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  • 与土工合成材料有关的事故及其经验教训
  • 2017/4/17 阅读次数:[4449]
  • 在回顾近百个案例的基础上,本文系统地分析了应用了土工合成材料的建筑物破坏的表现形式,从设计方法和现场条件人手,讨论了引起破坏的原因,列举了大量的实例,并且总结了从中得到的经验教训。

    1.前言
       岩土工程师如果不能从他人的错误中汲取教训,则将从自己的错误中得到教训。这将促使他们去读这本书。
    1.1 从事故中学习
      许多人喜欢说:比起一般的自然科学来,岩土工程更像是一门艺术。这种说法是不对的,有可能会误导一些正在学习这门学科的人。岩土工程是一门科学,而不是一门艺术。说它是一门科学,这是因为岩土工程的所有现象都能得到合理的解释;说它不是一门艺术,是因为在岩土工程中,建筑物的建成是不依赖于个人的情绪和抽象的想象的。也许你可以不用“艺术”这个词,而用诸如”建筑艺术”这样的说法来表达。但这里,“艺术”指的是从实践中总结出来的方法和技巧。岩土工程作为一门应用科学,当然包括了源于实践的方法和技巧(包括现场管理,甚至论文写作的“艺术”)。但是,岩土工程从本身来说是一门科学,一门应用科学,而非一门艺术。
      作为一门科学,岩土工程要求可靠的手段。而常常被岩土工程师应用的”公众意识”(common sense)却不是一种可靠的手段,因为它是一种公众意见的随机的集合。它们当中许多不良习惯仅仅是被常例所验证的。而这种包裹在“公众意识”标志下的意见的来源却是不得而知的,也 是说没有办法证明它的好坏。所以,“公众意识”不能作为科学项目中合理判据的基础。
      在科学领域中,一切现象都可以根据 基本原理得到合理地解释的事实,并不意味着所有知识都必须依靠逻辑演绎才得到。事实上,当前绝大部分科学知识来自实践经验,而且常常具有偶然性,这对所有的领域都如此。许多现象的合理解释因此才得以发展。这对于岩土工程也是如此。鉴于它是一个在材料、机理及边界条件均十分复杂的领域,单靠逻辑演绎是很难对现象进行预测的。这同样适合于土工合成材科,因为除了与岩土工程特有的联系外,土工合成材料使用相对较晚,因此,随着应用的多样性,以及使用者实践经验的不断积累,对它的了解也在不断加深。
      通过以上的讨论,我们可以清楚地看到,向经验学习的机会是不能错过的。然而,经验和学习别人的经验之间是有巨大区别的。学习别人的经验的 途径是分析现有的资料,并将分析的结果溶进一个知识体系之中。这对于从事故中学习东西来说尤其如此,从而形成经验的 终水平(dltimate level)。在本文中,大量的工程实录用来显示如何从对事故的分析中来学到知识。
      基于以上的讨论, 重要的是知道事故(失效)的定义。
    1.2 事故的定义
      对于土工构筑物,什么是事故?用“公众意识”来解释常常是一个模糊的答案,每次使用这个措词都很难找到一个合理的解答。确实,给事故下一个合理的定义是很不容易的。现看如下说明。
      土工构筑物的事故可能影响到整个结构(例如公路路基)、某一系统(例如掩埋式垃圾处理场的覆盖系统)或某一部件(例如土工合成材料)。对于事故的定义,有以下几种说法可供考虑。
       个常被提及的定义:
      事故 是一个结构、系统或部件不能执行它在设计中所规定的功能。
      当然,一个结构、系统或部件必须能执行它本身在设计中规定的功能,但只有这些要求是不完全的,这个定义可能太不严格,或者说过分依赖于“功能”这个词的意义。举个例子,根据以上的定义,一个存在很大变形但仍能挡土的挡土结构,我们 不能因为其仍具有挡土功能而不考虑失效的后果。再如,一个预期功能为一个隔水层的土工膜垫层,由于有很小破损而产生微小渗漏将被认为是事故。在这里,重要的是注意构筑物的功能和构筑物中土工合成材料的功能的不同之处。例如,在一个蓄水池中,土工膜垫层是起隔水层的作用,而蓄水池是起蓄水的作用,这种区别可以由一个小蓄水池中土工膜垫层被气体整体地托起的事例来说明(一个真实事例)。在这个案例中,蓄水池执行其蓄水功能 是失败的,而土工膜衬垫仍执行其隔水层的功能。结构的功能不仅应该明确定义,而且还应被量化。例如,在土工膜垫层的蓄水池的案例中,蓄水的体积必须考虑在内。但是,这还不够,因为在一个大蓄水池的情况下,单个的土工膜气泡对所蓄液体体积的影响是微不足道的,但可能会影响土工膜的长期性能(在土工膜暴露在阳光、风等情况下),且妨碍蓄水池的运行。可以清楚地看到,基于结构的功能来对事故下定义是模糊且不充分的。基于以上的评论,事故的定义需包含若干定量的要求,即性能标准。这样,引出了第二个定义:
      事故 是一个结构、系统或部件不能满足它本身的性能标准。
      这个定义要好于 个定义,因为其中包括了性能标准。但它是有缺点的,因为它意味着性能标准是为所考虑的
    结构、系统或部件而建立的。(换句话说,这个定义为一种荒谬的情况开了方便之门,即因为标准没有建立,所以也
    不会有事故)。同样,这个定义暗示,功能标准(如果有的话)是全面的和充分的。例如,过分简单的性能标准,像“没
    有沉降”或“无渗漏”,是不充分的,因为这些标准是不可能被满足的,因而,若按这种标准,则任何一种状态都会被当作一个事故。
      由此可知,给事故下一个较好的定义是必要的。但如若将上述两个试探性的定义结合在一起,例如”不能执行预定的功能和/或不能满足它的性能标准”这样一种词语,仍不能解决上面例子中的问题。
      末尾,我们推荐下面的定义:
      事故 是一个结构、系统或部件不能满足全面的和合适阶性能标准。
      由于 “全面的、合适的评判标准”能够全面和合适的定义及量化结构的设计功能,所以这个定义从技术上来说是正确的。可能的缺陷是形容词“全面的、合适的”可能会受到质疑和争论。但是,这可能会引导人们去发展什么是“全面的、合适的性能标准”这个概念。我们试着建议以下思路。为了完整起见,该标准需强调以下三种可能的破环形式:丧失结构、系统和部件的功能;毁坏或损害结构、系统和部件的运行及使用;威胁结构、系统和部件的长远效能。现对这三种事故形式做以下讨论:
      丧失执行结构、系统和部件的功能   在 个定义的叙述过程中,我们 知道结构、系统或部件必须执行其预定的功能,然而,为达到“全面和合适”,性能标准应该包括能反映结构、系统和部件执行其功能能力的定性及定量要求。在蓄水池的例子中,这种要求的内容是:蓄水池能容纳的液体体积和 允许渗漏速率。作为事故需满足的条件是:土工膜垫层被气体托起,以致不能满足容纳要求的蓄水量;渗漏超过 允许渗透速率;渗漏很大,它既超过 允许渗漏速率,也妨碍蓄水池储存要求的蓄水量。
      毁坏或损害结构、系统和部件的运行及使用   每一个结构、系统或部件都是要运行和使用的,因此,在毁坏或损害结构、系统和部件情况下的运行和使用,是使用者所不能容许的。这种事故常常称为”操作事故”。然而,为了达到“全面和合适”,性能标难应该包括能反映结构、系统和部件不能被容许的危害运行和使用的定性及定量要求。在蓄水池的例子中,这种要求的一个例子是要求船能够在蓄水池的所有部分进行航行,这意味着局部土工膜垫层被气体托起也是不容许的,尽管这不会影响蓄水池储存一定水量的功能。
      威胁结构、系统和部件的长远效能    一个结构、系统或部件必须执行其功能,并且在一段时期内正常运行。然而,为达到“全面和合适”,性能标准应该包括能反映结构、系统和部件满足其设计使用寿命内正常运行所必须的定性及定量要求。该标准甚至可能包括有助于预测未来事故的趋势(如一些表 凉つぬ匦酝嘶牟问谋浠蚬鄄獾郊咏钔燎降那阈)或征兆(如水从大坝的下游面渗出),甚至预测即将发生的事故(如材料或结构的迅速或加速退化的趋势或征兆)。由于没有满足结构、系统或部件长期效能要求而引起的事故,可称为耐久性事故。在蓄水池的事例中,
    局部土工膜衬垫被气泡托起,但可能并没有影响蓄水池执行其功能(容纳一定体积的液体),且没有妨碍蓄水池的运行,因此前两种标准都是满足的。然而,气泡使土工膜衬垫暴露在阳光并被损坏,可能降低其在设计使用寿命中执行其功能的能力,所以,性能标准里应包括一些条款来处理像土工膜气泡发展这样一些不可接受的缺陷,并要求立即执行,因为它表示了一个导致破坏的机制的开始。
      三种破坏形式之间的界限并不总是严格的,一些标准可能被限定在两种形式的范围内。例如,如果加筋土墙的变形影响墙面外观,则对使用者来说,可能仅仅是一件讨厌的事,或者由于墙的变形不能执行其功能,加筋土上的基础 不能修建。(这种限定甚至可以随时间发展;墙面的倾斜只对结构的使用产生损害,然而当倾斜持续地增加,它 是一个马上 要坍塌的警告了。)以上的讨论使“全面”的一套标难的建立成为可能,这是 基本的。除了“全面”的之外,标准还应是“合适”的。合适的标准是能反映结构的功能和使用者的需要为基础,将其合理量化的标难。
      应该注意,上面提及的三种破坏形式不同于经常提到的结构性破坏和可靠性破坏这两种破坏形式。“结构性破坏和可靠性破坏”这些专业术语来源于结构设计者对于因设计和施工的缺陷引起的破坏(例如,有垂直面的加筋土结构)。这些专业术语不适合许多没有完全破坏的结构形式。所以,根据以上的解释,相对于“结构性破坏和可靠性破坏”这些专业术语,上面提到的破坏形式能更正确地反映“功能破坏、可靠性破坏和耐久性破坏”。所建议的关于事故的定义使得评价合理的设计和规范,以及 哪些是不完全和不合适的性能标准成为可能。
      根据推荐的定义,缺陷不一定 是事故。缺陷是不是事故,决定于它的容许范围。土工膜上有一个大洞肯定是个缺陷,但假如渗漏量是在一个允许的范围内,且有一个足够的排水系统进行调节,它可能不会引起事故。相反,如果土工膜上的一个小洞会造成土壤和地下水的不可接受的污染, 是一个事故。然而,不能把这个事故完全归因于土工膜。在这个事件中,污染是由于一个设计错误,因为应当预见到,土工膜中的微小缺陷是可能发生的,所以应该研究一种不同的设计(如用双层膜代替单层膜)。
      推荐的定义所涵盖的事故形式通常在结构使用中发生,但某种事故形式也可能在施工过程中发生。例如,路堤在施工中发生圆弧滑移是事故,因为严重影响了路堤结构。相反,结构问题如果在施工中得到解决(如土工膜在施工时撕
    裂后被修复) 不是事故,因为这并没有影响结构、系统或部件满足其性能标准,且按时完工。
      事故的影响范围可能很大,这取决于结构、系统和部件的功能。因而,发生事故后,结构、系统或部件将被修复、重建或废弃。不论影响的大小,所有事故都会引起结构运行或使用的中断,从这点来说,一个即将发生的事故(亦即由材料和/或结构的快速甚至加速退化趋势和/或征兆所 的一个事故) 等同于一个实际发生的事故。
    1.3 结构的功能和土工织物的功能
      根据以上对事故定义的讨论,有必要对结构、系统或部件所执行的功能有一个充分的了解,以避免事故的发生。要注意结构所执行的功能和土工膜所执行的功能是不同的。例如,土工织物加筋挡土结构的功能是挡住土体,而土工织物的功能是加固土体,排水系统的功能是排干土中水分,而过滤土工织物的功能是作为排水系统的过滤装置。结构的功能被定义为与土体及环境相关,而土工织物的功能被定义为与结构相关。
      在所有案例中,弄清土工织物的功能对避免和调查事故是非常重要的。明确土工织物为执行所规定的功能而需要
    的性能是必须的。而且,也有必要懂得为执行每一种功能所需的要求,例如在实现每一功能时土工合成材料和土体的位移。确实,在这个论文中也能看到土工合成材料和土体的位移对应用土工合成材料的结构物的运行所产生的重大影响。有关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 与土工织物有关的事故
      在这篇论文中,回顾了近100个有案可查的事件,包括三个主要章节:第二节,与土工合成材料有关的事故形式;第三节,导致事故的场合;第四节,总结经验教训以及学习经验教训。综观本文,特别强调的是学习从实践中所得到的经验教训。

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