Làm thế nào để thay đổi áp lực với độ sâu trong trái đất?

Tôi đã học ở trường rằng áp lực trong nước thay đổi như

nơi là chiều sâu tính bằng mét, ρ là mật độ (ví dụ 1000 $h$$\rho$ cho nước) vàglà gia tốc trọng trường (≈9,81$\frac{\text{kg}}{\text{m}^3}$$g$ ) vàplà áp suất trong Pascal.$\approx 9.81 \frac{\text{m}}{\text{s}^2}$$p$

Tôi đoán không có luật tương tự đối với áp lực trên trái đất vì nó khác nhau, tùy thuộc vào nơi bạn ở. Nhưng có một quy tắc của ngón tay cái? Các kỹ sư xây dựng đường hầm / ga ngầm làm gì?

Tôi đoán không có luật tương tự đối với áp lực trên trái đất vì nó khác nhau, tùy thuộc vào nơi bạn ở. Nhưng có một quy tắc của ngón tay cái? Các kỹ sư xây dựng đường hầm / ga ngầm làm gì?

Tôi tiếp cận câu hỏi này với tư cách là một kỹ sư làm rất nhiều công việc trên các đường ống chôn và đôi khi phải kiểm tra các công trình chôn lấp cho các nhà máy điện hạt nhân. Ngoài ra, vì lợi ích của ngắn gọn, tôi giả sử bạn đang nói về chỉ tải thẳng đứng trên cấu trúc (tải bên là một chủ đề phức tạp đối với kỹ thuật nền móng).

Đất có thể hoạt động tương tự như chất lỏng, tùy thuộc vào loại đất và thậm chí loại cấu trúc đang được tải.

Ví dụ, các ống linh hoạt như PVC, HDPE và thép có thể được giả định là được tải bởi lăng kính đất ngay phía trên đường ống. Đường ống được coi là linh hoạt nếu nó có thể duy trì một biến dạng khá lớn của mặt cắt ngang của nó mà không bị vỡ. Hãy xem xét hình ảnh dưới đây từ Thiết kế ống chôn của Moser & Folkman , Phiên bản thứ 3 (1):

Trong trường hợp này, do đường ống được coi là linh hoạt hơn đất, nên đường ống biến dạng dưới tải trọng sao cho không xảy ra hiện tượng cong của đất. Như vậy, tải trọng trên đường ống chỉ đơn giản là mật độ đất nhân với độ sâu của đất, như trong ví dụ của bạn.

Mọi thứ trở nên phức tạp hơn đối với cái gọi là ống cứng, chẳng hạn như ống bê tông hoặc ống transite (amiăng-xi măng). Trong trường hợp này, độ cứng của đường ống sao cho đất ở hai bên của ống lắng hơn đường kính của ống và ống chịu tải thêm thông qua việc uốn cong đất. Dưới đây tôi đã dán một hình ảnh khác từ Moser & Folkman (1) minh họa hiện tượng này.

Tải trên đường ống phụ thuộc vào cách nó được chôn (hình chiếu dương, rãnh, rãnh cảm ứng, v.v.) và thực sự nằm ngoài phạm vi của câu trả lời này. Tôi đã bao gồm một vài tài liệu tham khảo ở cuối câu trả lời này để đọc thêm.

Đối với các cấu trúc lớn hơn như đường hầm hoặc ga tàu điện ngầm của bạn, việc xác định tải trọng đất phức tạp hơn. Có cấu trúc liền kề áp dụng tải? Đã có một cái gì đó được thực hiện để ổn định đất? Các tầng đất khác nhau tương tác như thế nào, và độ cứng tương đối của mỗi tác động đến tổng tải trọng như thế nào? Nếu đào hầm xuyên qua đá, đá có thể tự chống đỡ mà không cần gia cố thêm không?

Tất cả những cân nhắc này và nhiều hơn nữa mà tôi không thể nghĩ ra tại thời điểm này phát huy tác dụng khi xác định tải trọng trên một cấu trúc bị chôn vùi. Không có quy tắc thực sự khi nói đến việc thiết kế một cấu trúc bị chôn vùi vì có rất nhiều cân nhắc khi nói đến tải thực tế.

Đọc thêm

1.) Moser, AP & Steven Folkman, Thiết kế ống chôn , Phiên bản thứ 3.

2.) Marston, A. & AO Anderson, Lý thuyết về tải trọng trên đường ống trong mương và các thử nghiệm của ống thoát nước xi măng và đất sét và ống cống , tháng 2 năm 1913.

3.) Clarke, NWB, Buried Pipelines: Cẩm nang thiết kế và lắp đặt kết cấu , năm 1968.

Là một người đã tham gia với cơ sở hạ tầng dưới lòng đất đến độ sâu ít nhất 1400 mét, không có quy tắc nào. Tất cả là do địa chất và các điều kiện địa phương.

Đất cư xử khác với đá và đá trầm tích cư xử khác với đá lửa và đá biến chất. Đá giòn hoạt động khác với đá dễ uốn. Đá giòn ở dạng đê và bệ, có thể bị nổ khi bị căng thẳng quá mức. Một số đá maff có thể biểu hiện một hành vi leo trèo theo thời gian.

Số lượng, định hướng và tình trạng của sự gián đoạn đá là một yếu tố, cũng như sự gần gũi của các lỗi / kéo. Tình trạng của các lỗi và liệu chúng có hoạt động hay không là quan trọng như chiều rộng của lỗi hoặc vùng lỗi và liệu lỗi có phải là mặt nhẵn hay bị thấm và nếu bị thấm thì vật liệu nào sẽ lấp đầy lỗi. Talc về lỗi chỉ dẫn đến vấn đề.

Sự kết hợp của đá dễ vỡ và dễ uốn có thể gây ra các ứng suất cục bộ do mỗi loại đá hoạt động khác nhau.

Các lỗ địa kỹ thuật có thể cung cấp thông tin như chỉ định chất lượng đá (RQD). Các lỗ khoan khác trong đó các ô ứng suất ba chiều đã được đặt có thể được kiểm duyệt quá mức để các ứng suất nguyên lý cho khối đá ở một số vị trí nhất định có thể được xác định.

Ở độ sâu, ứng suất bên có thể cao hơn ứng suất dưới dọc.

Khi một đường hầm hoặc buồng được đào dưới lòng đất, các ứng suất trong khối đá được sắp xếp lại. Nếu một hệ thống các khoảng trống cách đều nhau được đưa vào khối đá, các vùng đá bị căng thẳng có thể xảy ra, nơi đá không còn chịu ảnh hưởng của ứng suất đá nguyên chất.

Trong các tình huống khác, việc thiếu sự giam cầm được đưa ra khi một đường hầm hoặc buồng đã được đào có thể khiến các bức tường của khoảng trống bị co lại; trong một số trường hợp 50 mm trở lên.

Câu hỏi của bạn là cụ thể cho sự thay đổi áp lực với độ sâu trong trái đất. Khi trái đất đó bao gồm các loại đất, áp lực bên và dọc có thể được tính theo một số cách khác nhau, tùy thuộc vào việc đất của bạn là cát, hay đất sét và liệu có nước ngầm hay không. Nó có thể là một vấn đề khá phức tạp, như sau đây minh họa.

Tỷ lệ áp lực ngang và dọc

Nói chung, trong các cuộc khai quật, trong điều kiện san lấp, và dưới nền móng, áp lực ngang và áp lực dọc không được coi là tương đương, và phụ thuộc vào tương tác cấu trúc đất, trong điều kiện chủ động, thụ động và ở điều kiện nghỉ.

Điều kiện hoạt động là nơi cấu trúc đang di chuyển ra khỏi đất (giảm áp lực lên cấu trúc). Điều kiện thụ động xảy ra khi cấu trúc đang di chuyển về phía đất (tăng áp lực lên cấu trúc) và tại phần còn lại là nơi đất đã đạt đến trạng thái tự nhiên. Bạn có thể tưởng tượng rằng cả ba điều kiện này có thể được quan sát trong một cấu trúc giữ lại, vì nó có thể xoay hoặc biến dạng trong suốt vòng đời của nó.

Thông thường, hầu hết các lý thuyết sẽ cung cấp các hệ số có thể được sử dụng để tính tỷ lệ áp lực ngang và áp dọc dựa trên trạng thái tương tác đất / cấu trúc và tính chất của đất. Một số dựa trên Tỷ lệ của Poisson. Tôi thậm chí đã sử dụng tỷ lệ Poisson dựa trên nhiệt độ để tiến hành phân tích đàn hồi áp lực ngang và dọc trong các cấu trúc mặt đường bitum bằng phương trình Boussinesq.

Căng thẳng hiệu quả

Khi nước ngầm xuất hiện, áp lực được thể hiện dưới dạng ứng suất hiệu quả , đó là sự khác biệt giữa tổng ứng suất và áp lực nước lỗ rỗng. Điều này là khó hiểu nhưng phải làm với độ nổi của đất và các yếu tố khác.

Ví dụ, hãy xem xét một điểm quan tâm dưới mặt đất 10 m và cát đồng nhất có mật độ tự nhiên 1300 kg / m3, tổng ứng suất ở độ sâu 10 m quan tâm sẽ là 130 kPa. Bây giờ hãy xem xét rằng bề mặt tự do của mực nước ngầm ở độ sâu không đổi 2 m và giả sử mật độ của nước là 1000 kg / m3. Áp lực lỗ rỗng ở độ sâu 10 m sẽ dựa trên cột nước 8 m, do đó áp suất lỗ rỗng sẽ là 80 kPa ở độ sâu quan tâm. Do đó ứng suất hiệu dụng ở 10 m trở thành 130 kPa - 80 kPa = 50 kPa. Đây là một biểu thức rất đơn giản vì có thể có nhiều yếu tố khác, ví dụ như sự dao động của mực nước, được gọi là điều kiện 'cát lún' và để giữ lại các cấu trúc như thoát nước, trong số nhiều cân nhắc khác.

Cát (Đất dính)

Đối với đất cát (không dính), Lý thuyết Rankine (độ đàn hồi) thường được áp dụng. Đối với điều này, góc kháng cắt của đất (góc ma sát) và góc nghiêng của cấu trúc đào / giữ lại trở nên quan trọng.

Góc ma sát của đất cát được đo tốt nhất trong phòng thí nghiệm, nhưng nó cũng được coi là gần tương đương với góc tự nhiên của vật liệu khô, lỏng.

Đất sét (Đất không ma sát)

Đối với các loại đất có yếu tố kết dính, chẳng hạn như đất sét và đất sét kết hợp, lý thuyết Coulomb (Wedge) (độ dẻo) thường được áp dụng. Theo phân tích này, đất được tưởng tượng là một cái nêm (cơ thể tự do) phía sau cấu trúc, và vì giải pháp là không xác định, một loạt các bề mặt thất bại tiềm năng được thử cho đến khi dung dịch hội tụ ở áp suất đất tối đa.

Đất có ma sát và sự gắn kết

Lý thuyết của Coluomb có thể được sử dụng trên các loại đất thể hiện cả ma sát và sự gắn kết. Phương pháp của Rankine không phù hợp với đất dính. Tuy nhiên, việc xác định tỷ lệ ứng suất ngang và dọc có thể yêu cầu phân tích thêm.

Thường thì tỷ lệ này có thể được thiết lập bằng cách xác định các trạng thái ứng suất được biểu thị bằng Vòng tròn Mohr . Các tính chất này thường được đo bằng Triaxal Shear Tests trong đó một cột đất được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm dưới một loạt các áp lực hạn chế. Điều này có thể thiết lập cường độ kết dính và góc ma sát của vật liệu và tỷ lệ ứng suất ngang và dọc theo độ sâu.

Lý thuyết đàn hồi tổng quát

Có các phương pháp lý thuyết khác thường được sử dụng để tính toán áp lực ngang và dọc bên dưới một điểm của nền tảng. Thông thường có hai phương pháp được áp dụng: 1) Lý thuyết Westergaard và 2) Lý thuyết Boussinesq. Tỷ lệ áp lực ngang và dọc tại một số điểm bên dưới bề mặt phần lớn là một hàm của giá trị ước tính của Tỷ lệ Poisson .

Lý thuyết Westergaard là lý thuyết đàn hồi được áp dụng cho phương tiện truyền thông nhiều lớp. Đây là trường hợp trong hầu hết các điều kiện thường được tìm thấy trong thực tế.

Lý thuyết Boussinesq là lý thuyết đàn hồi áp dụng cho một nửa không gian đàn hồi đồng nhất. Trong khi điều này có thể không được áp dụng cho tất cả các loại đất, nó sẽ tìm thấy ứng dụng thường xuyên theo các giả định đơn giản hóa.

Khép kín

Đây chỉ là một hương vị của các kỹ thuật phân tích phổ biến hơn được sử dụng để đánh giá áp lực đất trong các cuộc khai quật, dưới nền móng và đằng sau các cấu trúc giữ lại. Có những thứ khác, ví dụ Log Phân tích xoắn ốc cho các cuộc khai quật, thường được sử dụng. Mặc dù các lý thuyết có thể phức tạp, nhưng khi người ta xem xét khó khăn lớn trong việc thiết lập thành phần thực sự của điều kiện đất dưới bề mặt (tức là sự tồn tại của các lớp, độ dày lớp và tính biến thiên của các tính chất của đất), thì rõ ràng là phân tích áp lực / ứng suất đòi hỏi rất nhiều kinh nghiệm và kỹ năng.

Nói một cách đơn giản, áp lực đất là rất giống nhau và rất khác nhau.

Áp lực đất thẳng đứng được cho bởi: Mật độ x chiều cao x trọng lực. Ở đây mật độ phụ thuộc vào vật liệu, thay đổi theo loại đất.

Áp lực đất ngang là nơi nó phân kỳ từ mô hình nước đơn giản. Tỷ lệ phần trăm của lực dọc được áp dụng theo chiều ngang phụ thuộc vào khả năng của đất để hỗ trợ và chuyển tải. Thông thường đây là một hệ số đơn giản cho vật liệu dạng hạt (khoảng 0,5) và cho sự gắn kết có tính đến độ bền cắt.

Có những lý thuyết, chẳng hạn như lý thuyết silo, làm giảm khối lượng đất tác động lên một điểm dựa trên các mặt phẳng thất bại.