劉保健,謝永利,翁效林

(長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710064)

0 前 言

土的抗剪強(qiáng)度,雖只用c和φ表示,但因發(fā)生過程的不同,其測試得出的數(shù)值也不同。目前習(xí)慣與通用的有快剪、固結(jié)快剪和慢剪表示的指標(biāo)[1,2]。當(dāng)然,還可以用其它的應(yīng)力路徑來表示土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),只是因?yàn)閼?yīng)用過于麻煩而未采用罷了。這就是一個(gè)土工問題因產(chǎn)生過程的不同其結(jié)果也不同很直觀的一個(gè)事例。眾所周知,土的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系因土所承受的應(yīng)力路徑不同而不同,顯然其結(jié)果不光與應(yīng)力水平有關(guān),而且與產(chǎn)生的過程有關(guān)[3]。土的壓縮變形顯然與其先期所受的壓力有關(guān),由此產(chǎn)生了要區(qū)別正常固結(jié)土、超固結(jié)土和欠固結(jié)土進(jìn)行變形計(jì)算的問題。不論是飽和土或非飽和土,土體的壓縮變形都是和時(shí)間過程有關(guān)系的固結(jié)問題[4]。在非破壞水平的往復(fù)應(yīng)力作用下,土的塑性變形和彈性模量隨著時(shí)間會(huì)變得越來越小和越來越大。以上這些與過程有關(guān)的問題容易理解,也容易進(jìn)行分析。但對(duì)一些巖土工程的巖土力學(xué)問題,在實(shí)驗(yàn)與分析中卻往往容易忽略其過程問題。

1 涵洞土壓力過程分析例證

埋管豎向土壓力分為上埋式和溝埋式,上埋式的豎向土壓力大于涵管上的土柱自重壓力,溝埋式的豎向土壓力小于涵管上的土柱壓力[5]。實(shí)際上,實(shí)測和分析都表明,對(duì)溝埋式涵管的豎向土壓力,其值小于上土柱壓力僅為涵管上填土剛剛完工后的情況,隨著時(shí)間的發(fā)展,涵管上內(nèi)外土柱、土體在應(yīng)力差作用下會(huì)不斷地進(jìn)行應(yīng)力和變形的調(diào)整,最終作用于涵管的豎向土壓力會(huì)趨向于土柱壓力。若不考慮這一過程問題,在設(shè)計(jì)中就會(huì)少計(jì)作用于涵管結(jié)構(gòu)的荷載。如圖1所示的《地下管設(shè)計(jì)》[1]資料為現(xiàn)場測試的成果,其反映了時(shí)間及涵管剛度對(duì)涵管豎向土壓力的影響。

圖1 歷經(jīng)21 a在剛性及柔性管上量得的荷載

又例如,作用在涵洞或埋管上的土壓力計(jì)算理論及公式較有名的就有十多個(gè)。學(xué)者們根據(jù)散粒體的極限平衡理論、根據(jù)從變形協(xié)調(diào)條件出發(fā)的彈性力學(xué)解法、根據(jù)卸荷拱理論的豎向土壓力算法、根據(jù)修正或不修正的土柱壓力理論法、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合法,各自建立了相應(yīng)的理論和提出了計(jì)算公式。但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到,每種公式都有其適用條件,設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)具體工程的土體、結(jié)構(gòu)體工況、施工工藝、運(yùn)營條件依據(jù)過程分析選用合適的公式進(jìn)行計(jì)算最為正確。實(shí)際上調(diào)查和統(tǒng)計(jì)得知,我國正在運(yùn)行涵洞工程的70%都存在工程病害,分析認(rèn)為許多工程病害是由于土壓力計(jì)算不當(dāng)造成的,而且是依據(jù)行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算造成的,其失誤就是沒有在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行過程分析。圖2為用各家公式計(jì)算的涵上填土高度與作用在涵頂豎向土壓力的關(guān)系,可見若不進(jìn)行過程分析,選用合適的公式,造成的影響會(huì)有多大。

圖2 涵頂應(yīng)力隨填高變化

圖3是一張?jiān)诤斾佋O(shè)EPS泡沫板用轉(zhuǎn)移法減荷工況時(shí)在離心力作用下一段時(shí)間后的照片。從照片上可以看出,由于EPS板的壓縮變形作用,使板上一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生了拉應(yīng)力破裂,破壞面剛好是一個(gè)卸荷拱的形狀。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為,該結(jié)果一定反應(yīng)了某種事實(shí),但這種事實(shí)是否就是真實(shí)的工程事實(shí)卻需要進(jìn)行理性分析。

圖3 涵洞工程EPS板轉(zhuǎn)移法減荷離心模型試驗(yàn)結(jié)果

可能的分析結(jié)果認(rèn)為,由于EPS板變形量較大,填土較高,涵洞上填土中會(huì)產(chǎn)生拱效應(yīng),涵頂豎向土壓力為塌落拱下的土重。但實(shí)際工程中,40 m高的填土是分層分時(shí)施加的,在每一層填土重力作用下,EPS板都會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形,由EPS板變形引起的土體沉降會(huì)在下一層填土過程中予以補(bǔ)平。當(dāng)填土施工完成后,EPS板的絕大部分變形也會(huì)完成,不會(huì)產(chǎn)生如圖3所示的卸荷塌落拱形狀的破裂面。而試驗(yàn)中產(chǎn)生的現(xiàn)象是因?yàn)樵谀Ｐ椭?填土高度僅幾十厘米,在模型填土過程中,這么小的土柱壓力不會(huì)給EPS板造成過大的變形,更不會(huì)使土體產(chǎn)生卸荷拱狀的破裂面,圖3所示的卸荷拱形狀破裂面是在施加離心力100 g后產(chǎn)生的,這就表明在模型試驗(yàn)中,填土的自重壓力是一次施加的,是沒有模擬分級(jí)施工加壓的過程才產(chǎn)生的另一種事實(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。通過這個(gè)實(shí)例可以看出,若對(duì)試驗(yàn)結(jié)果不加理性的分析,就可能會(huì)把實(shí)際中不存在的實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)作成果或規(guī)律而加以誤用。

又例如用靜力模型試驗(yàn)可研究上埋式涵管的土壓力,但因?yàn)樵囼?yàn)設(shè)計(jì)不同會(huì)產(chǎn)生不同的試驗(yàn)結(jié)果。圖4為顧安全教授的涵洞土壓力靜力模型試驗(yàn)裝置,該研究成果曾獲全國科技大會(huì)獎(jiǎng)。

圖4 模型槽裝置示意圖

顧安全[5]靜力試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶雌矫鎲栴}考慮,模型槽子底板分為3塊,管道左右兩塊固定,管道底下的一塊活動(dòng)板作為基礎(chǔ),托著管道模型,并借助于千斤頂控制其升降,選用風(fēng)干砂作為模型填料。為了減小模型槽前后玻璃與填砂之間的摩擦力之影響,管道模型沿軸向分離為12cm、26cm、12cm三段,試驗(yàn)數(shù)據(jù)只采用中段。假設(shè)涵管上的土柱壓力為γ H,填土對(duì)涵頂?shù)耐翂毫棣襷,定義 K=為土壓力集中系數(shù)。其中:γ為填土重度(kN/m3);H為管頂填土高度(m)。對(duì)于上埋式剛性涵管,顧安全的研究得出K＞1.0。

下面是國內(nèi)某上埋式涵洞靜力模型試驗(yàn)公開發(fā)表的研究成果。

模型箱長1.8m,高1.2 m,厚0.4 m。三面用槽鋼加固不變形的剛性板構(gòu)成,一面為2cm厚的可拆卸有機(jī)玻璃板。涵洞模型用有機(jī)玻璃制成,采用蓋板涵結(jié)構(gòu)形式,長度為40cm,總高度16cm。模型的填料采用粒徑＜3mm的風(fēng)化頁巖土,濕重度14 kN/m3,含水率11%左右。

根據(jù)模擬相似分析與加載條件,最大模擬原型填土高度50 m,當(dāng)模擬高度大于20 m以上時(shí),增加的模型填土高度重量用反力架加載代替,認(rèn)為用加載代替上部(100cm以上)模型填土不會(huì)對(duì)土壓力傳遞和涵洞周邊應(yīng)力與位移分布產(chǎn)生明顯影響。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用經(jīng)驗(yàn)擬合方法得出K＜1.0。顯然,這個(gè)研究工作對(duì)于試驗(yàn)的過程設(shè)計(jì)不足,用加壓替代部分填土是不足之一,未考慮填土與模型箱側(cè)壁摩擦力是不足之二。

2 路堤沉降量計(jì)算例證

如圖5所示的填方路堤,若計(jì)算其斷面最終沉降量,不論是電算還是手算,一般情況下沉降曲線一定是路堤中間大,兩邊小。實(shí)際上,圖6是作者實(shí)測的沉降過程圖。

圖5 路堤沉降示意圖

圖6中橫坐標(biāo)表示填土路堤橫斷面的水平位置,0 m表示路堤中線,縱坐標(biāo)表示布置在路堤某高程水平面上沉降儀器測得的沉降差隨填方進(jìn)程的值。從圖中資料可知,填方早期的沉降曲線都是中間向下凹,后期的都是上凸形。實(shí)測結(jié)果表明每一層填土的沉降差隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律都相似。但這種結(jié)果同解析法和數(shù)值計(jì)算結(jié)果不相同,需要加以討論。

圖6 路堤橫斷面S2-S3沉降曲線

對(duì)大面積分層填土荷載而言,土體某水平面下部附加應(yīng)力沿橫斷面的分布按彈性理論解是中心大、兩邊小,所以下部土體的沉降應(yīng)是中心大,兩邊小,呈下凹曲線形狀,解析法及數(shù)值計(jì)算法也都得到類似結(jié)論,原型觀測沉降在施工前期也是這種分布規(guī)律。那么為什么施工后期的沉降曲線會(huì)變成上凸形呢?作者認(rèn)為對(duì)填土施工過程而言,某一層土填完后,其引起的沉降曲線為下凹形,但在填下一層土?xí)r,會(huì)將下凹部分補(bǔ)平,這種過程會(huì)隨填土高度的增加持續(xù)發(fā)展。在施工早期因路堤中部土體的附加應(yīng)力一直較路堤兩邊要大,則中部沉降發(fā)展過程較快,又因路堤中部每層土體的下凹部分會(huì)被上層土體填平,則路堤中部土體的密度或變形模量隨填土過程的發(fā)展大于兩邊土體的值。則中部土體沉降會(huì)較兩邊小,從而出現(xiàn)了施工后期沉降曲線呈上凸形。

這個(gè)例子說明,設(shè)計(jì)時(shí)若不考慮施工過程計(jì)算的沉降是一種結(jié)果,而原位實(shí)測的沉降因含有施工過程又是一種結(jié)果。若不進(jìn)行過程分析,就不知差別有多大。許多研究性問題,若不考慮工程問題的過程分析,也易得出不正確的結(jié)論。例如:土工離心模型試驗(yàn)是一種仿真分析。尤其適合用原型材料進(jìn)行模型試驗(yàn)和以重力為工程主要影響因素的試驗(yàn)研究。但若試驗(yàn)設(shè)計(jì)不合理,測試結(jié)果仍會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際工程現(xiàn)象不相符的情形。

3 結(jié) 語

若不考慮施工過程與工程條件,就會(huì)誤算作用在涵洞上的豎向土壓力。對(duì)高填方路堤地基的沉降計(jì)算,若不考慮施工過程,其計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果就存在很大的差別。對(duì)研究性問題,若實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)不合理,不進(jìn)行研究對(duì)象的過程分析,就容易把實(shí)際工程中不存在的試驗(yàn)結(jié)果誤當(dāng)作成果和規(guī)律運(yùn)用。

[1]A.P莫澤.地下管計(jì)算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003:42.

[2]Hirohisa Kamata,Hideto Mashimo.Centrifuge model test of tunnel face reinforcement by bolting[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2003,18:44-51.

[3]楊錫武,歐陽仲春.加筋高路堤陡邊坡離心模型的研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2000,33(5):32-40.

[4]顧克明.涵洞[M].北京:人民交通出版社,1993:321.

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