欢迎来到『东合南岩土』官方网站!

岩土研究院

岩土工程入门者遇到的四个知识点

420 2020-12-28 10:53:34

岩土工程是土木工程的分支,是运用工程地质学、土力学、岩石力学等解决有关岩石及土的各类工程问题的科学。


结构和岩土不分家,结构工程师也经常会遇到岩土相关问题。结构工程师平时接触岩土知识较少,有时在看岩土方面资料时会觉得吃力。下面这些问题就是结构工程师在看岩土资料时产生的疑惑,可能对于岩土工程师来说,这些概念都十分基本,所以书籍资料中都没有进行仔细说明,却经常让岩土入门者费一番思量。


土和水是如何相互作用的?饱和黏土的不固结不排水强度包线为什么是一条水平线?外倾结构面又是什么?本文就将最近思考的这几个岩土问题分享给大家,希望能帮大家理清一些基本概念和思路。


01

问题一:水到底是浮力还是荷载?

01

问题描述

我们先来看两个题目。


1. 大面积填海造地工程平均海水深约2.0m,淤泥层平均厚度为10.0m,重度为15kN/m3,求淤泥层中点的有效应力。

图1 土层及海水分布示意


2. 某场地地下水位如图2所示,已知黏土层饱和重度γsat = 19.2kN/m3,砂层中承压水头hw = 15m(由砂层顶面起算),h1 = 4mh2 = 8m,求砂层顶面的有效应力。

图2 某场地土层及地下水分布情况


第1题求淤泥层中点的有效应力,应为:

Pcz = (γs - γw)×Hs / 2 = (15-10)×10 / 2 = 25kPa


第2题求砂层顶面的有效应力,应为:

σ' =  (γsH2 + γwH1) - γwHw = (19.2×8 + 10×4) - 15×10 = 43.6kPa


上面两题都是求土中某点的有效应力,水同样都漫过了土层顶。为什么第1题将水作为浮力考虑,采用浮重度(γs -γw),高出土层的部分也没有作为荷载考虑;第2题却不仅没有将水作为浮力,没有对γs采用浮重度,还将高出土层的水作为荷载考虑,加到了原有的土重上,采用(γsH2 + γwH1)水到底是浮力还是荷载?


02

小编思考

对于透水层,且水漫过土层顶的情形,水能够在土颗粒间自由流动。对于每一颗土粒,由于来自下表面的的水压力都会与上表面的水压力形成浮力,所以水提供浮力作用,高出土层部分的水也不作为荷载考虑。


这时,我们可以将水浮力与场力进行类比,水只是提供浮力的背景。就像我们在地球周围,处于地球的引力场内,受到引力;或者像铁在磁铁附近,处于磁场中,受到磁力。当我们考虑处于水环境中的土时,只需要考虑水提供的浮力场,而不再需要考虑水本身。水对处于其中的物体,只是提供浮力的背景,不是荷载。


而对于不透水层,水不能在不透水层的土粒间自由流动,土的上表面受到土层上方水的水压力,土的下表面受到土层下方水的水压力,但水压力被中间的不透水层隔离,因此高出土层部分的水不提供浮力作用,作为荷载考虑。


这时,对于高出土层部分的水,我们可以将其下的不透水土层想象成盛水的杯子。杯子承载着其上的水,水对于杯子来说,不提供浮力,是荷载。


02

问题二:对于水不提供浮力作用的黏土层,有效应力为什么小于总自重应力?

01

问题描述

我们再来看一个题目。


某土层剖面及各土层的厚度、重度分布如图3所示。中砂层③中含有承压水,水位与地面齐平。画出竖向有效自重应力 σz' 沿深度的分布。

图3 某场地土层及地下水分布情况


竖向总自重应力 σz,孔隙水压力 u,竖向有效自重应力 σz' 沿深度的分布如图4所示。

图4 应力分布图


在问题一中小编提到,对不透水的黏土层,水不提供浮力作用,是荷载。那么在这里黏土层的有效应力为什么会小于总自重应力?


02

小编思考

我们先来看一个杯子模型,如图5所示。一个盛水的杯子,中间有一块挡板,挡板左侧的水位低,右侧的水位高。由于挡板左右的水位存在差异,水会对挡板施加一个向左的力(图中蓝色箭头所示),反过来挡板也会对水施加一个向右的力(图中红色箭头所示),维持着平衡。

图5 杯子模型


现在我们将杯子顺时针旋转90°,将中间的挡板换成黏土层,这样就变成了和题目相同的情形,如图6所示。

图6 黏土模型


与上面杯子模型中挡板的情形类似,水对黏土施加一个向上的力(图中蓝色箭头所示),反过来黏土也对水施加一个向下的力(图中红色箭头所示)。


杯子模型与黏土模型不同的是,在杯子模型中,挡板与水的相互作用力是在挡板处瞬间完成的。然而在黏土模型中,黏土与水的相互作用力是在整个黏土层范围内逐渐完成的。


题目中,黏土层②层顶的孔隙水压力为10kPa,层底的孔隙水压力为60kPa,黏土层相当于挡板,孔隙水压力的差距在整个黏土层范围内逐渐被挡住。因此孔隙水压力沿深度的分布图,在黏土层②层的范围内,孔隙水压力从10kPa逐渐增大至60kPa。相应的,黏土层在挡住水压力的同时也受到水压力的作用,有效应力减小。


03

问题三:饱和黏土的不固结不排水强度包线为什么是一条水平线?

总应力莫尔圆为什么会集中为唯一的有效应力莫尔圆?

01

问题描述

如图7所示,饱和黏土的不固结不排水强度包线是一条水平线,这是为什么?

图7 饱和黏土不固结不排水强度包线


02

小编思考

不固结不排水试验中,土样始终是饱和的(i.e.饱和度 Sr 始终为100%),且试验过程中不排水(i.e.水和土的质量保持不变,含水量 保持不变),因此在整个试验过程中土样的孔隙比 保持不变,土体不发生固结。


土抗剪强度的提高是由于在排水固结过程中,土中孔隙减少,土变密。因此不固结不排水试验中,由于土不发生固结,土的孔隙比保持不变,土没有变密,土抗剪强度始终保持不变。也就是说,无论围压如何变化,土抗剪强度不变,反映在强度包线上就是一条水平线。


03

问题描述

如图7中虚线所示,所有的总应力莫尔圆会集中为唯一的有效应力莫尔圆,这是为什么?


04

小编思考

土的固结过程是饱和土体内的超静孔隙水压力逐渐消散,总应力转移到土骨架,有效应力逐渐增加,土体被压缩的过程。不固结不排水试验中,土体不发生固结,附加的荷载完全由超静孔隙水压力承担,也就不会有附加荷载转移到土骨架上。因此土的有效应力就不会发生变化,反映在莫尔圆上就是唯一的一个有效应力莫尔圆。


04

问题四:什么是外倾结构面?

01

问题描述

《建筑边坡工程技术规范》的术语解释中将外倾结构面解释为:倾向坡外的结构面。那么到底什么是外倾结构面?


02

小编思考

边坡规范4.1.4条表格,注2是这样规定的:外倾结构面系指,倾向与坡向的夹角小于30°的结构面。


倾向的定义为:层面上与走向线垂直并沿斜面向下所引的直线为倾向线,倾向线在水平面投影的方向即倾向。


坡向的定义为:坡面法线在水平面上投影的方向。


其实倾向与坡向的概念基本是相同的:都是在水平面上与走向相垂直的线,方向都是从结构面的较高处或坡顶指向结构面的较低处或坡脚。只不过倾向描述的是边坡的结构面,而坡向描述的是边坡的坡面。


由于倾向和坡向都是与走向垂直的直线,故判断外倾结构面时,可以改用走向线的夹角来进行判断,这样可以使判断过程变得简单一点。因为走向线是天然可以看到的,而倾向线天然看不到,还要转换一下垂直关系再投影到水平面上,有点麻烦。


因此,满足下列条件即可判断为存在外倾结构面:结构面与坡面的走向线夹角小于30°,且结构面与坡面的倾斜方向一致。(加上后半句是因为倾向或坡向是有方向的,由高的地方指向低的地方,而走向线是沿两个方向延伸的,所以需要排除倾向与坡向的夹角为150°~180°的情况,此时走向线的夹角仍然小于30°。)


下面举个例子,图8和图9两个岩质边坡,哪个存在外倾结构面?

图8 岩质边坡1


图9 岩质边坡2


图8中,我们看到的这个临空面就是边坡的坡面,坡面的走向沿图片左右方向。边坡的结构面在图中用蓝线画出,结构面的走向沿垂直纸面里外方向。坡面与结构面的走向线夹角基本为90°,所以不存在外倾结构面。


图9中,边坡的走向沿AB方向,结构面的走向也是沿AB方向,夹角基本为0°,边坡和结构面的倾斜方向一致,都是左高右低,所以存在外倾结构面。


规范规定外倾结构面,是为了判断是否需要考虑结构面对边坡稳定的影响图8坡面的破坏沿我们能看到的这个临空坡面,而结构面的破坏则沿蓝线的方向,相互垂直,互不相干,因此无需考虑。图9坡面的破坏和结构面的破坏都沿CD方向发生,相互间会产生影响,因此需要考虑。


本文分享上面这些思考,是希望能帮结构工程师们更形象地理解岩土工程中的一些基本概念,将原本摸不着头脑的岩土知识与我们的力学常识联系在一起,给大家带来些许启发。




参考文献:

1. 全国注册土木工程师(岩土)执业资格考试专业考试案例试题

2. 李广信,张丙印,于玉贞.土力学(第二版).清华大学出版社

3. 建筑边坡工程技术规范(GB 50330-2013)

4. 百度百科