关于渗流固结与渗流水压力的答疑

2016-12-27 11:17  来源:中国岩土网  阅读:1402
有人问到渗流固结的能量问题,这是一个很有意义的问题,经几天琢磨,交出如下答卷,不知能否及格。

关于渗流固结与渗流水压力的答疑

对于我在网上的一些议论,常常有网友不解或提出质疑。此前也曾有过答疑与讨论,后来由于记忆力欠佳,用户名与密码记不住,也就未能及时回复。况且有些意见也不是一两句话可说得清楚的,这里就两个问题进行讨论。

有人问到渗流固结的能量问题,这是一个很有意义的问题,经几天琢磨,交出如下答卷,不知能否及格。

能量守恒是应满足的,那么就要分析追究能量来自哪里,消耗在哪里。图1是太沙基一维固结理论的示意图,在瞬时施加了图片未命名的竖向荷载并保持不变,最终顶面位移(沉降)为图片未命名,相应的应变为图片未命名 。单位体积上外力(q)做功为图片未命名。这个能量用于孔隙水向外渗流所需要的能量以及弹簧(土骨架)压缩变形所需的能量,见图2。

图1单向渗流固结理论示意图

图1单向渗流固结理论示意图

在图2中,矩形面积表示了单位体积上外力(q)做功为图片未命名,其中压缩弹簧所消耗的功为三角形面积w1,孔隙水克服渗透力流动所消耗的功为w2。如果土骨架不为线弹性,则二者的分界线如图中的虚线所示。

在图1中,如果没有流体渗流,只压缩弹簧固结,则从应力图片未命名开始,压缩到位移为图片未命名,应力图片未命名,可知,只压缩弹簧应力做功为三角形面积w1;在压缩图1所示的唧筒时,瞬时施加应力即为图片未命名并渗流固结过程中图片未命名不变,所以应力做功为矩形面积,由此可知,水克服渗透力消耗的能量为上一半三角形面积w2。

图片未命名

图2单向渗流固结的能量示意图

在饱和软土地基处理的预压渗流固结工程中,如果堆载为q,最终沉降为s,单位面积上的荷载做功为W=qs(等于堆土体的位能的减少),它消耗于土中水的渗流与土骨架的压缩。

如果是真空预压,真空度为0.8,则q=80kPa,它就是80%的大气压力。但是在正常情况下,大气压力不会无缘无故发生真空而做功,否则就可以驱动它制成永动机了。能量来源是人们用电机驱动真空泵在饱和地基土中制造真空,在地球大气层的范围中制造真空是要做功和需要能量的。比如我现在拿起了一瓶饮料,如果要喝它,一种方法是把它举起,水位高于嘴巴,消耗了我们举起时给予它的位能,饮料经口、喉与食道克服一系列阻力,(渗)流入我的腹中。另一种办法是用一根吸管,在我的口中制造真空,利用大气压力把它压入口与腹中。为了在我口中制造负压,首先需要把嘴巴收缩,把空气排净;然后闭气;再努力扩张口腔,这种扩张是要克服大气压做功的。所以流体渗流是需要能量的,消耗其重力势(位能)或者压力势。据说在太空宇航员要喝水,第一种方法就无效,只能用第二种方法。其实在口腔中制造真空是我们的最基本的本能。刚出生的婴儿就已经掌握了,刚出生的所有的哺乳动物也都无师自通地会这种制造真空的把戏。

网友的另一个问题是关于“论安全系数及荷载与抗力”文中的案例2006年上午24题,问关于该墙的扬压力是如何计算的。这是一个很有水平的问题,因为对于图3中的墙,题中指明:“一个矩形断面的重力挡土墙设置在均匀地基土上”。如果地基土是均匀的,则两侧的水压力与扬压力是需要绘制流网来计算的,其结果也不会是图示的梯形分布。另一种简化的做法是以水沿着墙的外轮廓流动为渗径,计算出平均水力坡降图片未命名,再计算扬压力,近似如图4所示。

图片未命名

图4表示的是在均匀U形管中的渗流,两端水头差为图片未命名,从点A流到点D的渗径为6m,水力坡降i=3/6=0.5。按照渗流计算水头损失,B点的水压力为u1=200kPa,C点的水压力为u1=150kPa,其水压力分布如图所示。

这道命题是针对《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-99)的错误,该规程的式(5.2.1-1)给出了计算墙的宽度计算公式,但是该式把扬压力当成了荷载。所以此题的解答是把扬压力的力矩从自重的力矩中扣除。由于该规程中规定的扬压力计算就是用内、外侧水位深度,所以此题的解答就采用了这种算法,如上所述,这也是不合适的。在2012年的《建筑基坑支护技术规程》就指出:“应考虑地下水从帷幕底向基坑内渗流对水压力的影响”。

案例2006年上午24题是一道很滥的考题:指出与纠正了一个错误,忽视了另一个错误,制造了第三个错误(把被动土压力从主动土压力力扣除)。好在考试中此题选择率不到一半(46%),由于人工评分时,对于被动土压力从主动土压力减去的错误也做了改正,没有造成一个100%错误率的冤假错案,损失和影响也相应降低了。

关于有渗流时的水压力计算有一些案例题值得注意。

(1) 上述的案例2006年上午24题

如果墙底以下的地基土渗透系数为墙底以上土的渗透系数的1/10或更小;或者尽管是“均匀地基土”,但垂直渗透系数与水平渗透系数之比大于10(这也是罕见的,因为一般土的水平渗透系数大于垂直渗透系数),扬压力就可以近似用“内、外侧水位深度” 计算。这是由于在渗流中,向上、向下渗流水头损失很小,可以按静水压力计算孔压;而水头损失都发生在水平渗流段。

(2) 2014年上午24题

某岩石边坡代表性剖面如下图,边坡倾向270°,一裂隙面刚好从坡脚出露,裂隙面产状为270°∠30°,坡体后缘一垂直张裂缝正好贯通至裂隙面。由于暴雨,使垂直张裂缝和裂隙面瞬间充满水,边坡处于极限平衡状态(即滑坡稳定系数ks=1.0)。经测算,裂隙面长度L=30m,后缘张裂缝深度d=10m,每延米潜在滑体自重G=6450kN,裂隙面的黏聚力c=65kPa,试计算裂隙面的内摩擦角最接近下面哪个数值?(坡脚裂隙面有泉水渗出,不考虑动水压力,水的重度取10kN/m3。)

图片未命名

图5  2014年上午24题附图

(A)13° (B)17°

(C)18°   (D)24°

【答案】(D)

【解答】

解答图


【分析】此题的重点在于两个水压力的计算。该岩体有两道缝,垂直的是张拉(裂)缝,它必定是很宽的;倾斜的是裂隙缝(节理、层理等)在自重作用下,它不会很宽。如果二者宽度比为10 ,水从上面流下,从坡脚裂隙处流出,水头损失主要发生在下面的斜向裂隙缝。这样垂直缝中的水压力近似为静水压力(忽略水头损失);裂隙缝出口处于大气联通,该点的压力为0,进口处与张拉缝底部联通,压力为图片未命名。假设此裂隙缝是均匀的,则由于其中流速v为常数,根据达西定律v=ki,则水力坡降i为常数,水压力按直线分布,如图5所示。

这个道理也可从图6理解:上管的直径为下管的10倍,过水面积为下管的100倍,二者通过的流量相同,上管内的流速为下管的1/100,水头约损失1/100,可以忽略,故可按静水压力计算。

图片未命名

图6 连通管内的水压力

讲到案例题的选择,下面有两道考题很有意思。

(3) 2007年上午案例5

已知载荷试验的荷载板尺寸为1.0m×1.0m,试验坑的剖面如图7所示。在均匀的黏性土层中,试验坑的深度为2.0m,黏性土层的抗剪强度指标的标准值为黏聚力ck=40kPa,内摩擦角jk=20°,土的重度为18kN/m3。若按照《建筑地基基础设计规范》(BG50007-2002)计算地基承载力,其结果最接近下列何值?

(A) 345.8kPa                    (B)235.6kPa

(C) 210.5kPa                    (D)180.6kPa

图片未命名

图6 2007年上午案例5附图

【答案】(B)

【解答】根据《建筑地基基础设计规范》表5.2.5,jk=20° ,查得承载力系数分别为Mb=0.51,Md=3.06,Mc=5.66,则对1平方米面积的基础,其地基承载力由下式计算:

图片未命名

初看此题不难不烦,结果有93%的考生选作此题。并且都自信满满地认为做对了。结果正确率只有9%。 原因是把Md=3.06,d=2m也带入公式计算,则选项为(A)。从图7 可见,在试验中,由于承载板四周要留出不少于1m的平台,实际地面从地表下2m 起算,发生地基整体破坏也是在此平台处隆起。而在设计实际浅基础地基承载力时,需根据实际深、宽再进行修正,从fak得到修正后的特征值fa。这类考题是针对易犯的错误而故设“陷阱”,所以如果考题太容易,就很值得怀疑一下。

在考题中有的题目的放弃率很高,达到90%,表明该题属于偏或者难;有的题目的选择率高达99%,同时正确率达90%(如案例2007年下午2题)。其中以勘察一章中有关土的指标计算为多,其次就是地基处理的考题。例如:

(4) 2007年下午案例题

某砂土地基,土体天然孔隙比e0=0.902,最大孔隙比emax=0.978,最小孔隙比emin=0.742。该地基拟采用挤密碎石桩加固,按等边三角形布桩,挤密后要求砂土相对密实度Dr1=0.886,为满足此要求,碎石桩桩距应接近下列哪个数值?(修正系数 取1.0,碎石桩直径取0.40m)

(A)1.2m (B)1.4m

(C)1.6m (D)1.8m

【答案】:(B)

【解答】

解答图2

这道题的选择率为96%,正确率为94%,可谓是“送分题”。可惜近年的这一章的考题难度也提高了。

最近听说人事部要求注册岩土考试案例题为25题,不留选择的空间,这是一些不了解岩土工程特点的官僚们的主意。岩土工程涉及的专业、行业与地域很广,真正行行都通者很少。在命题专家的题目初审与终审会上,对于每一章都有发言权的当时只有张苏民大师一人。另外,虽然称为“岩土工程”,其实岩和土是两个专业,很少有学科与专业对岩石力学与土力学者都有要求。土力学看起来似乎容易,可是却有很多问题现在也争论不清。在考试命题与做题中,给专家和考生留有一定的回旋、避让与缓冲的余地是必要的。

说到案例题的选做,规定是回答多于25题时,则按序号,25题以后的都不计分、不评审。但如果你上下午总共只回答了30题,得到60分,也一样可通过。所以历年的考生选择率平均在20-22题左右,这样少做几道题,每题时间多一分钟,可以选择最有把握的题目,做对的概率提高,总分数可能更高。所谓伤其十指,不如断其一指,就是这个道理。

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我有话说

全部评论(7)

  • 想念妈妈发表于 02月18日 20:38这家伙很懒,没有个性签名!
  • 李老师,我还有一个生活中碰到的问题:家里自来水水龙头坏了老是滴漏,更换了一个新的,结果出水量明显变小了。可能新的水龙头过水面积小了,但按照流量相等原理,Q=υ×A,出水口的水流流速应该增加(υ=K×ī,考虑管道中的渗透系数可以认为不变,新的水龙头出口处因收到的阻力更多水压应减小,水力梯度要增大),为什么实际观察到流速没有明显增加,流量明显减小了?
点评:
  • 想念妈妈发表于 02月18日 20:17这家伙很懒,没有个性签名!
  • 李老师,您好!在图5中渗流出口(裂隙缝出口)处水压为零,您文中指出:裂隙缝出口处于大气联通,该点的压力为0。这一点我有些不理解,这其中的道理是什么?同时我有些疑问:①实际工程中是否可以采用测压管测量泉眼出口的水压?在什么情况下渗流出口水压可能不为零?
点评:
  • ligx88发表于 01月10日 21:26这家伙很懒,没有个性签名!
  • lilinduiyu: 开始时,孔压u等于总应力,固结排水需要较高能量,最后u已经接近于0,排水固结的能量就很小了;有效应力接近于总应力相等,单位应变做功就大。
点评:
  • ligx88发表于 01月10日 21:21这家伙很懒,没有个性签名!
  • 你讲的很对,这种土骨架一维压缩曲线应当是下凹的,而三轴压缩曲线是上凸的。前者表现了土的压密性(随着压力增大,土的模量提高),如各向等压与单向压缩试验,后者则是土骨架的剪损,即随着剪应力增大(围压不变)模量减少,如各种三轴试验,最后试样破坏,模量为零。
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  • 18293158763发表于 01月10日 10:48努力点/幸运点
  • 李老师,您好 非常喜欢您的这篇答疑文章,但是我有个小疑问,就是在渗流固结能量分析时,若土为非线性,为什么虚线是上凸而不是下凸,谢谢。
lilinduiyu发表于01月10日 15:59

感觉不是不能排出的水越来越少,所以渗流所需要的能量也就少了呢?

点评:
  • polangzhe发表于 12月27日 21:08天道酬勤
  • 李老师,“渗流固结的能量问题”是我提出来的。这段时间在看土力学时,突然想到这个问题,但查了许多资料都没有相应的内容,请教了一些人,大家都没有想过这个问题,我也觉得我想得多了;这时我想到您,试着给您发个留言,没想到您能在百忙之中给我答复,您的文章解决了我的困惑!李老师,您真是德艺双馨!非常感谢李老师!
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  • zhouyxcs发表于 12月27日 18:46这家伙很懒,没有个性签名!
  • 谢谢李老师
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李广信

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有人问到渗流固结的能量问题,这是一个很有意义的问题,经几天琢磨,交出如下
阅读(1401)2016-12-27
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此文篇幅较长,是我本来一直想要写的东西,其中“论”的比例较少,显得艰涩而
阅读(2073)2016-12-21
从土力学的定义谈起
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