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土力学在工程中的应用

2021-12-24 15:37:45

土力学是一门特殊材料的力学,是用力学的方法来研究土的力学行为的科学,由于土是特殊的材料,它的性质不仅与其成因、成份有关,而且与土的应力历史有关,而这些因素都与地质条件有着密切的关系。因此,土力学并不是一门纯力学,不能单靠计算解决问题。但既是力学的一门分支,又必然要进行一定的计算。在计算的同时,必须用土力学的基本概念对工程问题进行判断。计算与判断的正确关系应当是计算是为判断服务的,结论主要建立在工程判断的基础上,而不是单纯依赖于计算的结果。对土力学计算的结果应有怎样的期待?能否希望它百分之一百地正确?有可能百分之一百正确吗?还在我做学生的时候,俞调梅先生给我们讲课,他的名言是“沉降计算如果有50%的准确性已经很好了”,当时我们听了哄堂大笑,但并不理解先生此话的深刻含义。毕业后经过了几十年来的工程实践,反复证明了俞先生的这句话,这是他基于对土力学这门特殊力学深刻理解的基础上提出来的至理名言。今天来回忆俞先生的这段经典故事,更具有其特殊的现实意义,因为今天依然存在两个极端。要么对地基基础方面的计算结果有太高的期望,例如将沉降控制理解为是一个严格的不等式,一旦计算沉降量超过了一点允许沉降量,似乎天就要塌了。要么认为只要有经验,计算不计算无所谓,对土力学理论不屑一顾。

依靠计算而没有正确的土力学概念判断是不行的,不做必要的计算也是不行的。要在正确的概念基础上进行计算,在得到了计算结果以后还要经过工程判断的审视。如果能采用放坡的方法开挖基坑,那是比较经济的。按照一般的概念是坡面越平缓,土坡就越稳定。在软土地区,将坡度放到1:3或1:2,认为是比较安全的,这样的概念对不对?这样的看法是没有错,但不全面,不是完整的概念。例如,有一个开挖深度为10m的基坑,在10m以下为深厚的淤泥质黏土。边坡从上而下的坡度分别是1:1.5、1:2和1:3,变坡处设1m的马道。这样的放坡开挖安全不安全?我相信是经过了圆弧滑动法的计算,安全系数也是允许的。但事实上这个土坡发生了大滑坡,近5000m3的土滑向基坑,坑底隆起了6m,发生了很大的伤亡事故。类似这样的缓坡滑动的事故还不止这一个,为什么放了那么平缓的坡度还会发生滑动呢?计算为什么不起作用?

泰勒曾经说过,当土坡的倾角大于53°时,土坡的滑动可能是坡面圆,即土坡坡面下滑。但当倾角小于53°时,土坡滑动的形式与深层土的性质有关,很可能是以中点圆的形式破坏,即深层滑动破坏我们上面所举的例子,正符合第二种情况,果然是以深层滑动的形式发生了大滑坡,造成了很大的工程事故。如果对滑动计算的结果用土力学的基本原理进行了判断,考虑到了深层滑动的可能性,就可能会采取措施来防范事故的发生。由于盲目地相信计算的结果,这个工程连最简单的边桩位移观测都没有布置,可见一点预警的思想都没有,最终成为突发事件。而且类似的事故曾经一而再,再而三地发生过,可见对土力学基本概念的漠视程度。
  软土地基挖方与填方的稳定性分析有什么原则的区别,这又是土力学的一个基本概念。分析填方的稳定性时,最危险的时刻是在填方结束时,此时的稳定安全系数最小,如果此时不发生滑动,那么随着时间的推移,稳定安全系数越来越大,土坡越来越安全。但挖方却正好相反,基坑开挖到底的时候,如果土坡没有发生滑动,并不说明土坡就一定是不会滑动了。如果挖方土坡是不稳定的,那它的滑动时间不是在挖方完成之时,而是在挖方完成以后经历一定的时间才发生。为什么会滞后一定时间?这是因为挖方是一种卸载,卸载使土体产生负的孔隙水压力。根据有效应力原理土的抗剪强度可以下式表示:

image.png

当土体中产生了负的孔隙水压力时,即使在总应力不变的条件下有效应力也得到了提高,从而提高了土的抗剪强度,其结果是提高了土坡的稳定安全系数。但这种提高抗剪强度的效应是暂时的,在卸载结束时达到最 高值,随后因负的孔隙水压力的消散,这部分提高了的抗剪强度逐渐消失,如果抗力不足以抵抗滑动力,滑动虽然滞后,但终于还是发生了。软土地基中开挖产生的滞后滑坡,验证了土力学这一原理的正确性,也说明了土力学所提供的工程判断原理是很管用的。如果判断土坡具有滞后滑动的可能性时,在没有充分依据的条件下就不应该贸然安排工人下坑作业,以避免人身伤亡事故。


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