗透的边界流动 并提出了渗透因子c L H 平均水力的倒数 的概念 克利本采用了长度为115英尺的大直径容器验证了在水力梯度为0 02 0 17范围内 达西定律是正确的 研究历史 砂土试验 18 J S Beresford J S 贝瑞斯福特 1902 管涌研究 贝瑞斯福特在1899年通过试验研究发现 假设水头没有超过砂层厚度的1 3 微粒大小约0 1 0 25mm 则向上的渗流不会带走任何砂粒 水头的增加将使水流变得浑浊 当达到或超过砂层厚度的一半时 砂将被冲起来 但是如果在45英寸的砂层上堆上3 6英寸的细小颗粒的压载 则砂层不再会有管涌的趋势 研究历史 粘土试验 19 A M Atterberg A M 艾特伯格 1911 塑限和液限 到1908年 艾特伯格已经完成了按粒组对粘性土的分类 粒组以颗粒2 0 002mm 和6 的十进制倍增划分 2 20 200 等 其中 粘粒粒组 被定义为粒径小于2 的颗粒 国际土力学协会在1913年采纳了这个体系 研究历史 粘土试验 然而 艾特伯格意识到 对粘性土的分类仅考虑粒径的大小是不够的 他认为 可塑性 的确定在很大程度上还要求引入其它的准则 为此 他选择 重塑 土表现出不同塑性行为时的含水量范围 可塑性的上限是指粘性土将变为流体时的含水量 称为Fliessgnenze 液限 可塑限性的下限是当土搓成细条发生破裂点时的含水量 称为Ausrollgrenze 塑限 液限与塑限之差定义为塑性指数 以IP表示 用来衡量可塑性的大小 研究历史 粘土试验 可塑性的大小分为三级 15以上 7 15 1 7 IP为1和0的土不具有可塑性 无机粘性土的IP和粘粒粒组间存在着广泛的联系 1913年 艾特伯格指出 粘性土的塑性特点主要取决于粘粒组中的片状颗粒 他将黑云母 绿泥石及高岭石磨成粒径小于2 的粉末 测出其IP由高到中为45 20 非片状颗粒的褐铁矿的IP较低 而石英粉则完全没有可塑性 研究历史 粘土试验 在一段时间内 艾特伯格研究成果的影响基本限于瑞士国内 幸运的是 太沙基在1921年就认识到了它的价值 并用于自己的研究项目 1926年 他也就这个主题发表了一篇论文 其中将 Fliessgrenze 和 Ausrollgrenze 分别译为 液限 和 塑限 艾特伯格界限 成为土力学中一个不可缺少的角色 20 J Frontard J 弗朗塔德 1914 关于堤坝塌方的研究 研究历史 粘土试验 首先 弗朗塔德分析了取自15个坝的土样中砂和砾石含量 堤坝的破坏与填土中细粒的高含量 粉土 粘土约55 有关 填土中细粒的含量越高 堤坝越容易破坏 研究历史 粘土试验 其次 弗朗塔德对填料在不同竖向荷载下的抗剪强度进行了测定 发现 值比预想的要低 说明以前文献中的 值过高 弗朗塔德试验值标志着对粘性土性质的认识已进入一个新的阶段 接下来的剪切试验中 将填土与各种砾石部分进行充分的混合 结果表明 加入20 的砾石 20mm 在15t m2的竖向荷载下作用下 可使抗剪强度提高35 研究历史 粘土试验 第三 弗朗塔德以他出色的直觉意识到 来自水库的静水压力可部分的被传递到填土 但是由于毛细孔非常的小 在水位下降过程中的压力调整将存在一个滞后 因此 水位下降后 还有一部分孔隙压力能够保持并且施加一个内部的不稳定力 要确定在给定荷载下的平衡条件 以及达到该条件所需要的时间 通过土样试验即可获得 研究历史 粘土试验 试验用土样的直径为34cm 厚度5cm 置于一个有多孔基底的铁容器中 并保持高湿度的环境以防止其变干 将坝填料用水重塑为可塑状态 然后施加一个恒定荷载 在1 2周的时间内 土样中的水被排出 其体积逐渐变小 由此可见 一个大坝填土的含水量达到平衡状态将需要数月甚至数年时间 21 A L Bell A L 贝尔 1915 粘土侧压力和地基承载力 研究历史 粘土试验 贝尔第一个用右图示剪切盒装置测量未扰动粘土试样 不排水 状态下的抗剪强度 试验结果表明 与砂土比较 粘土在压力增加时强度几乎没有增加 所有粘土的 值都小于6 其中绝大多数 值都小于3 贝尔意识到这个测量的 值绝不等同于 休止角 研究历史 粘土试验 后来 他在朗肯理论中把粘聚力考虑进去 推导出以下的表达式 式中 z是地表水平的垂直墙墙前或者墙后z深度处的 总 垂直压力 研究历史 粘土试验 假设在 临界深度 以上Pa为0 则 D深度处的地基承载力为 45 2 研究历史 粘土试验 22 K E Petterson K E 彼得逊 S Hultin S 哈尔丁 1916 圆弧滑动分析 Gotherburg港口的Stiberg码头在建造接近完工时于1916年3月5日破坏 通过勘查和钻探 彼得逊发现 实际的位移十分接近于圆弧上的转动位移 这个圆弧通过砾石填土下方的软粘土 研究历史 粘土试验 为了进行分析 彼得逊的设计师S 哈尔丁将滑动体分成许多个竖直的条 通过尝试和修正 值 找出了力的封闭多边形 从而满足了极限平衡条件 在计算分析中 土的内聚力被忽略 并假设条间力是水平的 这个分析于1916年4月19日完成 得出的 值非常低 仅9 7 这是第一个圆弧滑动分析 是瑞典 条分法 的起源 研究历史 粘土试验 23 W Fellenius W 费伦纽斯 1927 基于圆弧滑动面假定之上的带摩擦角和粘聚力的土工计算 彼得逊和哈尔丁成果引起了广泛的讨论 海伦 Hellan 在1917年建议 抗剪强度应该看作内聚力 而不是摩阻力 1918年1月 费伦纽斯将彼得逊 哈尔丁的圆形滑动面与海伦的纯内聚力概念结合起来产生了第一个 0的圆形滑动分析法 并将此法用于实际工程 发现对于大多数临界坡趾圆 其c 2 0t m2 研究历史 粘土试验 在什么条件下粘土象纯粹的粘性材料尚不清楚 但是贝尔已经表示软粘土可以看成纯粘性材料 尼尔斯 韦斯特伯格 NilsWesterberg 在1921年给出了进一步的证明 他在粘土的 不排水 双轴压缩试验中发现 1 3 是恒定的 与应力水平无关 从而证明了在他的试验条件下 0 研究历史 粘土试验 1926年 费伦纽斯对粘土坡的 0圆形滑动分析法进行了系统的的研究 对经过坡趾的平面和圆形滑动面的稳定数c H都给出了正确的数值解答 他还认识到 在假设粘土直到无限深处的内聚力c都为常数的前提下 当c H 0 18时 所有超过53 的滑坡的临界圆都在坡趾下穿过 然而 费伦纽斯认为 在一般正确的稳定性分析方法中 应同时考虑c和 研究历史 粘土试验 哈尔丁 Hultin 发现 实际滑动面的 9 7 c 0 但是大多数c 0的临界面处于更浅的深度 相反的 绝大多数 0的临界面相对较深 同时考虑c和 我们会得到对实际滑移最好的近似 费伦纽斯提出一个合理的取值 即c 1 25t m2 4 利用这些参数所绘出的力多边形与哈尔丁的力多边形相近 但是多了内聚力矢量 研究历史 粘土试验 24 JohnOlsson 约翰 乌尔松 1922 粘性土的灵敏度 通过右图的试验装置 观测重为Q的圆锥的贯入度h 可以测出抗剪强度 将完全重塑土上测定的强度记为H1 部分 扰动土样的强度为H2 未扰动试样上测定的强度为H3 则比值H3 H1是重塑过程中试样敏感性和强度损失的度量 由此 定义了粘性土的灵敏度 研究历史 粘土试验 25 K Terzaghi K 太沙基 1921 1927 对于粘土 太沙基从一开始就认识到 a 粘土压缩性 抗剪强度和渗透性的基本性质应当在粘土处于 水力平衡 状态时进行量测 这种 水力平衡 状态是指对应于任意的压力值 含水量已经变化到一个平衡值 b 在从一个平衡转变到另一个平衡时 由于粘土的低渗透性 由压力变化而造成的含水量改变会非常缓慢 研究历史 粘土试验 在固结试验中 土样厚1 3cm 直径8cm 单面排水 分级加荷 在每级荷载下保持两天使试样完全固结 然后再施加下一级荷载 直到大约20kg cm2的压力 然后压力逐步减少到0 最后 土样被再次加载到一个比第一次最大值还大的压力值 将结果表达为孔隙比e和压力p的关系 在1921年发表了粘土的第一条e p曲线 研究历史 粘土试验 渗透性通过右图的联合的固结仪和变水头渗透仪中来量测 分别在0 75 1 60 2 4kg cm2的压力量测 在渗透试验前 要求 土样在荷载下达到平衡状态 结果表明 粘土的渗透系数k为10 9cm sec 而砂土的k为10 2cm sec 研究历史 粘土试验 在1923年太沙基提出了固结理论 这个理论基于两个基本原理 a在固结试验中 对一个在p0作用下处于水力平衡的 饱和 粘土施加一个压力增量p1 就在试样中产生和压力增量相同大小的超孔隙水压力 因为同粘土结构相比 水实际上是不可压缩的 b如果试验中允许排水 孔隙压力减少 粘土的压缩由不断增加的有效压力或称粒间压力控制p p1 u 研究历史 粘土试验 粘土内摩擦角量测 为了确保试样在剪切前完全固结 试样在竖向荷载作用下固结两天 用不到5mm厚的粘土试样 两侧排水进行剪切试验 试验十分接近 排水 条件 试验结果可以被看成是 正常固结 粘土第一次用有效应力法表示的剪切角 但是高粘粒粒组材料的破坏条件接近于 固结不排水 情况 研究历史 粘土试验 静止土压力系数量测 在两个特别设计的固结仪中 一个装了一根垂直通过试样中心的钢管 另外一个装了一根水平穿过土样中间的钢管 在施加荷载后三天量测 可以定出其静止土压力系数 试验用粘土 和粘土 的k0分别为0 70和0 75 相比之下 砂的k0 0 42 35 太沙基1920 研究历史 粘土试验 土力学 中高度原创的贡献需要更多的发展 在它们能够完全融入到工程实践并与贝尔及瑞典学派的研究相联系之前 主要是靠太沙基自己 但到1927年 依靠牢固的物理学原理建设土力学这门科学的基础已经奠定 这标志着探索阶段已经完成 研究历史 学科发展 最初的现代十年 1926 1936 将土力学作为一门学科引入土木工程师的思想意识中的是 Erdbaumechanik 土力学 这本书及卡尔 太沙基本人 之后 由于凯里泽 Kerisel 教授和斯肯普顿教授的生动描述 许多国家的工程师开始了对土力学的研究 许多我们所认为的现代土力学知识在1926 1929年就已掌握了 研究历史 学科发展 太沙基他强调土的分类 尤其是根据物理特性区分砂土和粘土 同时试图建立能够说明这两种材料特性的统一原则 他认识到砂土的强度表现为纯粹的摩擦性 知道超孔隙水压力对抗剪强度的影响 并且认识到进行排水剪切试验确定有效抗剪强度的必要性 他认为粘土的抗剪阻力 称之为 粘聚力 是毛细水压力和有效摩擦角正切的乘积 研究历史 学科发展 太沙基强调土体的3种特性 他觉得这具有实现对所有实际问题的解决的重要性 这3种特性即为 前述的 粘聚力 对于砂性土而言即为摩擦阻力 弹性 特性 实为应力 变形特性 以及渗透性 固结现象是 弹性 特性的一种表现 太沙基坚信 在没有坚实的理论基础 后来他称之为模型的理论 没有一个土的分类系统 以及无法对自然界所反映的复杂条件进行简单 直观 可靠的类比的情况下 对土体特性任何新的理解都是不可能带来实际的好处的 研究历史 学科发展 研究历史 学科发展 桩基工程中太沙基认为 1 如果静态和动态的贯入阻力不同 那么就没有桩基公式可以产生正确的结果 2 在饱和可塑性粘土中 这些阻力是不可能相同的 3 工程 新闻 桩基公式的理论基础是不牢固的 4 在荷载试验中 每个桩在给定荷载作用下的群桩基础的沉降总是大于相应荷载条件下的单桩基础的沉降 研究历史 学科发展 基础问题始终具有这样的特征 严格的理论数学方法将总是不可能的 处理这类问题的唯一有效方法是 首先 以前具有相似特征的工作中曾发生过什么 其次 将要实施作业中的土的种类 最后 为什么某种操作会导致相应的结果 通过系统地积累这样的知识 根据足够的土的研究结果而合理地确定出经验数据的同时 基础工程就会发展成为一门半经验的科学 研究历史 学科发展 在1928年 太沙基从事研究修筑于上面覆盖有粒状材料的高压缩性深层沉积粘土地基上的一个造纸厂的沉降问题 为了计算不同结构的沉降量 他发现不仅要进行固结试验 还需确定出地基土体中的应力分布 为此他在矩形面积上对布辛内斯克方程进行积分 后来 他将沉降量的计算值同经过7年的观测值进行比较 进而调整他的预测值 研究历史 学科发展 第一届国际大会 1936年在哈佛大学卡萨格兰德组织并召开了第一届国际土力学大会 大会表达了对21世纪的心声 成立了土力学学会 会上所描述的这门科学及其工作的范围对今天都产生了深远影响 本次大会总结了十年来这门学科所涉及的范围及其现代性 研究历史 学科发展 1 抗剪强度和有效应力 2 扭转试验 3 非扰动取样 4 包括砂土的注入 5 现场试验 尤其是荷兰锥 6 离心试验和模型关系 7 在评估沉降时预压缩的重要性 8 固结理论的广泛使用与发展 9 对次固结的认识和基于次固结的设计 10 用于实际问题求解的弹性应力分布的发展 11 区域沉降 12 为改善承载 研究历史 学科发展 力和减小沉降的预加载 13 控制孔隙水压力的措施 14 砂井排水 15 土体改良 注浆法 电渗法 16 地下水位降低引起的沉降 17 防止膨胀性粘土损害作用的设计 18 土压力的土拱理论 19 冻土效应 20 土动力学 地震 震动液化 机器振动 打桩的波动方程 21 观测方法 22 土力学课程的讲授内容 研究历史 学科发展 土力学理论体系形成 1936 1948 1936 1948年土力学迅速成为土木工程中一个完整的角色 几乎在世界的各个地方 在这门新学科中得到训练的受益人发现他们的技能在许多具有挑战性的工程中可发挥出很大的作用 对于成功工程的现场观测以及对于不成功工程的破坏研究被快速地以文字报道并成为普通的知识 研究历史 学科发展 太沙基研究了NewOrleans 新奥尔良 CharityHospital 慈善医院 的沉降问题 实现了今天被称之为常规沉降的分析 研究了英国Chingford水库土坝的破坏问题 基于柏林地铁压杆支撑荷载的测量结果 他发表了他的广义土压力楔形体理论 使应用土力学的广泛使用不再有任何疑问 研究历史 学科发展 不久 太沙基预测 托换作业或土坝的破坏 基础的过度沉降或者由于地下水位下降引起的沉降将不再被列为 上帝的行为 太沙基生活的年代 毫无争议地 他被认为不仅是土力学的理念指导者 而且也是世界范围内研究和应用成果的集散地 他坚持开展同世界各地的工作者的广泛的通信联系 进而散布信息并影响研究的方向 因此 即使在今天 人们也几乎很难改进他在当时对土力学状态的评定 研究历史 学科发展 截至到1948年 大约出版了12本左右的综合性书籍 然而 他们仅表达了作者特殊的兴趣方面 或者是大量技术文献的摘要汇总 而对其相互关联缺少必要的分析 许多工程师和教育者怀疑是否土力学有资格作为一门正统的学科 因此 1936 1948年之间太沙基投入了大量精力来组织这门学科 使其更为正规 研究历史 学科发展 1943年太沙基出版了 理论土力学 1948年又出版了 工程实践中的土力学 第一本书是当时最有用且最为中肯的理论的精选 第二本书则对土力学各方面是否或怎样在实际中应用给出了评价 这两本书以及在1948年出版的泰勒思想性很强的著作 土力学基本原理 一起 帮助土力学这门学科进入学术领域的大雅之堂 且在各地被工程师们广泛应用 研究历史 学科发展 土力学学科的发展 1948 1961 1948年在鹿特丹召开的第二届国际大会产生了7本会议论文集 同年国际土力学刊物 Geotechnique 岩土技术 诞生了 在哈佛的第一届国际大会有约200人参加 但有将近600人出席了1948年在鹿特丹召开的国际大会 而1953年在苏黎士召开的国际大会出席人数则超过了700人 不久 各地区自己承办拥有大量参加者的会议 人们对土力学兴趣的已是爆炸性地增长了 其中一些会议主要处理在该有限区域内的问题 而其它会议则针对专门的技术课题 由于瑞典皇家协会的兴趣以及卡萨格兰德在国际协会的任职期间个人努力下的结果 由联邦德国国家协会建立了本专业文献的摘要服务系统 研究历史 学科发展 研究历史 学科发展 到1961年 对土体材料特性和行为的认识上有了巨大的进步 不仅土力学被广泛用于实践当中 而且土体行为的现场检验也在积极地进行着 土力学被包含在所有土木工程课程中 其原理已广泛用于工程实践 针对当地的需要 无数的研究与实践活动中心涌现在世界各地 已被完成的那些不寻常的工程若没有土力学的指导很可能是完不成的 研究历史 学科发展 饱和粘土的强度 1936 1961 太沙基讨论了土力