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土力学
阿诺德Verruijt
代尔夫特理工大学，2001
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第1章 介绍
1.1 学科
土力学平衡和土壤机构的运动科学。这里的土壤被理解为在地球的地壳的上层风化材料。在这种地壳非风化材料表示为岩石，其力学是岩石力学学科。在一般的土壤和岩石之间的区别大致在土壤中是可能的挖掘用简单的工具沟槽诸如铲或者甚至手工。在岩石中这是不可能的，必须先用重型设备分裂，如凿子，锤子和机械钻孔设备。岩石的自然风化过程是这样的阳光，风和雨的长期影响下，它沦为结石。这个过程是通过冷冻和在岩石小缝隙中的水的融化压裂岩体的刺激。那些在山区建立的粗糙石头下游通过重力与水的河流运输，经常在一起。由内摩擦的结石的尺寸逐渐减小，从而使材料变得逐渐更细：砂砾，沙，并最终淤。流入河流材料可沉积，以高的速度最粗糙的材料，但仅在非常小的速度越细的材料。这意味着，砾石将在河床的上游找到，并且更精细的材料如在下游沙子和淤泥。
荷兰地处莱茵河和马斯河的下游。在一般的土壤风化组成的材料，主要是沙子和粘土组成的。该材料已经沉积在更早的时候由河流形成的三角洲。很多精料也被在海边，河流的土地洪水沉积。沉淀的过程发生在世界许多地区，如尼罗河三角洲和在印度和中国的河流。在荷兰，它已经由建设堤坝防止河流和大海的洪水告一段落。土地形成的过程也因此被停止，但继续下陷，缓慢的构造运动。为了弥补土地的沉降和海平面水位上涨，堤防要逐步提高，使他们成为更重，会导致更多的下陷。如果该国要维持这一过程必须永远持续下去。
人们用土地来生活，并建立所有排序的结构：房屋，道路，桥梁，等等。它是岩土工程师来预测土壤的行为，因为这些人的活动的结果的任务。出现的问题，比如，道路的和解或自身重量的影响力和TRA FFICcedil;负载下的铁路，一个挡土结构的安全性（堤，一个码头墙壁或板桩墙的边缘），土压力作用在隧道或一个水闸，或允许荷载和建筑物的基础定居点。对于所有这些问题，土力学应该提供的基本知识。
1.2 历史
土力学已经成型于20世纪初。需要对土壤的行为的分析出现在许多国家，往往因为大型事故的发生，如山体滑坡和地基塌陷。在荷兰韦斯普附近的铁路路基（见图1.1）的幻灯片，在1918年引起了土力学领域的第一次系统的调查，由政府成立了一个特别委员会。许多土力学的基本原理，在当时是众所周知的，但还没有完成他们的工程学科结合。
图1.1：韦斯普附近的山体滑坡，1918年
以土力学的第一个重要贡献是由于库仑，谁在1776年发表了关于土壤的失败的重要论述，以及Rank-ine，在1857年发表在土应力的可能状态的文章。1856达西发表了他对土壤渗透性的名著《在第戎市供水》。对连续介质力学原理，包括静力学和材料力学，也在第十九世纪，众所周知，由于牛顿、柯西的作品，常和Boussinesq。所有这些基本原理的结合必须要等到第二十个世纪。它可能会提到，委员会调查灾害近韦斯普得出结论，在铁路路基的水位已经上升了持续的降雨，而路基的强度不足以承受这些ffi高水压力。
土力学的发展重要的开创性贡献是由卡尔太沙基，谁，在很多其他方面，论述了如何应对的孔隙水在行为土压力的影响。这是土力学理论的基本要素。在这方面的错误往往会导致大灾难，如近韦斯普幻灯片，aberfan（威尔士）和顿谷坝灾害。在荷兰许多开创性的工作是由keverling buisman做，特别是在粘土变形率。一个刺激因素已经在1934的代尔夫特土力学实验室的建立，现在被称为geodelft。在世界上许多国家都有类似的机构和咨询公司，专门从事土力学。通常他们也处理基础工程，这涉及到土力学原理在工程实践中的设计与施工中的应用。土力学与基础工程一起经常表示为大地构造学。一个著名的咨询公司在这一领域取得的成就是辉煌的，它的总部在莱岑丹，它的分支机构遍布世界各地。
在岩土工程领域的国际组织是国际土力学与岩土工程学会的会员，组织会议，通过建立国际研究团体和标准化促进岩土工程的进一步发展。在大多数国家，国际社会有一个国家社会。在荷兰，这是对工程师的荷兰皇家机构岩土工程部（猕猴桃），有大约1000名成员。
1.3 为什么称之为土力学
土力学已成为工程力学的一个独立的分支，由于土体具有许多特殊的性质，其区别于其他材料的材料。它的发展也受到了刺激，当然，在土木工程中的广泛应用，在土木工程，因为所有的结构需要一个坚实的基础，并应将其负载的土壤。本章将简要介绍最重要的特殊性质的土壤。在进一步的章节中，他们将被更详细地处理，集中在定量分析方法。
1.3.1 Stiffness依赖于应力水平
许多工程材料，如金属，而且混凝土和木材，呈现线性应力-应变行为，至少达到一定应力水平。这意味着该变形将是两倍大，如果跟应力的两倍一样大。这个属性是由胡克定律描述的，并且材料被称为线性弹性。土壤不符合这一规律。例如,压缩使土壤逐渐变硬。表面砂会容易通过手指,但在一定压力下的收益不断增加刚度和强度。这主要是由于单个粒子间的作用力的增加,使粒子的结构强度不断增长。这个属性在日常生活中使用的包装咖啡和其他颗粒材料的塑料信封,和应用程序内的真空包。包时空气成了非常困难的撤离。在土木工程的非线性属性用于很大的优势在桩基基础上很软土,底部一层沙子。在下面的砂厚沉积的软土应力水平高,由于粘土的重量。这使得沙子非常努力和强大,可以适用于大型桩压力量,只要他们足够长的时间达到到沙滩上。
图1.2：打桩基础
1.3.2 剪切
在压缩土壤逐渐硬。然而,在剪切,土壤逐渐柔和,如果剪应力达到一定级别后,对正常的压力,甚至可能失败的土体发生。这意味着沙堆的斜率,例如在仓库或在一个大坝,不能超过30或40度。原因是粒子会回避对方更大的斜坡。由于这一现象许多国家在大江大河三角洲非常平坦。它还引起了世界各地的大坝和堤防的失败,给当地居民有时非常严重的后果。尤其危险的是,在非常好的材料,如粘土、陡坡通常可能在一段时间内,由于水的毛细管压力,但一段时间后,这些毛细管压力可能会消失(也许因为下雨),和斜率会失败。积极应用失败的土壤剪切沿着高速公路护栏的施工。碰撞后车辆的基础栏杆将土壤中由于大型旋转剪切应力之间的基础和土壤的身体。这将消耗大量的能量(热量),创建一个永久变形的铁路的基础,但乘客和汽车,可能安然无恙。当然,必须碰撞后修复护栏,可以相对容易地完成了重型车辆的援助。
图1.3：一堆沙子
1.3.3 膨胀
剪切变形的土壤往往伴随着体积的变化。疏松砂岩倾向于合同,更小的体积,和密集的砂可以几乎变形只有当体积膨胀,使沙子宽松。这被称为膨胀,雷诺现象发现,1885年。这个属性会导致周围的土壤水线附近的一个人类的脚在沙滩上行走时干得出。密集的沙子被加载到脚的重量,导致剪切变形,进而引起体积膨胀,吸收一些水从周围的土壤。密集的扩张期间土壤剪切图1.4所示。粒子之间的空间增加剪切时。另一方面一个非常松散的砂颗粒组装,将倾向于剪切时崩溃,减少体积。这样的体积变形可能是土壤与水饱和时尤其危险。然后体积减少的趋势可能导致大量增加的孔隙水压力。许多岩土工程事故引起的孔隙水压力增加。在地球的地震在日本,例如,饱和砂有时在短时间内强化,导致孔隙压力大发展,所以沙子颗粒可能会开始漂浮在水中。这种现象被称为液化。在荷兰频道在东部的沙斯凯尔特河河口非常松散,需要大量致密化在风暴潮屏障的建设工作。此外,砂用于创建赤腊角香港国际机场时必须强化施工前的跑道和机场的设施。
图1.4：膨胀
1.3.4 蠕变
土的变形往往取决于时间,即使在一个恒定的负载。这就是所谓的蠕变。粘土和泥炭展览这一现象。它会导致结构建立在软土给日益定居点。新的道路,建立在软土,将继续解决多年来。等建筑定居点是特定损害时并不统一,因为这可能导致裂缝。
堤坝建设在荷兰,可压缩粘土层和泥炭,结果这些层的定居点,持续几十年。为了维护堤坝的峰值水平,多年后他们必须提高。这导致增加底土压力,因此导致额外的定居点。这个过程将持续永远。土地建设前的堤坝被淹,泥沙沉积在土地。这个过程已经被人停止修建堤坝。安全价格不断增加。
沙子和岩石显示几乎没有蠕变,除了在非常高的压力水平。这可能是有关预测变形时的多孔层天然气或石油中提取。
1.3.5 地下水
土壤水的特殊特征可能存在于土壤的孔隙。这水导致的应力转移在土壤中。也可能对颗粒流动粒子,这将创建摩擦应力之间的液体和固体材料。在许多情况下,必须考虑土壤作为两相材料。因为它需要一些时间水可以开除土壤质量,水的存在通常阻止快速体积的变化。
在许多情况下地下水的影响非常大。1953年在荷兰许多堤坝在西南的失败是因为水流渗入土壤,然后流入，通过岩脉,摩擦力作用于堤材料。参见图1.5。水的力量,在堤坡滑下来,使堤失去了挡水能力,之后低洼土地在很短的时间内被洪水淹没。
世界上其他国家的大型水坝有时失败也因为不断上涨的水位在大坝的内部(例如,美国提顿峡谷大坝,在这水可以进入粗大坝材料由于漏水的粘土心墙)。甚至过多的降雨可能填满一个大坝,1966年发生在威尔士艾博凡附近,一个大坝尾矿崩溃到村庄。
这也是非常重要的是，在土壤中的水压力降低，例如由生产饮用水的目的，导致增加的颗粒之间的应力，这导致在定居点的土壤。这发生在许多大城市，如威尼斯和曼谷，这可能会被威胁要被大海吞噬。这也会发生在地下水位暂时下降，为施工的干挖。附近的建筑物可能会损坏地下水位降低地下水位。在二ff不同规模油气领域出现了同样的现象，在天然气或石油生产导致储层的体积减小，从而
土的沉降。天然气的生产大型水库的格罗宁根估计导致沉降约50厘米水库的生产时间。
图1.5：溢堤
1.3.6 未知的初始应力
土是一种天然材料,在历史时期创作的各种地质作用。因此初始应力状态通常不是统一的,甚至常常部分未知。因为材料的非线性行为,上面提到的,土壤中初始压力是非常重要的在额外的负载下测定土壤的行为。这些初始应力水平取决于压缩在更早的时期,可以预期,水平应力高,但当土壤地质历史,从来不是完全已知的,这造成相当大的不确定性。特别是,土体的初始水平应力通常是未知的。最初的垂直应力可能是由上覆层的重量决定的。这意味着压力随着深度增加,因此刚度和强度也随着深度增加。然而,水平应力通常在很大程度上仍未知。当土壤已经被分散,水平应力可能非常低。与土壤的应力依赖性行为所有这意味着可能会有相当大的不确定性初始土壤质量的行为。它也可以指出,进一步理论研究在这件事上不能提供太多的帮助。研究领域的历史,或访问网站,与当地人交谈,可能更有帮助。
图1.6：压力
1.3.7 变异性
建立土壤地质过程也意味着古代土壤属性可能有很大的不同在不同的位置。即使在两个很近的地方土壤属性可能是完全不同的,例如当一个古老的河道被装满沙子存款。有时可以追溯到一个古老的河的表面上的土壤,但通常不能在表面。当一个堤是建立在这样的土壤,可以预期的是这样的赔偿方案将会有所不同,取决于当地的材料底土。土壤属性的变化也可能是重局部载荷的结果。
全球土壤成分的印象可以从地质获得地图。这些指示土壤的地质历史和性格。结合地质知识和经验这可能给土壤特性的第一迹象。其他地质信息也可能是有益的。西欧的广大地区,例如,被厚覆盖层冰在早期的冰河时代,这意味着这些地区的土壤受到相当大的大小的预加载,因此可能相当密集。准确测定土壤属性不能用桌子上的研究。它需要在实验室测试的实际土壤,使用从野外采集的样本或测试土壤的字段(原位)。这将在以后的章节中阐述。
图1.7：比萨斜塔
问题
1.1 在高水的河流在荷兰,当水位上升几乎波峰的堤坝,地方当局有时把沙袋上堤。那是有用的吗?
1.2 另一项措施来防止失败的堤高洪水期间,是将大张塑料的斜坡堤。哪一边?
1.3 将土体的水平应力深深的河流附近比较大或小?
1.4 底部的土壤北海往往是更硬的北部比南部的部分。能的原因什么呢?
1.5 比萨斜塔的倾斜的一个可能的解释是,底土包含一个可压缩粘土层变厚度。在一边的塔,粘土层厚吗?
1.6 比萨斜塔的倾斜的另一个解释是,在早期(开始前塔的建筑,1400年)站在那个位置的重结构。在塔的哪一边,建筑吗?
1.7 代尔夫特的老教堂的塔,沿着运河Oude代尔夫特,也在学习。可能的原因是什么,有可能简单的技术解决方案来防止进一步的学习吗?
- 分类
- .1 晶粒尺寸
土壤通常分为不同类型。在许多情况下,这些不同的类型也有不同的力学性能。一个简单的分舱的土壤粒子的粒度的基础上,构成了土壤。粗颗粒材料通常是表示像沙砾石和更好的材料。为了有一个统一适用的术语已经同意国际考虑粒子大于2毫米,但小于63毫米的砾石。较大的颗粒被指示为石头。砂材料组成的颗粒小于2毫米,但比小于0.063毫米和0.063毫米。粒子大于0.002毫米被指示为淤泥。土壤由更小的粒子,小于0.002毫米,粘土或luthum来标示,见表2.1。在一些国家,如荷兰,土壤也可能包含的泥炭层,组成的有机物质如腐烂的植物。泥炭的粒子通常很小,但它也可能包含的木头。
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