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温度变化时物体的热胀冷缩,若变形受到外界限制则会产生热应力,可能引起物体的破坏,如博文 热胀冷缩都能引起破坏呢http://blog.sciencenet.cn/blog-275648-1094382.html 所说。
如果物体内部温度变化与位置相关,则会引起物体形状的改变。这就是常说的“太阳把木板晒翘了”。据此给出地面石板断裂的一个可能解释。
为了便于行走,校园内多处绿地铺设长L 为100 cm、宽b 为35 cm的鲕粒灰岩的石板,厚度h 有 5 cm 和8 cm两种(纸片7.5 cm),质量约47 kg和76 kg。草地上断裂的石板约有5% 或更多,而茂密桃林中石板断裂较少。
有些裂隙是新鲜的,有些已经充填泥土、甚至长出小草,据此可以判断石板破坏并非在施工期间,而是使用过程中因环境变化,如泥土的不均匀沉降所致以及温度变化等引起。此外,石板直接铺设在泥土之上,但施工时都会对地基进行平整、压实,并踩踏石板确认铺设质量。又,人原地跳起对地面作用力在体重两倍以上。
裂缝多在石板中部,形状复杂多变,多数并不平直,应属于张拉形成。不过,温度降低时石板收缩,尽管受到土基摩擦而承受拉应力,但1m长、5 cm厚石板中部最大值大致在0.6 MPa,似乎不会引起众多石板的拉伸断裂。当然,假若5 cm厚石板达到 2 m长则可因热应力而拉伸断裂。
注:若摩擦系数μ=0.6,正压力来自于0.1 MPa的大气压力( 厚5 cm石板相当于13 cm 的水,其重量可忽略不计),则石板中部的最大拉应力为(μ*0.1*bL/2)/bh =0.6 MPa
石板与地基接触良好则不可能因行人踩踏破坏。不过,盛夏中午石板因热辐射而温度随厚度变化,上下表面温度60℃和30℃,即温差∆T为30℃,石灰岩热膨胀系数为0.7*10^(-5)/℃,则上下表面长度将相差0.21 mm,引起石板弯曲,中部向上凸起:厚 5 cm 时凸起0.53 mm,而厚 8 cm 时凸起 0.33 mm。石板底部受到地基摩擦力阻碍膨胀,实际凸起还会更高。
石板可以看成简支梁,假设两支承点间距离为0.8L,则中间受集中载荷F 时最大拉应力为1.2LF/(bh^2)。若两人相向通过且左脚作用于同一石板的中部,则作用力F 可达 150 kg或更高,板厚5 cm和8 cm时拉应力为 2.06 MPa和0.78 MPa。这里没有考虑载荷沿宽度b方向的不均匀及石板自重。若计算自重,后者拉应力增大到0.94 MPa.
注:石板从中部开始逐渐凸起,而两侧与大气相通,大气压作用对石板凸起部分是平衡的。又,冬天石板因冷空气作用而降温收缩,但内部不会有明显的温度梯度而弯曲变形。
岩石内部总存在各种缺陷,而石灰岩脆性显著,拉伸强度试验值离散较大,其下限可以很低。河南省登封向阳矿标高421.9 ~ 566.5 m间钻孔取心,其中8个层位是石灰岩。23个圆柱试样单轴压缩强度为42.9~224.5 MPa;而24个圆盘劈裂强度为0.91~7.65 MPa,平均值3.90 MPa,标准方差1.85 MPa,其中两个层位各3个强度为0.91、3.10 和5.17 MPa及1.29、2.08 和6.11 MPa。此外,大尺度岩石构件的强度通常还低于室内试样的数值。
少数石板热变形凸起后可能因行人踩踏而破坏;当然,随着时间推移断裂石板还会逐渐增多。可以采取的对策是,将原长1 m的石板缩短为0.75 m,左右错开0.25 m 铺设;板宽0.3 m,板间距0.3 m。两人交会时必然靠右行走,载荷均作用于石板端部。此外,较短石板既便于运输、铺设,也提高了石材的利用率。真是过犹不及啊 http://blog.sciencenet.cn/blog-275648-1093752.html
岩石抗拉强度较低,轴向载荷可以引起分层破裂。山坡里外温度的差异而产生热变形,也可以引起如嵩山石英岩边坡的层状破坏,当然重力也是破坏的促进因素。又,这些裂面何时、何处形成,笔者不能确认。
小说:山高草更高 http://blog.sciencenet.cn/blog-275648-778068.html
花岗岩直板轴向压缩的分层破坏及围岩失稳探讨. 岩石力学与工程学报,2015, 34(11): 2346-2354
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