Basınç dünyadaki derinlikle nasıl değişir?

Okulda suyun baskısının değiştiğini öğrendim

burada metre cinsinden derinliktir, yoğunluktur (ör. su için 1000 ) ve yerçekimi ivmesidir ( ) ve , Pascal'daki basınçtır.$h$$\rho$$\frac{\text{kg}}{\text{m}^3}$$g$$\approx 9.81 \frac{\text{m}}{\text{s}^2}$$p$

Sanırım, bulunduğunuz yere bağlı olarak, farklı olduğu gibi yeryüzündeki baskı için benzer bir yasa yoktur. Ama genel bir kural var mı? Tünel / metro istasyonları yapan mühendisler ne yapar?

Sanırım, bulunduğunuz yere bağlı olarak, farklı olduğu gibi yeryüzündeki baskı için benzer bir yasa yoktur. Ama genel bir kural var mı? Tünel / metro istasyonları yapan mühendisler ne yapar?

Bu soruya gömülü borular üzerinde çok fazla iş yapan ve bazen nükleer santraller için gömülü yapıları nitelendirmek zorunda olan bir mühendis olarak yaklaşıyorum. Ayrıca, kısaca, yapı üzerindeki sadece dikey yüklerden bahsettiğinizi varsayıyorum (yanal yükler temel mühendisliği için karmaşık bir konudur).

Toprak, toprak türüne ve hatta yüklenen yapının türüne bağlı olarak sıvıya benzer şekilde hareket edebilir.

Örneğin, PVC, HDPE ve çelik gibi esnek boruların toprak prizması tarafından doğrudan borunun üzerine yüklendiği varsayılabilir. Borulama, enine kesitinin kopmadan büyük ölçüde deformasyonunu sürdürebilirse esnek kabul edilir. Moser & Folkman'ın Gömülü Boru Tasarımı , 3. Baskı (1) ' den aşağıdaki resmi düşünün :

Bu durumda, boru topraktan daha esnek olarak kabul edildiğinden, boru yük altında deforme olur, böylece toprağın kavislenmesi olmaz. Bu nedenle, boru üzerindeki yük, örneğin örnekte olduğu gibi toprak yoğunluğunun toprağın derinliğinin katlarıdır.

Beton boru veya transit (asbestli çimento) boru gibi sert borular için işler daha karmaşık hale gelir. Bu durumda, borunun sertliği, borunun yanlarındaki toprağın borunun kendisinden daha fazla çökeleceği ve borunun toprak kemeri yoluyla ekstra yükleme alacağı şekildedir. Aşağıda Moser & Folkman'dan (1) bu fenomeni gösteren başka bir resim yapıştırdım.

Boru üzerindeki yükleme, nasıl gömüldüğüne (pozitif projeksiyon, hendek, indüklenmiş hendek, vb.) Bağlıdır ve bu cevabın kapsamı dışındadır. Daha fazla okumak için bu cevabın sonuna birkaç referans ekledim.

Tünelleriniz veya metro istasyonlarınız gibi daha büyük yapılar için toprak yükünü belirlemek daha karmaşıktır. Yük uygulayan bitişik yapılar var mı? Toprağı stabilize etmek için bir şey yapıldı mı? Farklı toprak tabakaları nasıl etkileşir ve her birinin nispi sertliği toplam yükü nasıl etkiler? Eğer kayaya tünel açıyorsa, kaya daha fazla takviye olmadan kendini destekleyebilir mi?

Gömülü bir yapı üzerindeki yükü belirlerken şu anda aklıma gelmediğim tüm bu düşünceler ve daha fazlası devreye giriyor. Gömülü bir yapı tasarlama konusunda gerçek bir kural yoktur, çünkü gerçek yükleme söz konusu olduğunda çok fazla husus vardır.

Daha fazla okuma

1.) Moser, AP ve Steven Folkman, Gömülü Boru Tasarımı , 3. Baskı.

2.) Marston, A. & AO Anderson, Hendek Borularındaki Yükler Teorisi, Çimento ve Kil Tahliye Karo ve Kanalizasyon Borularının Testleri , Şubat 1913.

3.) Clarke, NWB, Gömülü Boru Hatları: Yapısal Tasarım ve Kurulum El Kitabı , 1968.

En az 1400 metre derinliğe kadar yeraltı altyapısı ile uğraşan biri olarak, başparmak kuralları yoktur. Her şey jeoloji ve yerel koşullara geliyor.

Topraklar kayaya farklı davranır ve tortul kaya, magmatik ve metamorfize kayalara farklı davranır. Gevrek kaya, sünek kayaya farklı davranır. Pürüzler ve eşikler şeklinde kırılgan kaya, aşırı stres altında patlayabilir. Bazı mafik kayaçlar zaman içinde sürünme davranışı sergileyebilir.

Kaya süreksizliklerinin sayısı, yönü ve durumu, hataların / makasların yakınlığı gibi bir faktördür. Arızaların durumu ve aktif olup olmamaları, arıza veya arıza bölgesinin genişliği ve arızanın düzgün kenarlı veya dolgulu olması ve doldurulması durumunda hangi malzemenin arızayı doldurduğu önemlidir. Arızalarla ilgili konuşma sadece sorunlara yol açar.

Kırılgan ve sünek kayanın yan yana konumlandırılması, her bir kaya türü farklı davranması nedeniyle lokalize gerilmelere neden olabilir.

Jeoteknik delikler kaya kalitesi tanımı (RQD) gibi bilgiler verebilir . Üç boyutlu gerilim hücrelerinin yerleştirildiği diğer delme delikleri, belirli konumlardaki kaya kütlesi için temel gerilmelerin tespit edilebileceği şekilde aşırı gerilebilir.

Derinlemede, yanal gerilmeler alt dikey gerilmelerden daha yüksek olabilir.

Bir tünel veya oda yeraltında kazıldığında, kaya kütlesindeki gerilmeler yeniden düzenlenir. Kaya kütlesine yakın aralıklı boşluklar sistemi yerleştirilirse, artık bakire kaya stresinin etkisi altında kayanın olmadığı stres altındaki kaya bölgeleri oluşabilir.

Diğer durumlarda, bir tünel ya da oda kazıldığında hapsedilen haksızlık, boşluğun duvarlarının büzülmesine neden olabilir; bazı durumlarda 50 mm veya daha fazla.

Sorunuz yeryüzündeki derinlikteki basınç değişikliğine özgüdür. Bu toprak topraklardan oluştuğunda, yanal ve dikey basınçlar, toprağınızın kum veya kil olmasına ve mevcut yeraltı suyuna bağlı olarak birkaç farklı şekilde hesaplanabilir. Aşağıda gösterildiği gibi oldukça karmaşık bir konu olabilir.

Yatay / Dikey Basınç Oranı

Genel olarak konuşursak, kazılarda, dolgulu koşullarda ve temeller altında, yatay basınç ve dikey basınç eşdeğer kabul edilmez ve aktif, pasif ve dinlenme koşullarında toprak-yapı etkileşimine bağımlıdır.

Aktif koşullar, yapının topraktan uzaklaştığı yerdir (yapı üzerindeki basıncı azaltır). Pasif koşullar, yapının toprağa doğru hareket ettiği (yapı üzerindeki baskının arttığı) ve dinlenme sırasında toprağın doğal durumuna ulaştığı yerdir. Bu koşulların üçünün de, kullanım süresi boyunca dönebileceği veya deforme olabileceği için bir tutma yapısında gözlenebileceğini hayal edebilirsiniz.

Genel olarak, teorilerin çoğu, toprak / yapı etkileşiminin durumuna ve toprakların özelliklerine bağlı olarak yatay / dikey basınç oranını hesaplamak için kullanılabilecek katsayılar sağlayacaktır. Bazıları Poisson Oranına dayanmaktadır. Boussinesq denklemlerini kullanarak bitümlü kaldırım yapılarında yatay ve dikey basınçların elastik bir analizini yapmak için sıcaklığa dayalı bir Poisson oranı bile kullandım.

Etkili Stres

Yeraltı suyunun mevcut olduğu yerlerde, basınç etkili stres , yani toplam stres ile gözenek suyu basıncı arasındaki fark olarak ifade edilir . Bunu anlamak zor ama toprak kaldırma kuvveti ve diğer faktörlerle ilgili.

Örneğin, zemin yüzeyinin 10 m altında bir ilgilenilen nokta ve doğal yoğunluğu 1300 kg / m3 olan tekdüze kumları düşünün, 10 m ilgi derinliğindeki toplam stres 130 kPa olacaktır. Şimdi yeraltı suyu tablasının serbest yüzeyinin 2 m'lik sabit bir derinlikte olduğunu ve suyun yoğunluğunun 1000 kg / m3 olduğunu varsayın. 10 m derinliğindeki gözenek basıncı, 8 m'lik bir sütuna dayanacaktır, böylece gözenek basıncı ilgili derinlikte 80 kPa olacaktır. Böylece 10 metredeki etkili gerilim 130 kPa - 80 kPa = 50 kPa olur. Bu çok basitleştirilmiş bir ifadedir, çünkü su faktörlerindeki dalgalanmalar, `` bataklık '' koşulları olarak adlandırılan ve drenaj gibi şeyleri tutmak için diğer birçok husus arasında birçok faktör olabilir.

Kumlar (Bütünleşmeyen Topraklar)

Kumlu (kohezyonsuz) topraklar için Rankine Teorisi (elastikiyet) sıklıkla uygulanır. Bunun için toprağın kayma direnci açısı (sürtünme açısı) ve kazı / tutma yapısının eğim açısı kritik hale gelir.

Kumlu toprağın sürtünme açısı en iyi laboratuarda ölçülür, ancak aynı zamanda, gevşek, kuru malzemenin doğal durma açısına kabaca eşdeğer kabul edilir.

Killer (Sürtünmesiz Topraklar)

Killer ve kil silt kombinasyonları gibi yapışkan bir elemente sahip topraklar için Coulombs (Kama) Teorisi (plastisite) yaygın olarak uygulanır. Bu analiz altında, toprak yapının arkasında bir kama (serbest cisim) olarak düşünülür ve çözelti belirleyici olmadığından, çözelti maksimum toprak basıncı üzerinde birleşene kadar çeşitli potansiyel arıza yüzeyleri denenir.

Sürtünmeli ve Kohezerli Topraklar

Coluomb Teorisi, hem sürtünme hem de uyum gösteren topraklarda kullanılabilir. Rankine yöntemi yapışkan topraklar için uygun değildir. Bununla birlikte, yatay / düşey gerilme oranının belirlenmesi daha fazla analiz gerektirebilir.

Çoğunlukla oran, bir Mohr Çemberi tarafından temsil edilen stres durumları belirlenerek belirlenebilir . Bu özellikler genellikle , bir toprak kolonunun çeşitli sınırlandırma basınçları altında laboratuvarda test edildiği Üç Eksenli Kesme Testleri ile ölçülür . Bu, malzemenin yapışma mukavemetini ve sürtünme açısını ve derinliğe göre yatay / dikey gerilme oranını belirleyebilir.

Genel Elastik Teori

Bir temel noktasının altındaki yatay ve dikey basınçları hesaplamak için sıklıkla kullanılan diğer teorik yöntemler vardır. Genellikle iki yöntem uygulanır: 1) Westergaard Teorisi ve 2) Boussinesq Teorisi. Yüzeyin altında bir noktada yatay / dikey basıncın oranı büyük ölçüde Poisson Oranının tahmini değerinin bir fonksiyonudur .

Westergaard Teorisi, katmanlı medyaya uygulanan elastik bir teoridir. Çoğu durumda uygulamada tipik olarak bulunan durum budur.

Boussinesq Teorisi, homojen bir elastik yarı boşluğa uygulanan elastik teoridir. Bu tüm topraklar için geçerli olmasa da, varsayımları basitleştirerek sık sık uygulama bulmaktadır.

kapatma

Bu sadece kazılarda, temellerin altında ve istinat yapılarının arkasındaki toprak basınçlarını değerlendirmek için kullanılan daha yaygın analiz tekniklerinin bir tadıdır. Diğerleri, örneğin sık kullanılan kazılar için Log Spiral Analizi, sıklıkla kullanılır. Teoriler karmaşık olabilse de, yeraltı toprak koşullarının gerçek bileşimini (yani katmanların varlığı, katman kalınlıkları ve toprakların özelliklerinin değişkenliği) oluşturulmasında büyük zorluk göz önüne alındığında, basınç / gerilme analizinin açık olduğu anlaşılmaktadır. büyük tecrübe ve beceri gerektirir.

Basit anlamda, dünya basıncı hem çok benzer hem de çok farklıdır.

Dikey toprak basıncı şu şekilde verilir: Yoğunluk x yükseklik x yerçekimi. Burada yoğunluk, toprağın türüne göre değişen malzemeye bağlıdır.

Yatay toprak basıncı, basit su modelinden ayrıldığı yerdir. Yatay olarak uygulanan dikey kuvvetin yüzdesi, toprağın yükü destekleme ve aktarma yeteneğine bağlıdır. Genellikle bu, zerre şekilli malzeme (yaklaşık 0.5) için basit bir katsayıdır ve yapışma için kayma mukavemeti hesaba katılır.

Silo teorisi gibi, başarısızlık düzlemleri üzerinde bir noktaya etki eden toprak hacmini azaltan teoriler vardır.