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  • 與土工合成材料有關(guān)的事故及其經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)
  • 2017/4/17 閱讀次數(shù):[7429]
  • 在回顧近百個(gè)案例的基礎(chǔ)上,本文系統(tǒng)地分析了應(yīng)用了土工合成材料的建筑物破壞的表現(xiàn)形式,從設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)場(chǎng)條件人手,討論了引起破壞的原因,列舉了大量的實(shí)例,并且總結(jié)了從中得到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

    1.前言
       巖土工程師如果不能從他人的錯(cuò)誤中汲取教訓(xùn),則將從自己的錯(cuò)誤中得到教訓(xùn)。這將促使他們?nèi)プx這本書。
    1.1 從事故中學(xué)習(xí)
      許多人喜歡說(shuō):比起一般的自然科學(xué)來(lái),巖土工程更像是一門藝術(shù)。這種說(shuō)法是不對(duì)的,有可能會(huì)誤導(dǎo)一些正在學(xué)習(xí)這門學(xué)科的人。巖土工程是一門科學(xué),而不是一門藝術(shù)。說(shuō)它是一門科學(xué),這是因?yàn)閹r土工程的所有現(xiàn)象都能得到合理的解釋;說(shuō)它不是一門藝術(shù),是因?yàn)樵趲r土工程中,建筑物的建成是不依賴于個(gè)人的情緒和抽象的想象的。也許你可以不用“藝術(shù)”這個(gè)詞,而用諸如”建筑藝術(shù)”這樣的說(shuō)法來(lái)表達(dá)。但這里,“藝術(shù)”指的是從實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的方法和技巧。巖土工程作為一門應(yīng)用科學(xué),當(dāng)然包括了源于實(shí)踐的方法和技巧(包括現(xiàn)場(chǎng)管理,甚至論文寫作的“藝術(shù)”)。但是,巖土工程從本身來(lái)說(shuō)是一門科學(xué),一門應(yīng)用科學(xué),而非一門藝術(shù)。
      作為一門科學(xué),巖土工程要求可靠的手段。而常常被巖土工程師應(yīng)用的”公眾意識(shí)”(common sense)卻不是一種可靠的手段,因?yàn)樗且环N公眾意見(jiàn)的隨機(jī)的集合。它們當(dāng)中許多不良習(xí)慣僅僅是被常例所驗(yàn)證的。而這種包裹在“公眾意識(shí)”標(biāo)志下的意見(jiàn)的來(lái)源卻是不得而知的,也 是說(shuō)沒(méi)有辦法證明它的好壞。所以,“公眾意識(shí)”不能作為科學(xué)項(xiàng)目中合理判據(jù)的基礎(chǔ)。
      在科學(xué)領(lǐng)域中,一切現(xiàn)象都可以根據(jù) 基本原理得到合理地解釋的事實(shí),并不意味著所有知識(shí)都必須依靠邏輯演繹才得到。事實(shí)上,當(dāng)前絕大部分科學(xué)知識(shí)來(lái)自實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),而且常常具有偶然性,這對(duì)所有的領(lǐng)域都如此。許多現(xiàn)象的合理解釋因此才得以發(fā)展。這對(duì)于巖土工程也是如此。鑒于它是一個(gè)在材料、機(jī)理及邊界條件均十分復(fù)雜的領(lǐng)域,單靠邏輯演繹是很難對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)的。這同樣適合于土工合成材科,因?yàn)槌伺c巖土工程特有的聯(lián)系外,土工合成材料使用相對(duì)較晚,因此,隨著應(yīng)用的多樣性,以及使用者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷積累,對(duì)它的了解也在不斷加深。
      通過(guò)以上的討論,我們可以清楚地看到,向經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)是不能錯(cuò)過(guò)的。然而,經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)別人的經(jīng)驗(yàn)之間是有巨大區(qū)別的。學(xué)習(xí)別人的經(jīng)驗(yàn)的 途徑是分析現(xiàn)有的資料,并將分析的結(jié)果溶進(jìn)一個(gè)知識(shí)體系之中。這對(duì)于從事故中學(xué)習(xí)東西來(lái)說(shuō)尤其如此,從而形成經(jīng)驗(yàn)的 終水平(dltimate level)。在本文中,大量的工程實(shí)錄用來(lái)顯示如何從對(duì)事故的分析中來(lái)學(xué)到知識(shí)。
      基于以上的討論, 重要的是知道事故(失效)的定義。
    1.2 事故的定義
      對(duì)于土工構(gòu)筑物,什么是事故?用“公眾意識(shí)”來(lái)解釋常常是一個(gè)模糊的答案,每次使用這個(gè)措詞都很難找到一個(gè)合理的解答。確實(shí),給事故下一個(gè)合理的定義是很不容易的,F(xiàn)看如下說(shuō)明。
      土工構(gòu)筑物的事故可能影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)(例如公路路基)、某一系統(tǒng)(例如掩埋式垃圾處理場(chǎng)的覆蓋系統(tǒng))或某一部件(例如土工合成材料)。對(duì)于事故的定義,有以下幾種說(shuō)法可供考慮。
       個(gè)常被提及的定義:
      事故 是一個(gè)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件不能執(zhí)行它在設(shè)計(jì)中所規(guī)定的功能。
      當(dāng)然,一個(gè)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件必須能執(zhí)行它本身在設(shè)計(jì)中規(guī)定的功能,但只有這些要求是不完全的,這個(gè)定義可能太不嚴(yán)格,或者說(shuō)過(guò)分依賴于“功能”這個(gè)詞的意義。舉個(gè)例子,根據(jù)以上的定義,一個(gè)存在很大變形但仍能擋土的擋土結(jié)構(gòu),我們 不能因?yàn)槠淙跃哂袚跬凉δ芏豢紤]失效的后果。再如,一個(gè)預(yù)期功能為一個(gè)隔水層的土工膜墊層,由于有很小破損而產(chǎn)生微小滲漏將被認(rèn)為是事故。在這里,重要的是注意構(gòu)筑物的功能和構(gòu)筑物中土工合成材料的功能的不同之處。例如,在一個(gè)蓄水池中,土工膜墊層是起隔水層的作用,而蓄水池是起蓄水的作用,這種區(qū)別可以由一個(gè)小蓄水池中土工膜墊層被氣體整體地托起的事例來(lái)說(shuō)明(一個(gè)真實(shí)事例)。在這個(gè)案例中,蓄水池執(zhí)行其蓄水功能 是失敗的,而土工膜襯墊仍執(zhí)行其隔水層的功能。結(jié)構(gòu)的功能不僅應(yīng)該明確定義,而且還應(yīng)被量化。例如,在土工膜墊層的蓄水池的案例中,蓄水的體積必須考慮在內(nèi)。但是,這還不夠,因?yàn)樵谝粋(gè)大蓄水池的情況下,單個(gè)的土工膜氣泡對(duì)所蓄液體體積的影響是微不足道的,但可能會(huì)影響土工膜的長(zhǎng)期性能(在土工膜暴露在陽(yáng)光、風(fēng)等情況下),且妨礙蓄水池的運(yùn)行?梢郧宄乜吹,基于結(jié)構(gòu)的功能來(lái)對(duì)事故下定義是模糊且不充分的。基于以上的評(píng)論,事故的定義需包含若干定量的要求,即性能標(biāo)準(zhǔn)。這樣,引出了第二個(gè)定義:
      事故 是一個(gè)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件不能滿足它本身的性能標(biāo)準(zhǔn)。
      這個(gè)定義要好于 個(gè)定義,因?yàn)槠渲邪诵阅軜?biāo)準(zhǔn)。但它是有缺點(diǎn)的,因?yàn)樗馕吨阅軜?biāo)準(zhǔn)是為所考慮的
    結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件而建立的。(換句話說(shuō),這個(gè)定義為一種荒謬的情況開(kāi)了方便之門,即因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)沒(méi)有建立,所以也
    不會(huì)有事故)。同樣,這個(gè)定義暗示,功能標(biāo)準(zhǔn)(如果有的話)是全面的和充分的。例如,過(guò)分簡(jiǎn)單的性能標(biāo)準(zhǔn),像“沒(méi)
    有沉降”或“無(wú)滲漏”,是不充分的,因?yàn)檫@些標(biāo)準(zhǔn)是不可能被滿足的,因而,若按這種標(biāo)準(zhǔn),則任何一種狀態(tài)都會(huì)被當(dāng)作一個(gè)事故。
      由此可知,給事故下一個(gè)較好的定義是必要的。但如若將上述兩個(gè)試探性的定義結(jié)合在一起,例如”不能執(zhí)行預(yù)定的功能和/或不能滿足它的性能標(biāo)準(zhǔn)”這樣一種詞語(yǔ),仍不能解決上面例子中的問(wèn)題。
      末尾,我們推薦下面的定義:
      事故 是一個(gè)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件不能滿足全面的和合適階性能標(biāo)準(zhǔn)。
      由于 “全面的、合適的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)”能夠全面和合適的定義及量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)功能,所以這個(gè)定義從技術(shù)上來(lái)說(shuō)是正確的。可能的缺陷是形容詞“全面的、合適的”可能會(huì)受到質(zhì)疑和爭(zhēng)論。但是,這可能會(huì)引導(dǎo)人們?nèi)グl(fā)展什么是“全面的、合適的性能標(biāo)準(zhǔn)”這個(gè)概念。我們?cè)囍ㄗh以下思路。為了完整起見(jiàn),該標(biāo)準(zhǔn)需強(qiáng)調(diào)以下三種可能的破環(huán)形式:?jiǎn)适ЫY(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的功能;毀壞或損害結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的運(yùn)行及使用;威脅結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的長(zhǎng)遠(yuǎn)效能,F(xiàn)對(duì)這三種事故形式做以下討論:
      喪失執(zhí)行結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的功能   在 個(gè)定義的敘述過(guò)程中,我們 知道結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件必須執(zhí)行其預(yù)定的功能,然而,為達(dá)到“全面和合適”,性能標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該包括能反映結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件執(zhí)行其功能能力的定性及定量要求。在蓄水池的例子中,這種要求的內(nèi)容是:蓄水池能容納的液體體積和 允許滲漏速率。作為事故需滿足的條件是:土工膜墊層被氣體托起,以致不能滿足容納要求的蓄水量;滲漏超過(guò) 允許滲透速率;滲漏很大,它既超過(guò) 允許滲漏速率,也妨礙蓄水池儲(chǔ)存要求的蓄水量。
      毀壞或損害結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的運(yùn)行及使用   每一個(gè)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件都是要運(yùn)行和使用的,因此,在毀壞或損害結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件情況下的運(yùn)行和使用,是使用者所不能容許的。這種事故常常稱為”操作事故”。然而,為了達(dá)到“全面和合適”,性能標(biāo)難應(yīng)該包括能反映結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件不能被容許的危害運(yùn)行和使用的定性及定量要求。在蓄水池的例子中,這種要求的一個(gè)例子是要求船能夠在蓄水池的所有部分進(jìn)行航行,這意味著局部土工膜墊層被氣體托起也是不容許的,盡管這不會(huì)影響蓄水池儲(chǔ)存一定水量的功能。
      威脅結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的長(zhǎng)遠(yuǎn)效能    一個(gè)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件必須執(zhí)行其功能,并且在一段時(shí)期內(nèi)正常運(yùn)行。然而,為達(dá)到“全面和合適”,性能標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該包括能反映結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件滿足其設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)正常運(yùn)行所必須的定性及定量要求。該標(biāo)準(zhǔn)甚至可能包括有助于預(yù)測(cè)未來(lái)事故的趨勢(shì)(如一些表? 涼つぬ匭醞嘶牟問(wèn)謀浠,煌樭测到荚佸{燎降那閾?或征兆(如水從大壩的下游面滲出),甚至預(yù)測(cè)即將發(fā)生的事故(如材料或結(jié)構(gòu)的迅速或加速退化的趨勢(shì)或征兆)。由于沒(méi)有滿足結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件長(zhǎng)期效能要求而引起的事故,可稱為耐久性事故。在蓄水池的事例中,
    局部土工膜襯墊被氣泡托起,但可能并沒(méi)有影響蓄水池執(zhí)行其功能(容納一定體積的液體),且沒(méi)有妨礙蓄水池的運(yùn)行,因此前兩種標(biāo)準(zhǔn)都是滿足的。然而,氣泡使土工膜襯墊暴露在陽(yáng)光并被損壞,可能降低其在設(shè)計(jì)使用壽命中執(zhí)行其功能的能力,所以,性能標(biāo)準(zhǔn)里應(yīng)包括一些條款來(lái)處理像土工膜氣泡發(fā)展這樣一些不可接受的缺陷,并要求立即執(zhí)行,因?yàn)樗硎玖艘粋(gè)導(dǎo)致破壞的機(jī)制的開(kāi)始。
      三種破壞形式之間的界限并不總是嚴(yán)格的,一些標(biāo)準(zhǔn)可能被限定在兩種形式的范圍內(nèi)。例如,如果加筋土墻的變形影響墻面外觀,則對(duì)使用者來(lái)說(shuō),可能僅僅是一件討厭的事,或者由于墻的變形不能執(zhí)行其功能,加筋土上的基礎(chǔ) 不能修建。(這種限定甚至可以隨時(shí)間發(fā)展;墻面的傾斜只對(duì)結(jié)構(gòu)的使用產(chǎn)生損害,然而當(dāng)傾斜持續(xù)地增加,它 是一個(gè)馬上 要坍塌的警告了。)以上的討論使“全面”的一套標(biāo)難的建立成為可能,這是 基本的。除了“全面”的之外,標(biāo)準(zhǔn)還應(yīng)是“合適”的。合適的標(biāo)準(zhǔn)是能反映結(jié)構(gòu)的功能和使用者的需要為基礎(chǔ),將其合理量化的標(biāo)難。
      應(yīng)該注意,上面提及的三種破壞形式不同于經(jīng)常提到的結(jié)構(gòu)性破壞和可靠性破壞這兩種破壞形式。“結(jié)構(gòu)性破壞和可靠性破壞”這些專業(yè)術(shù)語(yǔ)來(lái)源于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者對(duì)于因設(shè)計(jì)和施工的缺陷引起的破壞(例如,有垂直面的加筋土結(jié)構(gòu))。這些專業(yè)術(shù)語(yǔ)不適合許多沒(méi)有完全破壞的結(jié)構(gòu)形式。所以,根據(jù)以上的解釋,相對(duì)于“結(jié)構(gòu)性破壞和可靠性破壞”這些專業(yè)術(shù)語(yǔ),上面提到的破壞形式能更正確地反映“功能破壞、可靠性破壞和耐久性破壞”。所建議的關(guān)于事故的定義使得評(píng)價(jià)合理的設(shè)計(jì)和規(guī)范,以及 哪些是不完全和不合適的性能標(biāo)準(zhǔn)成為可能。
      根據(jù)推薦的定義,缺陷不一定 是事故。缺陷是不是事故,決定于它的容許范圍。土工膜上有一個(gè)大洞肯定是個(gè)缺陷,但假如滲漏量是在一個(gè)允許的范圍內(nèi),且有一個(gè)足夠的排水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié),它可能不會(huì)引起事故。相反,如果土工膜上的一個(gè)小洞會(huì)造成土壤和地下水的不可接受的污染, 是一個(gè)事故。然而,不能把這個(gè)事故完全歸因于土工膜。在這個(gè)事件中,污染是由于一個(gè)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤,因?yàn)閼?yīng)當(dāng)預(yù)見(jiàn)到,土工膜中的微小缺陷是可能發(fā)生的,所以應(yīng)該研究一種不同的設(shè)計(jì)(如用雙層膜代替單層膜)。
      推薦的定義所涵蓋的事故形式通常在結(jié)構(gòu)使用中發(fā)生,但某種事故形式也可能在施工過(guò)程中發(fā)生。例如,路堤在施工中發(fā)生圓弧滑移是事故,因?yàn)閲?yán)重影響了路堤結(jié)構(gòu)。相反,結(jié)構(gòu)問(wèn)題如果在施工中得到解決(如土工膜在施工時(shí)撕
    裂后被修復(fù)) 不是事故,因?yàn)檫@并沒(méi)有影響結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件滿足其性能標(biāo)準(zhǔn),且按時(shí)完工。
      事故的影響范圍可能很大,這取決于結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的功能。因而,發(fā)生事故后,結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件將被修復(fù)、重建或廢棄。不論影響的大小,所有事故都會(huì)引起結(jié)構(gòu)運(yùn)行或使用的中斷,從這點(diǎn)來(lái)說(shuō),一個(gè)即將發(fā)生的事故(亦即由材料和/或結(jié)構(gòu)的快速甚至加速退化趨勢(shì)和/或征兆所 的一個(gè)事故) 等同于一個(gè)實(shí)際發(fā)生的事故。
    1.3 結(jié)構(gòu)的功能和土工織物的功能
      根據(jù)以上對(duì)事故定義的討論,有必要對(duì)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件所執(zhí)行的功能有一個(gè)充分的了解,以避免事故的發(fā)生。要注意結(jié)構(gòu)所執(zhí)行的功能和土工膜所執(zhí)行的功能是不同的。例如,土工織物加筋擋土結(jié)構(gòu)的功能是擋住土體,而土工織物的功能是加固土體,排水系統(tǒng)的功能是排干土中水分,而過(guò)濾土工織物的功能是作為排水系統(tǒng)的過(guò)濾裝置。結(jié)構(gòu)的功能被定義為與土體及環(huán)境相關(guān),而土工織物的功能被定義為與結(jié)構(gòu)相關(guān)。
      在所有案例中,弄清土工織物的功能對(duì)避免和調(diào)查事故是非常重要的。明確土工織物為執(zhí)行所規(guī)定的功能而需要
    的性能是必須的。而且,也有必要懂得為執(zhí)行每一種功能所需的要求,例如在實(shí)現(xiàn)每一功能時(shí)土工合成材料和土體的位移。確實(shí),在這個(gè)論文中也能看到土工合成材料和土體的位移對(duì)應(yīng)用土工合成材料的結(jié)構(gòu)物的運(yùn)行所產(chǎn)生的重大影響。有關(guān)土工合成材料功能的信息也能在一些土工合成材料的刊物上看到(Giroud,1980;Giroud et al.,1985;Holtz et al.,1997;Koerner,1998).
    1.4 與土工織物有關(guān)的事故
      在這篇論文中,回顧了近100個(gè)有案可查的事件,包括三個(gè)主要章節(jié):第二節(jié),與土工合成材料有關(guān)的事故形式;第三節(jié),導(dǎo)致事故的場(chǎng)合;第四節(jié),總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)以及學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。綜觀本文,特別強(qiáng)調(diào)的是學(xué)習(xí)從實(shí)踐中所得到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

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