尤明庆
热胀冷缩都能引起破坏呢 精选
2018-1-12 12:10
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标签:热胀冷缩, 石板, 破裂

岩石的热膨胀系数α在10^(-5)/的量级,即10 m长、升温10时,膨胀量约1 mm热变形尽管数值较小,但长时间作用也会产生显著影响,对地质现象有重大贡献,如戈壁、石河的形成。台阶上石板也会因热胀冷缩而显著移动。此外,岩石内存在各种缺陷,其对拉伸强度的影响远大于对压缩强度的影响。岩石的压拉强度比值在10~40 之间(多数在15~25)。岩石的热胀冷缩若受到环境的限制就会产生热应力以及相应的变形,有可能引起岩石构件的破坏。

谁移动了台阶上的条石 http://blog.sciencenet.cn/blog-275648-764612.html  


1   热胀能引起压缩失稳

广场南进口路面,两侧岩板厚 4 cm、宽 50 cm,中间花岗岩则是厚 3 cm,向南 32 m至混凝土的东西干道。路面与北侧广场相接处局部拱起,部分花岗岩板断裂。附近没有树木,贫混凝土的路基或许略向北倾斜,长期的热胀冷缩引起石板向北移动,使施工期预留的伸缩缝逐渐消失;最后,路面类似于长构件在轴向载荷作用下的压缩失稳

直角三角形斜边50 cm,竖直边1 cm,水平边长为  sqrt(50*50–1*1) ≈  50–1/50/2即比斜边短0.01 cm 或0.1 mm,相当于百元纸币的厚度。

产地不同的花岗岩热膨胀系数不同,且随温度升高而增加,约为 (0.6~1.2)*10^(-5)/,即温度变化10时热应变大致9*10^(-5);杨氏模量大致在 55 GPa,若岩石完全不能膨胀,产生的热应力为 5.0 MPa,即竖直断面上有50 kg/cm^2 ( 50 个大气压)的作用力——可不小呢。

本地夏天最高气温42.5℃(201168日),地表温度大约为60℃,单次温度变幅可达30℃以上。即使石板受到完全约束,热膨胀引起的应力不超过15 MPa,不会引起石板的压缩破坏——该花岗岩抗压强度总有200 MPa。实际热应力的大小取决于石板与混凝土路基之间的摩擦力,如果石板因路基倾斜向北移动而贴紧,则摩擦力就可以很高。具体计算不再细述。

石板是轴向压缩失稳引起的拉伸破坏。作为参考,路侧混凝土细条的破坏同样是源于热应变引起的压缩失稳而后混凝土因抗拉强度较低而拉伸断裂


2   冷缩也能拉断岩石 

上篇博文真是过犹不及啊说及石凳三处支撑存在冗余,而石板刚度较大,外侧柱墩失效时则成为悬臂梁,其受力特性肯定不如内缩的两墩支承。

不过,下图石凳只是中间支墩失效,石板也断裂了。

 可以看到的是,裂纹曲折而非直线且没有充分张开,似为石凳安置后产生的拉伸裂纹。对此作如下猜测。只是猜测啊。 

安放石板时得用水泥砂浆将支墩表面找平。中间支墩失效而两侧支墩似完全粘接,温度降低时石板收缩受阻将产生拉应力,若内部存在裂隙则会扩展而断裂。石灰岩杨氏模量为50 GPa,若温度降低10且石板完全不能收缩,则可产生 3.5 MPa 的拉应力而使岩石破坏;而左右两柱墩间距 85 cm,温降10的收缩量为0.06 mm,足以使石灰岩产生一根裂缝。其后,冰胀以及周期性热变形使裂缝逐步扩展。

2016229日凌晨安设不到八年的集美大桥石牌自然断裂成两段从高处翻滚坠落。断裂过程参看:看看新闻 http://www.kankanews.com/a/2016-02-29/0017398644.shtml 

从网上众多照片知道,石牌似为质量极好的纯白大理岩即常说的汉白玉(某些文章称其为花岗岩或许有误),高为 3 m,长为 9 m;两处支承宽为1 m,相隔0.5 m,即外挑距离达到 3.25 m。又,石牌受力分析与其厚度无关,也就不再费心估计。

基座顶面及外侧贴面损坏严重,而石牌整体完好且断裂面平直,最后拼接复原。

 

石牌类似于简支的外挑梁。悬臂部分引起上方启裂点处存在 0.31 MPa拉应力,而大理岩圆盘的巴西劈裂强度通常在2~5 MPa 以上,石牌当然不会破裂——八年已经安然过去了。

不过,大尺度石料中总会有各种裂隙局部强度较低,且岩石八年来也会风吹雨淋日晒而逐渐弱化——还好没有冰冻啊凌晨温度比此前白天低10℃ (229日,晴,东北风39~19),石牌悬臂部分的重量阻止冷缩而产生拉应力,最终触发断裂。如前所述,冷缩产生的拉应力可以达到 MPa 量级,即与岩石抗拉强度相当,因而石牌最好能够相对于一个支承座摩擦滑动以减小冷缩产生的热应力。完全消除热应力当然是不可能的啊。

最后要说的是,过长的外挑设计是断裂的外因,岩石在八年期间的弱化是内因,而低温引起的热应力是触发条件。当年1月底该地最低气温达到 0.1℃ ,为历史最低记录;这或许对最终断裂有所作用。相关博文:事有三因,策分三等 http://blog.sciencenet.cn/blog-275648-748841.html 

相关专题:人类首次探测到引力波

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