An introduction to soil mechanics

420 Pages·2018·48.53 MB·English

Theory and Applications of Transport in Porous Media
Arnold Verruijt
An Introduction
to Soil Mechanics
Theory and Applications of Transport in Porous
Media
Volume 30
Series editor
S. Majid Hassanizadeh, Department of Earth Sciences, Utrecht University, Utrecht,
The Netherlands
Founding series editor
Jacob Bear
More information about this series at http://www.springer.com/series/6612
Arnold Verruijt
An Introduction
to Soil Mechanics
123
Arnold Verruijt
Emeritus Professor of Soil Mechanics
Delft University of Technology
Delft
The Netherlands
Additional material to this book can be downloaded from http://extras.springer.com.
ISSN 0924-6118 ISSN 2213-6940 (electronic)
Theory and Applications of Transport in Porous Media
ISBN 978-3-319-61184-6 ISBN 978-3-319-61185-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-319-61185-3
Library of Congress Control Number: 2017943831
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Preface
This book is the text for the introductory course on Soil Mechanics at Delft
University of Technology’s Department of Civil Engineering, as I gave from 1980
until my retirement in 2002. It includes an introduction to the major principles and
methods of soil mechanics, such as the analysis of stresses, deformations and
stability. It also describes the most important methods of determining soil param-
eters, both in the laboratory and in situ, and in the appendices presents the basic
principles of applied mechanics that are frequently used. The text has been
developed on the basis of lectures at Delft by Profs. Nanninga, Langejan and De
Josselin de Jong. The subdivision into chapters is such that one chapter can be
treated in a single lecture, with sufficient time for demonstrations of soil behavior
and some illustrative applications, including failures of soil structures.
Since 2001 a preliminary version of this book has been available on the internet,
and some of its numerous users from all around the globe have offered their
comments and suggestions for corrections and improvements. Many of these have
been implemented in this version, which also includes references to other books and
papers. Upon the suggestion of Prof. Emmanuel Detournay of the University of
Minnesota, the problems at the end of chapters have been supplemented with
worked examples as a further aid to students. Additional sets of problems (with
answers) have been added to several chapters, and a number of demonstrations of
soil testing and of soil properties can be downloaded from http://geo.verruijt.net and
from http://extras.springer.com.
Delft, The Netherlands Arnold Verruijt
April 2017
v
Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 The Discipline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Why Soil Mechanics? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.1 Stiffness Dependent upon Stress Level . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.2 Shear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.3 Dilatancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.4 Creep. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.5 Groundwater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.6 Unknown Initial Stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.7 Variability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Grain Size. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Grain Size Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Chemical Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Consistency Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 An International Classification System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 Particles, Water, Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1 Porosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Degree of Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4 Volumetric Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.5 Water Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 Stresses in Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.1 Stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2 Pore Pressures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3 Effective Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4 Archimedes and Terzaghi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
vii
viii Contents
5 Stresses in a Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.1 Vertical Stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2 The General Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6 Darcy’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.1 Hydrostatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2 Groundwater Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7 Permeability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.1 Permeability Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.2 Falling Head Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8 Groundwater Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.1 Flow in a Vertical Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.2 Upward Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.3 Flow Under a Wall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
9 Flotation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
9.1 Archimedes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
9.2 A Concrete Floor Under Water. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
9.3 Flotation of a Pipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
10 Flow Net. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
10.1 Potential and Stream Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
10.2 Flow Under a Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
11 Flow Towards Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
11.1 Flow in a Confined Aquifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
11.2 A Single Well. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
11.3 Systems of Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
12 Stress Strain Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
12.1 Compression and Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
12.2 Unloading and Reloading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
12.3 Dilatancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
13 Tangent Modulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
13.1 Deformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
13.2 Linear Elastic Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
13.3 A Non-linear Material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
14 One-Dimensional Compression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
14.1 Confined Compression Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
14.2 Elastic Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
15 Consolidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
15.1 Differential Equation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
15.2 Boundary Conditions and Initial Condition. . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Contents ix
16 Analytical Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
16.1 The Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
16.2 Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
16.3 The Deformation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
16.4 Approximation for Small Values of Time. . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
17 Numerical Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
17.1 Finite Differences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
17.2 Numerical Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
17.3 Numerical Versus Analytical Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
18 Consolidation Coefficient. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
18.1 Theory Versus Test Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
18.2 Log(T)-Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
pffi
18.3 t-Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
18.4 Determination of mv and k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
19 Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
19.1 Keverling Buisman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
20 Shear Strength. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
20.1 Coulomb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
20.2 Mohr’s Circle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
20.3 Mohr–Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
20.4 The Mohr–Coulomb Criterion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
20.5 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
21 Triaxial Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
21.1 The Triaxial Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
22 Shear Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
22.1 Direct Shear Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
22.2 Simple Shear Test. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
23 Pore Pressures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
23.1 Measuring the Pore Pressure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
23.2 Types of Triaxial Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
23.3 Elastic Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
23.4 Dilatancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
23.5 Skempton’s Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
24 Undrained Behaviour of Soils. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
24.1 Undrained Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
24.2 Undrained Shear Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
x Contents
25 Stress Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
25.1 Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
25.2 Triaxial Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
26 Elastic Stresses and Deformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
26.1 Stresses and Deformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
26.2 Elasticity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
27 Boussinesq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
27.1 Boussinesq’s Problem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
28 Newmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
28.1 Newmark’s Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
29 Flamant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
29.1 Flamant’s Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
30 Layered Soil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
30.1 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
31 Lateral Stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
31.1 Coefficient of Lateral Earth Pressure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
31.2 Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
31.3 Elastic Material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
31.4 Elastic Material Under Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
32 Rankine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
32.1 Mohr–Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
32.2 Active Earth Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
32.3 Passive Earth Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
32.4 Neutral Earth Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
32.5 Groundwater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
33 Coulomb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
33.1 Active Earth Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
33.2 Passive Earth Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
34 Tables for Lateral Earth Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
34.1 Retaining Wall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
34.2 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
34.3 Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
35 Sheet Pile Walls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
35.1 Homogeneous Dry Soil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
35.2 Pore Pressures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
36 Blum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
36.1 Blum’s Schematization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
36.2 Blum’s Method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288