【文章內(nèi)容簡介】 Rankine 研究歷史 — 從 Coulomb到 Rankine 9. ( 1840)： 土壓力計算 龐斯列將直線型楔形體理論應(yīng)用于一般情形：擋土墻傾斜、填土表面傾斜而且墻背存在摩擦，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。 回填土的粘聚力一般可以忽略，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(yàn)值。但更普遍地，龐斯列認(rèn)同 c=0假設(shè)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(dāng)于假定強(qiáng)度從峰值瞬時下降到臨界狀態(tài)，伴隨著輕微的漸進(jìn)性破壞，最終將導(dǎo)致整個滑動面上的粘聚力為零。 研究歷史 — 從 Coulomb到 Rankine 10. （ ,1845)： 擋墻上土壓力試驗(yàn) 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(jìn)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 35176。 。測試結(jié)果與庫倫楔形體理論吻合較好，說明墻背摩擦不能被忽略。 研究歷史 — 從 Coulomb到 Rankine 考慮到試驗(yàn)的箱子只有 12ins寬，所測的土壓力并不符合嚴(yán)格意義上的二維（平面）問題的假定。如果設(shè)定允許誤差為 5％ ，粗糙墻背的試驗(yàn)結(jié)論十分符合庫倫理論，而光滑墻背的結(jié)果大約存在 8％ 的差值。 研究歷史 — 從 Coulomb到 Rankine 11. ( ,1846)： 粘土突發(fā)性滑坡的試驗(yàn)研究 庫林對相當(dāng)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(xì)的描述。在一些實(shí)例中，庫林提供了滑動面的剖面：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(jiān)持認(rèn)為滑動面是破壞形成的。 研究歷史 — 從 Coulomb到 Rankine 在所有的實(shí)例中，庫林認(rèn)為，破壞之所以發(fā)生是因?yàn)楝F(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(shí)不好的填土使得粘聚力降低的結(jié)果。破壞后，粘聚力喪失，摩擦單獨(dú)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 Rankine 為了研究含水率變化產(chǎn)生的影響，庫林利用剪切試驗(yàn)來測量粘聚力。用軟土和壓實(shí)良好的粘土的試驗(yàn)結(jié)果與已有滑坡的反分析（利用泰勒分析方法）結(jié)果的一致性很好。庫林很關(guān)注補(bǔ)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(yīng)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(rèn)為土坡對滑動的抵抗力一部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 14176。 ～ 17176。 到礫石的 ＞ 35176。 ， 最常用的土坡坡度為 :1或 2:1。 當(dāng)巖石堅(jiān)硬而堅(jiān)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(yīng)謹(jǐn)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 γ cotφ φ ka kp 飽和泥漿 濕粘土 粘土 砂 礫石 ∞ 0 16176。 26176。 33176。 37176。 研究歷史 — 從 Coulomb到 Rankine 在擋土墻設(shè)計中，朗肯對于無粘性土應(yīng)用了他的應(yīng)力場理論，推導(dǎo)出熟悉的公式 ?????? ??????245tans i n1s i n1 2 ???ak?????? ??????245t a ns i n1s i n1 2 ???pk研究歷史 — 從 Coulomb到 Rankine 朗肯認(rèn)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(yàn)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(shè)計永久性工程時應(yīng)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(hù)坡度不大于 63176。 的挖方邊坡之前。開始墻體承受很小的土壓力，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(shí)發(fā)生了軟化過程，邊坡也一樣?；A(chǔ)底下的粘土可能不會出現(xiàn)這種情況。 研究歷史 — 砂土試驗(yàn) 13. ( ,1856)： 滲透規(guī)律 達(dá)西 測量和定義了砂的滲透性。通過試驗(yàn)改變水頭差 △ h和砂柱的高度 L，在試驗(yàn)精度內(nèi)，得出水流過砂的速度總是與水頭梯度成正比。即： LhkvAQ ????式中： k對砂而言是常數(shù)，定義為滲透系數(shù)。 研究歷史 — 砂土試驗(yàn) 達(dá)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： Lttkhh 1221l og ???????????研究歷史 — 砂土試驗(yàn) 14. ( ,1883)： 砂土的水平推力 達(dá)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(jié)果表明：力矩的變化與 H/3成正比，因而可假定壓力作用點(diǎn)在底面以上 H/3處，在給定試驗(yàn)條件下，可算得系數(shù) Ka、 cosδ。 一個明顯的結(jié)論是松砂作用于墻上的水平推力比密實(shí)的砂要大 35％ 。 研究歷史 — 砂土試驗(yàn) 達(dá)爾文對松砂和密砂性質(zhì)差別的解釋是：我們通常總是假設(shè)土中的摩阻力同固體之間的靜摩擦具有同樣的性質(zhì)，為 tanφ，其中 φ是天然坡角。但是這個假設(shè)并不準(zhǔn)確，因?yàn)閷⒁涣Ｇ对谄渌爸械纳傲αＲ崎_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(yīng)是填充密實(shí)度的函數(shù)。 研究歷史 — 砂土試驗(yàn) 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。此外，剪切過程中，砂土非?？赡懿坏?“ 不沉降 ” ，而且顆粒因發(fā)生部分地旋轉(zhuǎn)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(jìn)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(zhì)的理論更加真實(shí)。 研究歷史 — 砂土試驗(yàn) 因此我們得出結(jié)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(jié)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 ” 。這個歷史元素 “ 從根本上逃避了數(shù)學(xué)處理 ” 。 達(dá)爾文是劍橋大學(xué)天文學(xué)和經(jīng)驗(yàn)哲學(xué)的教授，主要從事地球物理學(xué)研究。 研究歷史 — 砂土試驗(yàn) 15. ( ,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 ????t a nt a n1t a nc os 2??ak其中 ε＝ (45176。 － φ/2)， δ是墻背的摩擦角。該 研究歷史 — 砂土試驗(yàn) 結(jié)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(dāng) δ=0時的一個特例。 布辛內(nèi)斯克 在其 1885年發(fā)表了的著作 《 勢能的應(yīng)用 》 （ Application des potentials） 中，給出了彈性地基中應(yīng)力和位移的計算公式。至今仍在應(yīng)用。 研究歷史 — 砂土試驗(yàn) 16. ( ,1887 ):剪脹特性研究 剪脹現(xiàn)象由達(dá)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(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)承受剪應(yīng)變時，顆粒的堆積會變得更為松散，砂呈現(xiàn)出剪脹現(xiàn)象；當(dāng)砂在剪切過程中體積恒定，孔隙水壓力降低，而砂的抗剪強(qiáng)度增加，這是砂剪脹趨勢的后果。 研究歷史 — 砂土試驗(yàn) 綜合 達(dá)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(shí)度，在所研究的實(shí)例中，其變化范圍為 35176。 ～43176。 ；②休止角對應(yīng)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(dǎo)致孔隙水壓力降低并伴隨著強(qiáng)度增加。 研究歷史 — 砂土試驗(yàn) (J. 克利本 ,1896)： 砂的滲透試驗(yàn) 克利本的模型試驗(yàn)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(yàn)證了在水力梯度為 ～ ，達(dá)西定律是正確的。 研究歷史 — 砂土試驗(yàn) ( ,1902)： 管涌研究 貝瑞斯福特在 1899年通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：假設(shè)水頭沒有超過砂層厚度的 1/3(微粒大小約 ～)，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(dāng)達(dá)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(xì)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(yàn) 19. ( ,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，粒組以顆粒 2μ()和 6μ的十進(jìn)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(xué)協(xié)會在 1913年采納了這個體系 。 研究歷史 — 粘土試驗(yàn) 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(rèn)為 “ 可塑性 ” 的確定在很大程度上還要求引入其它的準(zhǔn)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(液限 )?？伤芟扌缘南孪奘钱?dāng)土搓成細(xì)條發(fā)生破裂點(diǎn)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(yàn) 可塑性的大小分為三級 ： 15以上 、 7～ 11～ 7， IP為 1和 0的土不具有可塑性 。 無機(jī)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(diǎn)主要取決于粘粒組