奇谈怪论土力学 李广信
在教学中关于概念和原理恰当的议论、比喻和穿插小故事将会加深学生的理解和记忆、活跃课堂气氛。但亦不能用滥,以致喧宾夺主。这里举一些例子供参考。
1 土
“普天之下,莫非王土;率土之宾,莫非王臣”,“弃之如粪土”,“粪土当年万户侯”……土,是尊贵还是轻贱?土力学值得一学吗?
卡特在“表土与人类文明”一书中断言:土,生长了人类文明。只要量测人类古文明发源的尼罗河、两河(幼发拉底河与底格里斯河)、印度河与黄河、长江流域土层深度就应当承认这一断言是正确的。
2 土的级配
土中颗粒尺寸大小基本一致称为级配均匀;大、中、小各种尺寸颗粒比例合适称为级配良好。在工程中是否级配良好就一定“好”,这要看具体情况。比如作一般填料,希望级配良好;而用于反滤料,则希望每层土料级配均匀。
正如在军队中,要求战士们年龄级配均匀,以便于训练与战斗,而不同级别军官年龄则应级配良好,可发挥不同年龄段人的经验,阅历和威望。同样,希望学生级配均匀,教师级配良好。但是听说,已经允许接近70岁的大学生入学,则是新问题。
3 塑性指数与液性指数
粘性土的塑性指数I P=w L-w P,即由液限含水量减去塑限含水量,它是由土性决定的,所以常用于土的分类。液性指数I L=(w-w P)/I P,它主要由土目前的含水量w决定,是表明粘性土软硬的一种状态。对于粘性土,前者是不变的,后者是可变化的。塑性指数如同你的姓,将你划归了哪一家就不变了。液性指数如同你的年龄,是“状态”的描述。
4 关于不均匀系数等
不均匀系数C u越大,土就越不均匀;液性指数I L越大,土性就越接近于液态;相对密度D r越大,砂土就越密实;渗透系数K不叫“阻力系数”,它们都是由其定义决定的。记住了这一点,就不会将它们的定义公式记反。
5 土的强度
土的强度不是由组成土颗粒的矿物强度决定的,主要由颗粒间的结合和相互作用决定的。所以砂土常被称为“一般散沙”;而粘性土的粘聚力与岩石晶粒之间的键连结相比很微弱,所以我们用石块打人会打破头,而用土块打人顶多起个包。
6 渗透力
渗透力是渗透水流对于土颗粒的拖曳力。正如在小溪中流水对于河床中的卵石的拖曳力一样,会冲动它,使其滚动。
7 达西定律
达西定律的公式表示为:v=ki
与欧姆定律比较会发现二者十分相似:I=V/ R
其实二者的物理机理是完全一致的:i与V(水力坡度与电压)都是一种“势”;1/k与R(渗透系数的倒数与电阻)都表现为一种阻力;v与I(水流速与电流)都表现为一种“流”。亦即“流”正比于“势”,反比于“阻”。
8 等效水平渗透系数k n与k v等效垂直渗透系数
前者k n=∑H i k i/∑H i 后者k v=∑H i/∑
H i
k i 通过算例可以发现对于渗透系数量级差别很大的多层土,前者往往由渗透系数最大的那层土控制;而后者基本上由渗透系数最小的那层土控制。例如,如果有一层完全不透水层,则等效垂直渗透系数也就为0。
所以,前者似乎是各级官员开会,由“官”最大的说了算;后者是联合国常任理事国开会,实行一票否决。
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岩土漫话GEOTECH NICA L E NG I NEERI NG WOR LD VO L.6 No.8
9 有效应力原理的提出
太沙基(Terzaghi)有一次雨天在外边走,突然滑了一跤,他爬起来一看,原来地面是粘土,下雨了当然很滑。俗话说吃一堑,长一智。为什么人在饱和粘土上会滑倒,而在干粘土和饱和砂土上不会滑倒?他就陷入了思考。他仔细观察发现鞋底很平滑,滑动地面上有一层水膜。于是他认识到:作用在饱和土体上的总应力,由作用在土骨架上的有效应力和作用在孔隙水上的孔隙水压力两部分组成。前者会产生摩擦力,提供人前进所需要的反力;后者没有任何抗剪强度。人走在饱和粘土上,瞬时总应力都变成孔隙水压力,粘土渗透系数又小,短期内孔压不会消散转化为有效应力,因而人就会滑倒。从而他总结出了著名的“有效应力原理”,后来又提出了“渗流固结理论”。可见智者一跌,必有所得;愚者跌倒,怨天尤人。
10 孔压的消散与土的抗剪强度
孔压消散,有效应力提高,土的抗剪强度才能发挥。
下雨了,在粘土表面上洒一层砂;汽车的轮胎和鞋底制成纹路,除了用来增加与地面的咬合力以外,主要还是为了排水,使局部孔压尽快消散,提高土的抗剪强度,提供摩擦力。
11 有效应力强度指标和总应力强度指标根据有效应力原理,土的抗剪强度是由有效应力决定的,孔隙水压力不会产生抗剪强度。但有时又无法将有效应力和孔隙水压力分开,只好用总应力与抗剪强度的关系表述,也就是用总应力指标(c.φ)。
这正如工厂的计件生产率与全员生产率一样, 100个工人共生产了1000个产品,则实际生产率为10个/人,而工厂共有人员200人(包括行政管理、党、团、青、工会、计划生育……)全员生产率为5个/人。
12 渗透力与有效自重应力
从前有两头驴,一头驮的盐,另一头驮的棉花。前者埋怨驮的重,羡慕后者的轻载。二者过河时,荷载都减轻了,当背部露出水面时,驮盐的由于盐溶化于水,负荷大大减轻,高兴得唱起了歌;而驮棉花的驴一出水则站不起来了,为什么呢?可以分析一下。
这时饱和棉花的有效自重应力大大增加了:
σ′
z
=(γ′+j)h
对于棉花,浮容重可忽略。水向下渗流j=γωi。由于渗径与水头(位置水头)相等,i=1.0。h为棉包高度,那么这头驴四蹄承受的巨大棉包的重量是相当可观的。
13 毛细力与假粘聚力
干的砂土与饱和砂土是没有粘聚力的。而潮湿的砂土中砂粒间有水将它们连接起来,水气表面的毛细力将砂粒“粘接”在一起。形成“假粘聚力”。
由于毛细压力为负孔压u<0,σ′=σ-u,则砂粒间有效应力为正,会产生抗剪强度,称为假粘聚力。
我们将湿手插入干砂,拔出手后,手上会“粘”有许多砂粒;在河(海)砂滩的干燥部分和水下部分,我们无法竖直挖洞;而在潮湿部分,我们可以垂直挖一个小竖井而不垮,这就源于“假粘聚力”。
14 有效应力原理与抗剪强度
粘土的摩擦强度由有效应力决定,σ′=σ-u。但有时我们希望减少摩擦强度。例如在振动碎石桩中,利用振动使砂土液化,减少阻力,使土加密。
其实大多数润滑作用都是利用有效应力原理,比如机器加油是利用孔隙油压力减少有效应力与摩擦阻力;滑冰与滑雪实际上是利用高速滑动的滑力与滑板底面与冰雪间一层薄水膜的孔隙水压力减少阻力。在极低的温度下,冰雪并不“滑”,就是由于缺少这层水膜。
15 流网的密集
流网网格密集处表明该处水力坡降大,而该流道的流量往往由最密处控制。这正如堵车时,沿线的车流量由事故或堵塞处的车流量控制一样。
16 土的液化与总竖向应力
一个火车车厢内放置了1000个鸽笼,如果鸽子全部同时飞起在空中,该车厢的货载只算鸽笼的重量吗?
那么,一桶饱和松砂在液化时砂粒处于悬浮状态,桶底上的竖向压力只等于桶内的静水压力吗?它只等于桶中的孔隙水重量吗?某些人正是在这一点上犯错误。
17 主动土压力与被动土压力
主动土压力是墙离开土体时土体达到极限状态
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岩土工程界 第6卷 第8期岩土漫话
时墙上的土压力,它是土体不破坏时的最小土压力;被动土压力是墙体挤向土体,使土体达到极限状态时的墙上的土压力,它一般比主动土压大得多。
这正如在一个拥挤的公共汽车上,我们上车时要挤压人群,相当于施加被动土压力,是相当吃力而辛苦的;而上车后关上门,我们后退一步则压力大大减少,相当于主动土压力。所谓进一步千难万难,退一步海阔天空。
18 土颗粒的压缩性与土骨架的压缩性土的压缩性实际上是土骨架的压缩性,它不是土颗粒的压缩性,土的压缩性是很大的。而土颗粒在土力学考虑的压力范围内,可以认为是不可压缩的。世界上最深的太平洋海沟水深11000多米,相当于1100个大气压,海底的土粒,锰核体积压缩量极小。将一定体积的土体放到这样海底,土的体积基本不变(除非用橡皮膜包上并排水)。
19 承载力的深度修正
基础的埋深对于承载力有很大影响。由于将基础两侧土体γd当成是旁侧的超载,它有两个作用:
(1)本身阻止土体滑动向上隆起;
(2)在滑动面上产生摩擦阻力。
当φ=0时,无后边一项,深度修正系数ηd=1.0。
η
d
不能小于1.0,否则逻辑上会不通。例如,如果在静水中,放入一木块,沉入一定深度,本来水承载力为0,深度修正系数为1.0,则静水产生的浮力正好为木块自重。如果ηd<1.0。则静水水面无法水平。20 一柱一桩与一柱多桩
在广州和深圳等地,常常使用一柱一桩的基础形式。如果采用一柱九桩,有两根桩质量较差,则基本没有危险。但在一柱一桩时,桩发生了问题,柱就会下沉,引起相邻柱间的差异沉降及结构破坏。所以这时的安全系数要提高。
这正如独生子女一样,他不成材则全无希望。21 土工织物与土工合成材料
近20年来土工织物与土工合成材料以其优越的性能被广泛使用,用于加筋、防护、防渗、排水、隔离和反滤等各个方面。那些曾经被用作制作服装的尼龙、的确良、锦纶和各种聚酯材料大量被用于土工方面。80年代时欧洲每年使用的土工织物面积已经超过欧洲总面积的1/10。
白居易看到舞女在织物上歌舞,在“红线毯”一诗中发出了“地不知寒人要暖,少夺人衣作地衣”的呼吁。而目前许多土工织物和土工合成材料恰恰被用于路面、桥台和挡土墙的防冻。
岩土工程勘察规范与岩土工程行业新模式
高大钊 莫群欢 顾宝和 撰稿
这份材料从回顾我国岩土工程勘察规范的历史沿革、综述我国岩土工程的发展现状及其与国外岩土工程业的比较入手,阐述了我国加入WTO后岩土工程体制改革应如何应对,以及岩土工程勘察规范在我国岩土工程标准体系中的地位与作用等重大问题,说明了新规范修订的背景、修订的必要性和修订的原则,然后切入主题,解释新规范的主要修订内容及其强制性条文和原位测试与土工试验等方面的新问题。在展开讲解主要修订内容(14个问题)及其强制性条文和原位测试与土工试验等部分时,还追本溯源旁证博引,与国外某些现行的有影响的规范或科研成果进行比较,力求翔实透彻,有充分依据。
本书由浙江省建协地下工程分会内部印制,每册人民币20元。
《岩土工程界》编辑部代售(加10%邮费)。
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