1.在庫倫理論出現之前的18世紀,擋土牆是怎麼設計的?

在開始前,先接受來自庫倫的鄙視......

作為典型的土木系學生,想必當初在學習土力學時都會聽過鼎鼎有名的土壓力理論——庫倫理論。本人當初在學習時,除了對那繁瑣的公式感到困擾之外,還有另外一個疑問:這條公式到底是怎麼來的?難道這麼複雜的公式,也是某天庫倫突然被牆砸到,靈感一閃想出來的?

本著做學問的態度,我決定開始探究庫倫理論的身世。

1.Coulomb Equations(1776)

從已有的文獻資料來看,庫倫公式首次出現於庫倫本人1776年在relatifs à l』architecture中發表的論文Essaí sur une application des règles de maximis & minimis à quelques problèmes de statique.而他寫這篇論文的素材,其實是來源於他在馬提尼克島(Martinique)參建波旁要塞(Fort Bourbon)的多年經驗積累。

波旁要塞(1772)

也就是說,庫倫提出理論的出發點,其實一開始是基於軍事目的的(建造要塞的牆)。但是,在庫倫之前,要塞的建造技術已經積累很長時間了,那麼庫倫理論的提出有沒有可能是前人工程師經驗的總結呢?

為此,我又查閱了一些介紹土壓力理論發展歷史的相關文獻。

土壓力理論相關文獻

在這些文獻中,第一個都是提到了Vaubon這個人,也許下一步要從他開始進行調查了。

2.Vaubon Experience(1687)

Vaubon大叔,看起來要比庫倫帥一點點

Vaubon中文名叫沃邦,是路易十四時代法國最著名的軍事工程師和建築師。沃邦先後領導建築要塞33座,改造300座,指揮過53次要塞圍攻戰。系統地改進並創新了要塞的建築,他設計的五邊形的棱堡(菱堡)已成為法國的遺迹景點。

看來,沃邦建造要塞的經驗要比庫倫高到不知哪裡去了。更為致命的是,他建造要塞不僅經驗豐富,而且還很有美感與特色。在介紹他對土壓力理論的貢獻之前,先欣賞一下他的傑作:

別具特色的多邊形防禦要塞

多邊形防禦要塞設計理念

經過多年的積累,他將畢生所學寫成了一本書:Traitede Lattaque des places.簡單說來,就是教別人怎麼攻城和建造堡壘的。看來,他本來就是一個設計防禦體系的軍事工程師,只是為了建造上圖那些豎直的擋牆,順帶開發了土力學而已。

Vaubon的要塞秘笈

這本書總共500多頁,而且全是法文,我實在是啃不下去,所以也沒找在書里哪裡提及了擋土牆的設計方法......為了偷懶,我找了他的另外一個老鄉的書籍,裡面有提及到各個時期法國工程師的建造經驗。

3.Mayniel Experience(1807)

在一個偶然的機會下,我買到了上面提及的工程師們其中一位的書籍:

Mayniel這位老兄確實不錯,不僅匯總了多位工程師的經驗,還介紹了更早時期的一些建造經驗:

呃,這段話大概就是說,當地基設計存在缺陷,導致擋土牆發生沉降時,之前一般認為是牆的厚度不夠。通常情況下,施工方只是在擋土牆完工後進行簡單的回填,並沒認真考慮回填次序,或等到擋土牆砂漿達到一定強度。因此,為了抵抗變形,這些擋土牆需要做到很大的厚度。

擋牆一直在使用過程中,工程師通常只著重於其厚度,而忽略了背后土體的性質,這為擋土牆的性能帶來了不確定性。建造者大部分是根據土體的重度以及擋土牆的高度進行設計。有些學者認為,單單這樣是不夠的,土體內部發生的摩擦也是崩塌破壞的一部分。他們假設這種摩擦抗力值是任意的,但由於在不同平面上產生的摩擦抗力值不同,他們假設這個角度是45°。

4.結語

到了這裡,我想大概已經明白,在庫倫理論出現之前,在建造工程中,擋土牆的設計的發展脈絡大概如下:

(1)草創時期:設計時只根據擋牆高度和土體重度,單純對擋牆厚度進行設計。而且由於各種原因,厚度一般都很大很大。理論基本沒有。

(2)萌芽時期:有一定工程經驗積累後,認識到土體是以楔體形式破壞的。但此時還沒有考慮到土體性質對土壓力的影響,破裂角一律取45°。

(3)發展時期:出於戰爭的需要,此時大量的要塞被建造,而且越建越高。為了使要塞更加堅固,造價更省,大量的軍事工程師有意識地對此進行研究。此時已提出了很多經驗性質的土壓力計算公式。

當積累到一定程度後,量變導致質變,出現了著名的庫倫公式。看了這麼多前人的研究成果,這麼多人提出過不同的公式,有時會想:是不是因為庫倫的名氣太大了,所以才會使他提出的公式被如此廣泛接納呢?

本文轉載自我的個人微信公眾號:岩土沿途Geotech

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