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经典土力学理论的根本局限性和灾难性后果 精选

已有 10317 次阅读 2014-10-18 15:41 |系统分类:科研笔记

经典土力学理论的根本局限性和灾难性后果

岳中琦

201211月中旬,我再去了汶川地震灾区,进行次生地质灾害调查。在21日,来到了彭州龙门山镇到银厂沟风景区之间的湔江沟谷两岸,进行滑坡和泥石流灾害考察。见到了图1所示的一段新修建公路山坡滑塌。它位于东林寺(西边)与彭家地(东边)之间。这段新修建公路随同山坡岩土体一道,在20128月一场大雨中,滑塌到了山坡下方湔江深沟谷之中。

这条公路道面平整,排水沟和边坡挡土墙修建完好。它应该是2008512日汶川大地震之后新建筑在高山坡之上,以通往沟内的银厂沟风景区。这段公路与边坡的设计应该是符合现行斜坡工程安全设计理论和规范。但是,它为什么就在大雨期间滑塌呢?!

这引起了我的高度关注:这到底是什么原因?

这使得我联想到,滑坡及其灾难在世界各地、经现代岩土工程设计与施工的工程斜坡中也是不断地发生。

多少年来,一旦工程斜坡发生滑坡、产生灾难,岩土工程人员都要找滑坡原因。结果大多为不可预见的地质和自然条件。例如,地下地质条件的变化超出了勘察要求和预期结果,或发生了百年或千年不遇的强降雨或大地震。或者,它们是由各种地质、气候、环境、建设等因数综合造成的。人为原因造成工程斜坡失稳的事例也时有发生,例如,隐蔽工程施工的偷工减料或豆腐渣工程。调查属实后,又有岩土工程人员要犯法。

我不得不问,工程斜坡滑坡或灾难存在其它根本性原因吗?

通过再深入学习、思考、讨论和研究,我认识到,一个根本原因就是经典土力学理论存在一个根本局限性。这个根本局限性就是,经典土力学理论是建立于完全压剪应力状态。它可表示为:

                                            1

其中,分别是土体内任何一点的三个正交主应力面上的主正应力。这三个正交主应力面上的剪切应力均为零。一般规定,压缩正应力为正值,拉张性正应力为负值。

应该是个最为基本假设,因为人们知道,土体是基本上不能承受拉应力。土体的抗拉强度几乎等于零。因此,精确地讲,经典土力学理论是压剪岩土力学理论,是仅仅适用于土体完全受到压剪应力作用的,不存在拉张应力分量。它创建和适用于地基土体基础的设计和计算,因为地基土体一般是出于完全压剪应力状态的。这种完全压剪应力作用使得土体孔隙率减小、土体强度增大,土体变得稳定。它包括Mohr-Coulomb 剪切强度理论、Terzaghi有效应力原理、土体排水固结理论、和孔隙水渗流理论。因此,应用经典土力学理论设计与施工的现代建筑物土体地基基础的大幅度沉降或不稳定破坏现象极少。

但是,这种经典理论的创建者和后辈们,却将这个压剪土力学理论应用到了斜坡和开挖工程中,建立了一系列斜坡工程安全设计理论和计算方法。这种应用扩大了这个压剪土力学理论的适用范围。它使得现代斜坡工程安全设计理论存在根本缺陷。这是因为,斜坡和开挖工程的土体所受到的应力状态,可能不是完全压应力和剪应力。在重力作用下,斜坡和开挖土体内部一般是存在拉张应力分量的。斜坡土体内任何一点的三个正交主应力值大小可表示为:

                                        2

                                      3

这个拉张应力分量使得抵抗拉应力强度几乎等于零的斜坡土体向坡地下方移动。它能逐渐、不断地造成土体拉张变形与破裂,使得土体孔隙增大、土体抗剪强度和抗变形能力减少、土体渗透能力增大。从而,斜坡土体变得越来越不稳定。最终在雨水和地下水的附加作用下,拉张变形孔隙增大了的斜坡土体会突然向下垮塌和滑落。

建立在经典土力学理论之上的现代斜坡工程安全设计理论,却没有合理考虑和设计,斜坡土体如何抵抗这个土体所受到的拉张应力分量。由于工程斜坡众多和它们的降雨、场地和环境变化较大,这个现代斜坡工程安全设计理论的根本缺陷可以导致,达到安全设计标准的工程斜坡,在营运过程中,发生滑垮、产生灾难性后果。

因此,滑坡及其灾难在世界各地、经现代岩土工程设计与施工的斜坡中就不断地发生。这也就很客观合理地解释了,图1所示的道路与削土斜坡,在建成后二、三年内,在大雨中,突然跨塌、滑掉到湔江河谷之中。

  全文参见:现今斜坡工程安全设计理论的根本缺陷与灾难后果,《岩报》, 第36 9 期,2014 9 : 1601-1906 http://www.cgejournal.com/CN/volumn/home.shtml

DOI:10.11779/CJGE201409005

2014101815:35写成于香港大学黄克兢楼办公室

 




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