Як змінюється тиск із глибиною в землі?

У школі я дізнався, що тиск у воді змінюється

де - глибина в метрах, - щільність (наприклад, 1000 для води), а - прискорення гравітації ( ) і - тиск у Паскалі.ρ $h$$\rho$ г≈9,81$\frac{\text{kg}}{\text{m}^3}$$g$$\approx 9.81 \frac{\text{m}}{\text{s}^2}$$p$

Я думаю, що немає подібного закону щодо тиску в землі, як для різних, залежно від того, де ти є. Але чи є правило: Що роблять інженери, які будують тунелі / станції метро?

Я думаю, що немає подібного закону щодо тиску в землі, як для різних, залежно від того, де ти є. Але чи є правило: Що роблять інженери, які будують тунелі / станції метро?

Я підходжу до цього питання як інженер, який багато працює над закопаними трубами і періодично доводиться кваліфікувати поховані споруди для атомних електростанцій. Крім того, задля стислості, я припускаю, що ви говорите лише про вертикальні навантаження на конструкцію (бічні навантаження - ще одна складна тема для фундаментальної інженерії).

Грунт може діяти аналогічно рідині, залежно від типу грунту і навіть типу споруди, що завантажується.

Наприклад, гнучкі труби, такі як ПВХ, ЛДСП та сталь, можна вважати завантаженими ґрунтовою призмою безпосередньо над трубою. Трубопровід вважається гнучким, якщо він може витримати значну деформацію свого перерізу без розривів. Розгляньте зображення нижче із дизайну похованих труб Moser & Folkman , 3-е видання (1):

У цьому випадку, оскільки труба вважається більш гнучкою, ніж ґрунт, труба деформується під навантаженням таким чином, що не відбувається вигину ґрунту. Таким чином, навантаження на трубу - це просто щільність ґрунту, менша за глибину ґрунту, як у вашому прикладі.

Речі ускладнюються для так званих жорстких труб, таких як бетонна труба або транзитна (азбестоцементна) труба. У цьому випадку жорсткість труби така, що ґрунт з боків труби осідає більше, ніж діаметр самої труби, і труба здійснює додаткове навантаження через грунтування. Нижче я вставив ще одне зображення від Moser & Folkman (1), що ілюструє це явище.

Навантаження на трубу залежить від того, як вона була закопана (позитивна проекція, траншея, індукована траншея тощо) і справді виходить за рамки цієї відповіді. Я включив пару посилань в кінці цієї відповіді для подальшого читання.

Для великих конструкцій, таких як ваші тунелі або станції метро, ​​визначення навантаження на ґрунт складніше. Чи є сусідні конструкції, що застосовують навантаження? Чи було зроблено щось для стабілізації ґрунту? Як взаємодіють різні верстви ґрунтів і як відносна жорсткість кожного впливає на загальне навантаження? Якщо тунель через скелю, чи може скеля підтримувати себе без додаткового підкріплення?

Усі ці міркування та багато іншого, про що я не можу придумати, наразі вступають у дію при визначенні навантаження на закопану конструкцію. Немає справжнього головного правила, коли справа стосується проектування закопаної структури, оскільки існує стільки міркувань, коли справа стосується фактичного завантаження.

Подальше читання

1.) Moser, AP та Steven Folkman, Buried Pipe Design , 3-е видання.

2.) Марстон, А. і А. О. Андерсон, Теорія навантажень на труби в канавах і випробуваннях зливної плитки з цементу та глини та каналізації , лютий 1913 року.

3.) Кларк, NWB, Поховані трубопроводи: Посібник з конструктивного проектування та монтажу , 1968.

Оскільки хтось, хто займався підземною інфраструктурою на глибині не менше 1400 метрів, не існує правил. Все зводиться до геології та місцевих умов.

Ґрунти поводяться по-різному до гірських порід, а осадові породи поводяться по-різному з магматичними та метаморфізованими гірськими породами. Крихкий рок поводиться по-різному до пластичного року. Крихка скеля у вигляді дамб і підвіконь, може вибухнути вибухонебезпечно при перенапруженні. Деякі мафійські породи можуть проявляти повзучу поведінку з часом.

Чисельність, орієнтація та стан розривів гірських порід є фактором, як і близькість розломів / ножиць. Стан несправностей та чи активні вони важливі, як і ширина зони розлому або зони розломів, і чи є несправність однорідною чи заповненою, і якщо заповнена, який матеріал заповнює несправність. Тальк за несправностями призводить лише до проблем.

Супозиція крихкої та пластичної породи може викликати локалізовані напруги, оскільки кожен тип породи поводиться по-різному.

Геотехнічні ями можуть давати таку інформацію, як позначення якості гірської породи (RQD). Інші бурові отвори, в які розміщені тривимірні напружені осередки, можуть бути забиті ядрами, щоб можна було встановити принципові напруження для гірської маси в певних місцях.

На глибині бічні напруги можуть бути вищими, ніж субвертикальні.

Коли під землею розкопаний тунель або камера, напруження в скельній масі перетворюються. Якщо в скельну масу ввести систему близько розташованих порожнеч, можуть виникнути зони знеструмлених гірських порід, де там скеля вже не перебуває під впливом напруги незайманої породи.

В інших ситуаціях відсутність ув'язнення, яке вводиться під час розкопання тунелю чи камери, може призвести до ущільнення стін порожнечі; в деяких випадках 50 мм і більше.

Ваше запитання стосується зміни тиску з глибиною в землі. Коли ця земля складається з ґрунтів, бічні та вертикальні тиски можна обчислити різними способами, залежно від того, чи є ваш ґрунт піском чи глиною та чи є ґрунтова вода. Це може бути досить складною справою, як показано нижче.

Співвідношення горизонтального та вертикального тиску

Взагалі кажучи, при розкопках, в умовах засипання та під фундаменти горизонтальний тиск і вертикальний тиск не вважаються рівнозначними і залежать від взаємодії ґрунт-структура, з точки зору активного, пасивного та в умовах спокою.

Активні умови - це коли конструкція віддаляється від ґрунту (зменшується тиск на конструкцію). Пасивні умови виникають там, коли структура рухається до ґрунту (посилюється тиск на споруду), а в спокої - там, де ґрунт досяг свого природного стану. Ви можете собі уявити, що всі три ці умови можна спостерігати в утримуючої конструкції, оскільки вона може обертатися або деформуватися протягом свого життя.

Як правило, більшість теорій надають коефіцієнти, які можуть бути використані для обчислення співвідношення горизонтального та вертикального тиску на основі стану взаємодії ґрунт / структура та властивостей ґрунтів. Деякі засновані на коефіцієнті Пуассона. Я навіть використав співвідношення Пуассона на основі температури, щоб провести еластичний аналіз горизонтальних і вертикальних тисків у бітумних тротуарних конструкціях, використовуючи рівняння Буссінеска.

Ефективний стрес

Там, де є грунтові води, тиск виражається у вигляді ефективного напруження , тобто різниці між загальним напруженням та тиском порової води. Це складно зрозуміти, але це стосується плавучості ґрунтів та інших факторів.

Наприклад, враховуйте цікаву точку на 10 м нижче поверхні землі та рівномірні піски, що мають природну щільність 1300 кг / м3, загальна напруга на 10 м глибині, що цікавить, становитиме 130 кПа. Тепер розглянемо, що вільна поверхня столу ґрунтових вод знаходиться на постійній глибині 2 м. Припустимо, щільність води становить 1000 кг / м3. Тиск часу на глибині 10 м ґрунтувався б на 8 м колоні води, щоб поровий тиск становив 80 кПа на глибині, що цікавить. Таким чином, ефективне напруження на 10 м стає 130 кПа - 80 кПа = 50 кПа. Це дуже спрощений вираз, оскільки може бути безліч інших факторів, наприклад, коливання рівня води, так звані умови «швидкої перерви» та збереження конструкцій, таких як дренаж, серед багатьох інших міркувань.

Піски (безщільні ґрунти)

Для піщаних (без згуртованості) ґрунтів часто застосовується теорія ранкіну (пружність). Для цього кут опору зсуву ґрунту (кут тертя) та кут нахилу викопувальної / утримуючої конструкції стає критичним.

Кут тертя піщаного ґрунту найкраще вимірювати в лабораторії, але він також вважається приблизно еквівалентним природному куту осідання сипучого сухого матеріалу.

Глини (ґрунти без тертя)

Для ґрунтів з згуртованим елементом, таких як сполуки глини та глинистого мулу, зазвичай застосовується теорія куломів (клина) (пластичність). У цьому аналізі ґрунт уявляється як клин (вільний корпус) за будовою, і оскільки рішення не визначене, розглядаються різноманітні потенційні відмовні поверхні, поки розчин не сформується на максимальному тиску ґрунту.

Ґрунти з тертям та зчепленням

Теорія Колумба може бути використана на ґрунтах, що мають як тертя, так і згуртованість. Метод Ранкіна не підходить для згуртованих ґрунтів. Однак для визначення співвідношення горизонтального та вертикального напружень може знадобитися подальший аналіз.

Часто співвідношення може бути встановлено шляхом визначення станів напруги, представлених Колом Мора . Ці властивості часто вимірюються за допомогою тестів на триаксальний зсув, коли колона ґрунту випробовується в лабораторії при діапазоні обмежених тисків. Це може встановити міцність з’єднання та кут тертя матеріалу та співвідношення горизонтального та вертикального напружень відповідно до глибини.

Загальна еластична теорія

Існують і інші теоретичні методи, які часто використовуються для обчислення горизонтальних і вертикальних тисків під точкою фундаменту. Зазвичай застосовуються два методи: 1) теорія Вестергаарда і 2) теорія Буссінеска. Співвідношення горизонтального та вертикального тиску в деякій точці під поверхнею значною мірою залежить від оціночного значення коефіцієнта Пуассона .

Теорія Вестергаарда - еластична теорія, застосована до шаруватих середовищ. Це стосується більшості умов, які зазвичай зустрічаються на практиці.

Теорія Буссінеска - еластична теорія, застосована до однорідного еластичного половинного простору. Незважаючи на те, що це може бути не так застосовно для всіх ґрунтів, воно часто знаходить застосування, спрощуючи припущення.

Закриття

Це лише смак більш поширених методів аналізу, які використовуються для оцінки тиску на землю при розкопках, під фундаменти та за підпірними спорудами. Є й інші, наприклад Аналіз спіралей журналу для розкопованих розкопок, який часто використовується. Хоча теорії можуть бути складними, коли враховувати великі труднощі у встановленні справжнього складу підземних ґрунтових умов (тобто існування шарів, товщини шару та мінливості властивостей ґрунтів), стає зрозумілим, що аналіз тиску / напруги вимагає великого досвіду та майстерності.

Простіше кажучи, земний тиск є і дуже подібним, і дуже різним.

Вертикальний тиск на землю задається: Щільність x висота x сила тяжіння. Тут щільність залежить від матеріалу, який змінюється залежно від типу грунту.

Горизонтальний тиск на землю - це те, де він відрізняється від простої моделі води. Відсоток вертикальної сили, прикладеної горизонтально, залежить від здатності ґрунту підтримувати та переносити навантаження. Зазвичай це простий коефіцієнт для зернистого матеріалу (близько 0,5), а для згуртованості враховує міцність на зсув.

Існують такі теорії, як теорія силосу, які зменшують об'єм грунту, що діє на точкову основу на площинах відмови.