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1803～18581839～1840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18201872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18421929一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19021981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19142001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19141970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19181973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19211996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19211997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３０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，18911973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20,000m367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c0，同时认为φ是松散填方的天然坡度；从19世纪30年代开始，φ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Boussinesq1883通过土压力实验及分析，得出φ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.GautierH.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.BelidorB.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①硬砂，带尖的铁棒刺穿困难，属良好的地基；②可压缩砂，铁棒易刺穿，作为地基使用应多加小心。土①普通土在干旱地区作为地基；②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；③粘土，当坚硬均匀时是良好的地基；④泥炭，不能为基础提供足够的强度。,研究历史前古典期,3.F.GadroyF.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.PerronetJ.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.CoulombC.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①面积为a法向力为N的平面上的抗剪强度S可以表述为scaNf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,②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。③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α,,④对于只有粘聚力的材料f0,,,且,研究历史从Coulomb到Rankine,⑤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α，该滑动面上楔形土体产生的推力为,⑥墙顶下深度Z处作用于挡土墙上的单位压力为,⑦α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,⑧无支撑垂直边坡的临界高度为,,⑨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δ。当c0时，其Pa的计算公式为,⑩如果c0，则天然坡度为arctanf。,研究历史从Coulomb到Rankine,6.G.C.M.R.PronyG.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φ，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.FrancaisJ.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β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.NavierC.L.M.H.奈维尔,1833完整土层中边坡长期c0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c0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.PonceletC.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φ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c0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c0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tanδ。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.CollinA.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φ，即tanφ＝f，称之为天然坡度。φ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1.51或21。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φ和γ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c0。,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.DarcyH.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.DarwinG.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、cosδ。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tanφ，其中φ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.BoussinesqJ.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ε＝45－φ/2，δ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δ0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.ReynoldsO.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①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；②休止角对应与最低密度时的内摩擦角；③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.ClibbornJ.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cL/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.BeresfordJ.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.AtterbergA.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2μ0.002mm和6μ的十进制倍增划分（2μ、20μ、200μ等），其中“粘粒粒组”被定义为粒径小于2μ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2μ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.FrontardJ.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φ值比预想的要低，说明以前文献中的φ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.BellA.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φ值都小于6，其中绝大多数φ值都小于3。贝尔意识到这个测量的φ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，γz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,ε45-φ/2,研究历史粘土试验,22.K.E.PettersonK.E.彼得逊,S.HultinS.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φ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φ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.FelleniusW.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φ＝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c2.0t/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，σ1-σ3是恒定的，与应力水平无关，从而证明了在他的试验条件下φ＝0。,研究历史粘土试验,1926年，费伦纽斯对粘土坡的φ＝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/γH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/γH0.18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φ。,研究历史粘土试验,哈尔丁Hultin发现，实际滑动面的φ＝9.7，c0。但是大多数c0的临界面处于更浅的深度。相反的，绝大多数φ0的临界面相对较深。同时考虑c和φ，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c1.25t/m2，φ＝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.TerzaghiK.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,⑴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,⑵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。⑺⑻⑼⑽,研究历史粘土试验,⑶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