土性研究的历史党进谦.ppt
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1、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(17361806):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(18031858): 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(18201872):在热
2、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
3、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
4、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 (1918 1973):研究内容主
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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959961年。地基土层由上至下依次为杂填
13、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
14、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 La Conchita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Santa Tecla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
15、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 ( 20,000 m3)(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
16、 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
17、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 (Osborne Renold)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(19111927) 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
18、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(19161926),以及太沙基(Terzaghi)对固结抗剪强度的基础性研究(19211927)。,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
19、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
20、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
21、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
22、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4045,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
23、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=ca+Nf 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
24、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Rank
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