大地工程原理 第一章 大地工程―歷史的回顧

大地工程―歷史的回顧 1.1 概述 1.2 18 世紀以前的大地工程 1.3 前古典時期（1700-1776） 1.4 古典土壤力學── 第1 期（1776-1856） 1.5 古典土壤力學── 第2 期（1856-1910） 1.6 現代土壤力學（1910-1927） 1.7 1927 年以後的大地工程發展 1.8 一個時代的結束 第一章 大地工程－歷史的回顧 第1頁

1.1 概述 從工程的觀點來看，土壤（soil）的定義是指沒有凝聚在一起之礦物粒子、腐化固體之有機材料（固體顆粒），和這些顆粒間空隙中之液體與氣體所組成的混合物。 土壤力學（soil mechanics）是一門探討土壤物理性質，和研究土體在不同受力情況下行為的工程科學；土壤工程（soils engineering）是將土壤力學原理應用於實際工程的學門；大地工程（geotechnical engineering）是與地球表面天然材料有關之土木工程的分支，包括將土壤力學與岩石力學原理應用於基礎、擋土與土體結構之設計。 第一章 大地工程－歷史的回顧 第2頁

1.2 18 世紀以前的大地工程 第一章 大地工程－歷史的回顧 第3頁 表1.1

1.2 18 世紀以前的大地工程 第一章 大地工程－歷史的回顧 第3頁 圖1.1

1.2 18 世紀以前的大地工程 第一章 大地工程－歷史的回顧 第4頁 圖1.2&圖1.3

1.2 18 世紀以前的大地工程 在1700 至1927 年間之大地工程可分成四個階段（Skempton,1985）： 1.2 18 世紀以前的大地工程 在1700 至1927 年間之大地工程可分成四個階段（Skempton,1985）： 前古典時期（西元1700 至1776 年）。 古典土壤力學── 第1 期（西元1776 至1856 年）。 古典土壤力學── 第2 期（西元1856 至1910 年）。 現代土壤力學（西元1910 至1927 年）。 第一章 大地工程－歷史的回顧 第4-5頁

1.3 前古典時期（1700-1776） 此一時期的研究重點，是關於各種土壤之天然邊坡和單位重，以及半經驗法則之土壓力理論。1717 年法國皇家工程師Henri Gautier（1660-1737），根據使用土壤堆積而自然形成有尖頂斜坡的研究來推導擋土牆設計程序。當時所謂自然形成斜坡之斜率（natural slope），就是我們現在所說的安息角（angle of repose）。根據此一研究，乾淨之乾砂土（dry sand）與一般土壤（ordinary earth）的安息角分別為31° 與45°。 第一章 大地工程－歷史的回顧 第5頁

1.3 前古典時期（1700-1776） 第一章 大地工程－歷史的回顧 第5頁

1.4 古典土壤力學── 第1 期（1776-1856） 法國科學家Charles Augustin Coulomb（1736-1806）於1776 年所發表著名的論文中，使用微積分計算最大與最小值之原理，來決定擋土牆後方土壤內滑動面之真實位置。 1840 年，陸軍工程師暨力學教授Jean Victor Poncelet（1788-1867）將Coulomb 之理論加以延伸，提出圖解的方法來決定垂直或傾斜擋土牆後方，填土表面為任何多邊折線形情況下之橫向土壓力。Poncelet 是第一個使用符號來代表土壤摩擦角的人，也是提出淺基礎極限承載值理論的第一人。 第一章 大地工程－歷史的回顧 第6頁

1.5 古典土壤力學── 第2 期（1856-1910） 法國工程師Henri Philibert Gaspard Darcy（1803-1858）所發表。在1856 年，他發表了砂土濾料之透水試驗研究結果。根據這些試驗，Darcy 幫土壤之透水係數（coefficient of permeability）（或水力傳導）下了定義，這是當今大地工程中非常有用的參數。 第一章 大地工程－歷史的回顧 第7頁

1.5 古典土壤力學── 第2 期（1856-1910） George Howard Darwin 爵士（1845-1912）是一位天文學教授，試驗使用旋轉門擋住鬆緊度不同之夯實砂土來決定此牆所受之力矩。另一個值得一提的貢獻是由Joseph Valentin Boussinesq（1842-1929）於1885 年所發表，關於受載區域下方均勻、半無限空間、彈性、等向性界質內應力分布理論之推導。Osborne Reynolds（1842-1912）則說明了砂土剪脹現象。 第一章 大地工程－歷史的回顧 第7頁

1.6 現代土壤力學（1910-1927） 在此一時期，經由黏土相關研究所發表之著作建立了黏土基本行為與參數，其中最重要之著作敘述於下。 1.6 現代土壤力學（1910-1927） 在此一時期，經由黏土相關研究所發表之著作建立了黏土基本行為與參數，其中最重要之著作敘述於下。 1911 年，瑞典化學與土壤科學家Albert Mauritz Atterberg（1846-1916），以定義液性、塑性與縮性限度來解釋黏土的稠性。 法國工程師Jean Frontard（1884-1962）在一等值垂直壓力下為黏土試體進行不排水雙向剪力試驗，來決定其剪力強度參數（參見Frontard, 1914）。 第一章 大地工程－歷史的回顧 第7-8頁

1.6 現代土壤力學（1910-1927） 英國土木工程師Arthur Langley Bell（1874-1956）找出黏土橫向壓力與阻抗，以及淺基礎承載值間相互之關係（參見Bell, 1915）。他也用剪力盒來決定非擾動黏土試體之不排水剪力強度。 瑞典工程師Wolmar Fellenius（1876-1957）發展出飽和黏土邊坡穩定分析的方法，假設邊坡滑動面為圓弧形。在1926 年所發表的論文中，提供通過坡趾圓弧破壞面穩定值（stability numbers）之正確數值解。 第一章 大地工程－歷史的回顧 第8頁

1.6 現代土壤力學（1910-1927） 奧地利之Karl Terzaghi（1883-1963）發展出現今我們所知的黏土壓密理論。 1.6 現代土壤力學（1910-1927） 奧地利之Karl Terzaghi（1883-1963）發展出現今我們所知的黏土壓密理論。 第一章 大地工程－歷史的回顧 第8頁 圖1.4

1.7 1927 年以後的大地工程發展 Karl Terzaghi 於1925 年發表Erdbaumechanik auf Bodenphysikalisher Grundlage，為土壤力學發展開啟了一個新紀元。Terzaghi 被公認是現代土壤力學之父。 第一章 大地工程－歷史的回顧 第8-9頁

1.7 1927 年以後的大地工程發展 以下是1936 年第1 屆ISSMFE 會議後，一些重要土壤力學與基礎工程之發展： 1.7 1927 年以後的大地工程發展 以下是1936 年第1 屆ISSMFE 會議後，一些重要土壤力學與基礎工程之發展： 1943 年Karl Terzaghi 發表《理論土壤力學》（Theoretical Soil Mechanics）（Wiley, New York）。 1948 年Karl Terzaghi 與Ralph Peck 發表《土壤力學在工程上之應用》（Soil Mechanics in Engineering Practice）（Wiley, New York）。 1948 年Donald W. Taylor 發表《基本土壤力學》（Fundamentals of Soil Mechanics）（Wiley, New York）。 1948 年英國開始發行Geotechnique 期刊。 第一章 大地工程－歷史的回顧 第10頁

1.7 1927 年以後的大地工程發展 在鹿特丹會議之後，地區性之大地工程研討會也開始成長，例如： 1.7 1927 年以後的大地工程發展 在鹿特丹會議之後，地區性之大地工程研討會也開始成長，例如： 1954 年在斯德哥爾摩舉辦之歐洲地區土坡穩定會議。 1952 年第1 屆澳洲─紐西蘭土壤剪力行為會議。 1960 年在墨西哥市舉辦第1 屆泛美會議。 1960 年美國科羅拉多州岩石城所舉辦的黏性土壤剪力強度研究會議。 第一章 大地工程－歷史的回顧 第10頁

1.7 1927 年以後的大地工程發展 第一章 大地工程－歷史的回顧 第11頁 表1.2

1.7 1927 年以後的大地工程發展 第一章 大地工程－歷史的回顧 第12頁 表1.3

1.7 1927 年以後的大地工程發展 第一章 大地工程－歷史的回顧 第12頁 表1.3（續）

1.7 1927 年以後的大地工程發展 第一章 大地工程－歷史的回顧 第12頁 表1.3（續）

1.8 一個時代的結束 此專業中早期巨人中的最後一位，Ralph B. Peck 於2008 年2 月18 日去世，享年95 歲。 1.8 一個時代的結束 此專業中早期巨人中的最後一位，Ralph B. Peck 於2008 年2 月18 日去世，享年95 歲。 Ralph B. Peck 教授（右圖）於1912 年6 月23 日出生於加拿大溫尼伯（Winnipeg）。 他所參與的一些主要顧問工作包括： 芝加哥、舊金山及華盛頓特區之捷運系統工程。 阿拉斯加油管工程。 加拿大魁北克的詹姆士灣（James Bay）工程。 第一章 大地工程－歷史的回顧 第13頁 圖1.5

1.8 一個時代的結束 英國豪士羅（Heathrow）快速鐵路工程。 死海堤防工程。 2008 年3 月13 日英國《時代日報》（The Times）寫道：「美國土木工程師Ralph B. Peck 發明了一種爭議性之施工技術，並且在一些當今世界上突破性之重大工程中使用，包括海峽隧道，被認定是『土壤力學祖師』，他直接掌控一連串令人稱道，突破一般人認為是可能範圍極限的隧道與土壩工程。」 第一章 大地工程－歷史的回顧 第14頁