- 與土工合成材料有關(guān)的事故及其經(jīng)驗教訓
- 2017/4/17 閱讀次數(shù)：[7488]
- 在回顧近百個案例的基礎(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)計方法和現(xiàn)場條件人手，討論了引起破壞的原因，列舉了大量的實例，并且總結(jié)了從中得到的經(jīng)驗教訓。
1.前言
巖土工程師如果不能從他人的錯誤中汲取教訓，則將從自己的錯誤中得到教訓。這將促使他們?nèi)プx這本書。
1．1 從事故中學習
許多人喜歡說：比起一般的自然科學來，巖土工程更像是一門藝術(shù)。這種說法是不對的，有可能會誤導一些正在學習這門學科的人。巖土工程是一門科學，而不是一門藝術(shù)。說它是一門科學，這是因為巖土工程的所有現(xiàn)象都能得到合理的解釋；說它不是一門藝術(shù)，是因為在巖土工程中，建筑物的建成是不依賴于個人的情緒和抽象的想象的。也許你可以不用“藝術(shù)”這個詞，而用諸如”建筑藝術(shù)”這樣的說法來表達。但這里，“藝術(shù)”指的是從實踐中總結(jié)出來的方法和技巧。巖土工程作為一門應(yīng)用科學，當然包括了源于實踐的方法和技巧(包括現(xiàn)場管理，甚至論文寫作的“藝術(shù)”)。但是，巖土工程從本身來說是一門科學，一門應(yīng)用科學，而非一門藝術(shù)。
作為一門科學，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”(common sense)卻不是一種可靠的手段，因為它是一種公眾意見的隨機的集合。它們當中許多不良習慣僅僅是被常例所驗證的。而這種包裹在“公眾意識”標志下的意見的來源卻是不得而知的，也 是說沒有辦法證明它的好壞。所以，“公眾意識”不能作為科學項目中合理判據(jù)的基礎(chǔ)。
在科學領(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，并不意味著所有知識都必須依靠邏輯演繹才得到。事實上，當前絕大部分科學知識來自實踐經(jīng)驗，而且常常具有偶然性，這對所有的領(lǐng)域都如此。許多現(xiàn)象的合理解釋因此才得以發(fā)展。這對于巖土工程也是如此。鑒于它是一個在材料、機理及邊界條件均十分復雜的領(lǐng)域，單靠邏輯演繹是很難對現(xiàn)象進行預(yù)測的。這同樣適合于土工合成材科，因為除了與巖土工程特有的聯(lián)系外，土工合成材料使用相對較晚，因此，隨著應(yīng)用的多樣性，以及使用者實踐經(jīng)驗的不斷積累，對它的了解也在不斷加深。
通過以上的討論，我們可以清楚地看到，向經(jīng)驗學習的機會是不能錯過的。然而，經(jīng)驗和學習別人的經(jīng)驗之間是有巨大區(qū)別的。學習別人的經(jīng)驗的 途徑是分析現(xiàn)有的資料，并將分析的結(jié)果溶進一個知識體系之中。這對于從事故中學習東西來說尤其如此，從而形成經(jīng)驗的 終水平(dltimate level)。在本文中，大量的工程實錄用來顯示如何從對事故的分析中來學到知識。
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
對于土工構(gòu)筑物，什么是事故?用“公眾意識”來解釋常常是一個模糊的答案，每次使用這個措詞都很難找到一個合理的解答。確實，給事故下一個合理的定義是很不容易的。現(xiàn)看如下說明。
土工構(gòu)筑物的事故可能影響到整個結(jié)構(gòu)(例如公路路基)、某一系統(tǒng)(例如掩埋式垃圾處理場的覆蓋系統(tǒng))或某一部件(例如土工合成材料)。對于事故的定義，有以下幾種說法可供考慮。
個常被提及的定義：
事故 是一個結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件不能執(zhí)行它在設(shè)計中所規(guī)定的功能。
當然，一個結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件必須能執(zhí)行它本身在設(shè)計中規(guī)定的功能，但只有這些要求是不完全的，這個定義可能太不嚴格，或者說過分依賴于“功能”這個詞的意義。舉個例子，根據(jù)以上的定義，一個存在很大變形但仍能擋土的擋土結(jié)構(gòu)，我們 不能因為其仍具有擋土功能而不考慮失效的后果。再如，一個預(yù)期功能為一個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)別可以由一個小蓄水池中土工膜墊層被氣體整體地托起的事例來說明(一個真實事例)。在這個案例中，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，因為在一個大蓄水池的情況下，單個的土工膜氣泡對所蓄液體體積的影響是微不足道的，但可能會影響土工膜的長期性能(在土工膜暴露在陽光、風等情況下)，且妨礙蓄水池的運行。可以清楚地看到，基于結(jié)構(gòu)的功能來對事故下定義是模糊且不充分的�；谝陨系脑u論，事故的定義需包含若干定量的要求，即性能標準。這樣，引出了第二個定義：
事故 是一個結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件不能滿足它本身的性能標準。
這個定義要好于 個定義，因為其中包括了性能標準。但它是有缺點的，因為它意味著性能標準是為所考慮的
結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件而建立的。(換句話說，這個定義為一種荒謬的情況開了方便之門，即因為標準沒有建立，所以也
不會有事故)。同樣，這個定義暗示，功能標準(如果有的話)是全面的和充分的。例如，過分簡單的性能標準，像“沒
有沉降”或“無滲漏”，是不充分的，因為這些標準是不可能被滿足的，因而，若按這種標準，則任何一種狀態(tài)都會被當作一個事故。
由此可知，給事故下一個較好的定義是必要的。但如若將上述兩個試探性的定義結(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準”這樣一種詞語，仍不能解決上面例子中的問題。
末尾，我們推薦下面的定義：
事故 是一個結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件不能滿足全面的和合適階性能標準。
由于 “全面的、合適的評判標準”能夠全面和合適的定義及量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計功能，所以這個定義從技術(shù)上來說是正確的�？赡艿娜毕菔切稳菰~“全面的、合適的”可能會受到質(zhì)疑和爭論。但是，這可能會引導人們?nèi)グl(fā)展什么是“全面的、合適的性能標準”這個概念。我們試著建議以下思路。為了完整起見，該標準需強調(diào)以下三種可能的破環(huán)形式：喪失結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的功能；毀壞或損害結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的運行及使用；威脅結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的長遠效能。現(xiàn)對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 個定義的敘述過程中，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，為達到“全面和合適”，性能標準應(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 允許滲透速率；滲漏很大，它既超過 允許滲漏速率，也妨礙蓄水池儲存要求的蓄水量。
毀壞或損害結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的運行及使用 每一個結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件都是要運行和使用的，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，為了達到“全面和合適”，性能標難應(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，這種要求的一個例子是要求船能夠在蓄水池的所有部分進行航行，這意味著局部土工膜墊層被氣體托起也是不容許的，盡管這不會影響蓄水池儲存一定水量的功能。
威脅結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的長遠效能 一個結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件必須執(zhí)行其功能，并且在一段時期內(nèi)正常運行。然而，為達到“全面和合適”，性能標準應(yīng)該包括能反映結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件滿足其設(shè)計使用壽命內(nèi)正常運行所必須的定性及定量要求。該標準甚至可能包括有助于預(yù)測未來事故的趨勢(如一些表? 涼つぬ匭醞嘶牟問謀浠蜆鄄獾郊詠鍆燎降那閾?或征兆(如水從大壩的下游面滲出)，甚至預(yù)測即將發(fā)生的事故(如材料或結(jié)構(gòu)的迅速或加速退化的趨勢或征兆)。由于沒有滿足結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件長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，但可能并沒有影響蓄水池執(zhí)行其功能(容納一定體積的液體)，且沒有妨礙蓄水池的運行，因此前兩種標準都是滿足的。然而，氣泡使土工膜襯墊暴露在陽光并被損壞，可能降低其在設(shè)計使用壽命中執(zhí)行其功能的能力，所以，性能標準里應(yīng)包括一些條款來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，因為它表示了一個導致破壞的機制的開始。
三種破壞形式之間的界限并不總是嚴格的，一些標準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，則對使用者來說，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間發(fā)展；墻面的傾斜只對結(jié)構(gòu)的使用產(chǎn)生損害，然而當傾斜持續(xù)地增加，它 是一個馬上 要坍塌的警告了。)以上的討論使“全面”的一套標難的建立成為可能，這是 基本的。除了“全面”的之外，標準還應(yīng)是“合適”的。合適的標準是能反映結(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)語來源于結(jié)構(gòu)設(shè)計者對于因設(shè)計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)語不適合許多沒有完全破壞的結(jié)構(gòu)形式。所以，根據(jù)以上的解釋，相對于“結(jié)構(gòu)性破壞和可靠性破壞”這些專業(yè)術(shù)語，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價合理的設(shè)計和規(guī)范，以及 哪些是不完全和不合適的性能標準成為可能。
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。土工膜上有一個大洞肯定是個缺陷，但假如滲漏量是在一個允許的范圍內(nèi)，且有一個足夠的排水系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，它可能不會引起事故。相反，如果土工膜上的一個小洞會造成土壤和地下水的不可接受的污染， 是一個事故。然而，不能把這個事故完全歸因于土工膜。在這個事件中，污染是由于一個設(shè)計錯誤，因為應(yīng)當預(yù)見到，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(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程中發(fā)生。例如，路堤在施工中發(fā)生圓弧滑移是事故，因為嚴重影響了路堤結(jié)構(gòu)。相反，結(jié)構(gòu)問題如果在施工中得到解決(如土工膜在施工時撕
裂后被修復) 不是事故，因為這并沒有影響結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件滿足其性能標準，且按時完工。
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、重建或廢棄。不論影響的大小，所有事故都會引起結(jié)構(gòu)運行或使用的中斷，從這點來說，一個即將發(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和/或征兆所 的一個事故) 等同于一個實際發(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)以上對事故定義的討論，有必要對結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或部件所執(zhí)行的功能有一個充分的了解，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，而過濾土工織物的功能是作為排水系統(tǒng)的過濾裝置。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，例如在實現(xiàn)每一功能時土工合成材料和土體的位移。確實，在這個論文中也能看到土工合成材料和土體的位移對應(yīng)用土工合成材料的結(jié)構(gòu)物的運行所產(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個有案可查的事件，包括三個主要章節(jié)：第二節(jié)，與土工合成材料有關(guān)的事故形式；第三節(jié)，導致事故的場合；第四節(jié)，總結(jié)經(jīng)驗教訓以及學習經(jīng)驗教訓。綜觀本文，特別強調(diào)的是學習從實踐中所得到的經(jīng)驗教訓。
