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欧博集团岩土中的水计算分析

  欧博体育地基土中的渗流速度极慢(相对于自由落体水速而言),故水流流速的能量可以忽略不记。因管中砂土的阻力,造成能量损失,使得B点水头一定小于A点的水头,但这个水头损失是多大呢?这和土的密实度(即渗透性质)有关。当渗透性无穷大时(即水的自由落体)水头无损失,势能水头全部转化为动能水头。当土非常密实渗透性很小时,水流极慢,损失水头的非常大。和土的渗透性质有关,成反比。

  但是且慢,一个是静水时很密的砂,一个是密实的不透水材料,极端时没什么区别呀?为什么一个是水头相同,而另一个水头为零呢。

  的确很难理解。这和水的特性有关,需要思考微观层面。当土透水性很差,通道细密且水已经渗流完成保持静止时,犹如静水状态下细密连通器,各点水头相等。但当土中的联系通道细小到已经影响到水运动的时候,将会发生质变,导致水的运动几乎停止,很难进入稳定状态,此时下部的水头几乎为零。所以上述两种情况看似矛盾,其实从微观层面是一致的,其中的细微的差别要仔细体会。

  上面的论述一般仅限于思维中,实际工程中在结构抗浮计算时,一般不会考虑密实土对水流阻力产生的水损失有利作用。但在实践中仍会应用这种概念,比如地下室肥槽的回填土的密实要求,是避免大雨时瞬时的水盆效应的抗浮破坏。

  说到渗流,就必然涉及到水力梯度的概念。教材上是这样定义的,即渗流土中测管水头差除以水平距离。

  我认为教材中的水力梯度计算公式是错误的。计算水力梯度的的水头差不应该是受到土的渗透阻力后时的测管水头差,而应该是水的势能差即水位差(不包括速度产生的能量水头)。而受到土的阻力后的测管水头差是势能差变换成流速能量时受到的土的渗透阻力后的结果。不同点的水位差(势能差)及土的渗透性是因,而测管水头差、渗流、渗流力及相对应的渗流抗力大小、水压力均是果。势能差越大其欲变成速度能量的能力越大,造成渗透水流速越大,如果渗透阻力大,能量损失多,土中测管水头差(含势能和动能总能量水头)就大(无土阻力的总水头是相等无损失的,但势能差只和位置高度有关,总水头中包含了势能和动能),水位差(势能差)越大水力梯度越大,所以说水力梯度,是水位差(势能差)而不是如教材所谓的渗流土中测管水头差。如按教材计算,水力梯度算小了。

  一名叫“飞扬”的读者看了我的系列(十一)一文说:“应该讨论《抗浮标准》中下面两个问题”(见下图)。

  1、当承压水头低于抗浮水位(设防水位-笔者注)时抗浮计算计入不计入承压水头?及承压水头高于抗浮水头的时候抗浮是不是只应该加Yw△H?

  2、前墙和后墙有水位差产生渗流,如抗浮水位取的高位,那么抗浮设计浮力需要不需要加上渗流力?”

  首先澄清一个重要的概念,即什么是抗浮设防水位?我认为应该是结合历史的、现状的、未来可能的地下水的情况综合权衡一个设防计算用的地下水位,这个水位一定已经综合并包含了历史的、现状的、未来的自由水、承压水、渗流水等各种复杂情况。而《抗浮标准》把设计时用的设防水位和地下承压水(历史、现状、未来可能)及渗流水(历史、现状、未来可能)搅在一起、相加了起来,这是把算术中的得数和相加的数又相加了起来,不知道是什么东西。

  搞清了这个问题,读者朋友的第1条问题就迎刃而解了。承压水低于设防水位时,按设防水位计算(因已包括承压水头,故设防水位必然高于承压水头)。承压水头高于设防水位的时候,不是加不加的问题,是地勘设防水位数据提小了,应该提请甲方和地勘修改设防水位。

  读者的第2个问题也可以同样的回答,地勘提出的设防水位应该包含了渗流水头的影响,故无需再考虑,道理同上。

  2:地下室整体抗浮稳定及构件的抗浮受力计算按抗浮设防水位即可,无需按规范三者相加。大部分情况这样就满足抗浮设计要求了。

  3:《抗浮规范》6.1.1第3款和6.2.3关于渗流浮力的描述和计算公式有误。渗流时,高水位的外墙和底水位的外墙的水头压力差和渗流阻力有关,这个难以算清,规范不必列出计算公式,文字描述概念即可,交由岩土和结构工程师根据基本理论具体解决。

  4:规范应采用条文说明明确告诉工程师仅考虑抗浮设防水位的计算不能包含复杂场地比如山地等很多不利的情况。

  比如,坡地的渗流造成的建筑外墙不同的水压力使建筑产生向上倾斜位移或水平位移,或水位不平衡下降时造成的建筑的倾斜,这不是抗浮水位计算能够包含的。

  再比如(看上面的渗流图),假如垂直纸面的渗流,一侧是透水性极好的砂石,而另一侧是透水性极差的粘土,透水好的一侧水头损失小,浮力大,另一侧相反,所以建筑两侧的浮力不同。抗浮水位是均匀的水浮力,没有考虑建筑底板不同水浮力的情况,工程师要注意水位不均匀下沉时的建筑的沉降,应按不利的情况考虑。这些情况很难进行准确的计算,一般应该用概念和经验解决,必须计算的应于岩土工程师配合完成。

  实际上,因建筑底板水浮力不同而产生的建筑破坏很少见,很多抗浮的破坏是均匀的水浮力使建筑整体浮起导致破坏或上部不均匀荷载压重造成的倾斜破坏。不均匀压重的破坏往往会更严重。

  我有一篇文章分析过一个破坏的案例,就是因为高层建筑压住地下室的一侧造成地下室变成了一个倒悬臂的H型的桁架,所有裂缝均是一个方向,很诡异是吗?那篇文章有详细的力学分析。有兴趣的可以找来看看。

  当建筑未上浮静止时,渗透土(有水可以流动的细密通道)对建筑的浮力等于静水压力,当建筑开始上浮时,水在岩土中空隙流动,土的渗透抗力使流动的水头损失,水浮力将有所降低,也许降低的水浮力不足以使建筑上浮,建筑将会停下来,如果损失后浮力仍可使建筑上浮,则建筑会缓慢的上浮,其上浮的速率一定小于渗透性好的土(砂土),所以粘性土密实性甚至可以使建筑不存在上浮问题。

  这样概念理解可以,设计不能这样进行,很不靠谱。当我们要求回填土的密实要求时,是为了避免地表水迅速渗入地下形成所谓的水盆效应,以有足够的时间把地表水排走,实际是利用了上述概念和经验,真正的抗浮水力的计算还是按完全透水材料计算。把设防水位定在地表,就不用担心回填土的密实度了,但造价上无法承受,所以设防水位本质是技术、概率和经济的权衡。

  很多水的压力问题我们很难进行精确的计算,但概念一定要正确,如上文所述教材、《抗浮标准》的错误等。水力梯度计算错误(水力梯度算小了)可能会影响渗流力计算的错误,造成事故。

  初中生就知道的阿基米德定律和连通器原理到了岩土中就变成了如此的复杂以至于无法算清。土木吧王君的《关于抗浮案例的法理探讨》一文说的好呀,设计本质是复杂模糊的权衡,不是某些人或专家所讲的技术高超就可以解决这些问题。设计师的确需要提高理解和技术应用水平,但法律试图用高额处罚来避免根本就是模糊技术来权衡的问题,是马嚼子戴在了猫的头上,只能让设计师如履薄冰和更加的保守。

  这个公式中除了土层厚度是准确的,没有一个是准确的。我们已经对地基沉降的计算参数的不确定到头疼了,现在又增加了一个更加不确定的和渗流有关的计算系数,让计算结果如何可信,所以该公式本质上是个概念。我不是质疑这个公式的正确性,而是告诉读者岩土的客观规律。

  既然是概念,我们就要用概念解决问题。因超采造成的地下水缓慢的下降造成的地基沉降是均匀的,我们计算结构沉降时不会考虑高水位的有利影响,故这种均匀下降水位的最终沉降是设计计算可控制的范围之内。但是人为的大量的比如基坑的井点降水,往往使水位成大漏斗状,位于漏斗边缘的建筑的极易产生不均匀沉降而破坏。该系列文章(十一)中提到的那个泉水的城市,基坑周边建筑全部沉降裂缝沉降就是如此造成的。

  水位一般是均匀的上升(不会形成反漏斗),所以我们一般不考虑水位均匀上升时的水浮力(和上文所说的复杂渗流网中的不均匀浮力不同,一般结构很少遇到,在山地建筑复杂地形有可能遇到时,需和勘察的专家共同协商设计),只要考虑未来可能的最高水位来进行设计结构整体抗浮稳定性即可,欧博集团但是对于有些构件的水浮力的受力设计可能需要考虑水位下降或升高过程中的不同工况了。

  比如建筑地下底板采用的抗拔桩,当水位下降时造成结构整体下沉,使抗拔桩变成了受压桩对底板产生反力,如果防水板未考虑这种工况将会使防水板破坏。同样,抗浮锚杆考虑的是受拉工况,当水位下降时时,地基的下沉会不会造成锚固体的裂缝,从而降低水位上升需要锚杆抗浮时的抗拔力。

  记得有一位建研院的专家提出了一个有意思的问题,有没有比水还大的建筑的浮力的情况?比如在泥浆中。问题石沉大海,无人回答。我试着回答一下,请读者指教。

  我们都知道泥浆的比重远远大于水,这也是灌注桩采用泥浆护壁的原因。很多人认为那浮力一定也远远大于水了。实际不是的,泥浆中的箱体(建筑的底板以下均为泥浆)的浮力仍为水浮力。粘土颗粒和水的弱结合形成了可以流动的泥浆(非牛顿流体?),泥浆可以使比水重的物体暂时不下沉,同样也不会使比水轻的暂时物体不上升,但随着时间的推移,土颗粒与水分子的分离,最终还是水比重的浮力。海水浮力大于水是因为盐分子与水分子的结合成完全和水一样性质的液体造成的。当然这只是讲浮力的概念,实际的建筑不可能位于淤泥中。

  液化砂土浮力突然的上升,并不是砂水混合物液化体的比重造成的,而是地震瞬时的晃动形成的巨大的超空隙水压力形成的,和浮力不是一个概念。

  水的存在可以大大减少土的有效应力、摩擦角及初始粘聚力,这些参数无一漏网,可以想象水对岩土的抗剪强度的破坏力了。同时因为水水平渗流时产生的水平渗透剪力,加大了对土体的水平剪力的外荷载。所以基坑坍塌、护坡倒塌、山体滑坡等大半都和土中的水有关。

  概念说起来简单,但要到岩土的设计层面就很复杂了,是岩土工程师主要研究的对象,结构工程师力所不能及了。

  读者同仁们,对复杂岩土、结构问题应该运用概念综合判断的方法解决。当我们对综合判断的不确定到困惑或因其不确定性而倍受旁人质疑的时候,我们也要感到庆幸,因为是否具有综合判断能力是人类与人工智能最根本的区别,也就是说即使这个行业未来一定被人工智能替代,也将是最后被替代的一个行业。

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