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马平:作为前工程师,我认为深圳滑坡事故是这么回事
关键字: 深圳滑坡深圳滑坡原因深圳深圳滑坡事故土工工程地质灾害受纳场深圳滑坡救援还在继续,有关事故原因的调查也已经开始。作为前工程师,遇到这种和专业相关的事情总忍不住要分析下,至于有没有道理,还请列位掌眼。
2002年我从同济土木工程学院毕业,到苏州交通设计院报到。后勤科一时未腾出宿舍,安排我暂住在专家接待处。我因此和外聘的专家同用一套三室一厅,算是个小小的优待。
那位老工程师的姓名我已经忘了,只记得是50年代兰州铁道学院毕业,苏联教授训练的土建干部,在铁道部设计院干到退休,走遍了中国一半以上的县区。他平时除了抽烟没啥爱好,但很喜欢谈论专业问题当消遣,算是个“脱离低级趣味”的技术精英。我到单位报道的第二天就被前辈考较了一番:
“你说说,土建方面咱们最不了解的东西是什么?”
我诚惶诚恐地回忆了一会儿,想想需要日本专家支持才敢修的大跨度钢索斜拉桥(当时),想想考分一塌糊涂的钢结构课,想想如听天书的计算结构力学。壮着胆回答:
“是高强度钢材?”
前辈失望地摇摇头:
“钢材这么可控的材料,都是工厂制成的,怎么能说不了解呢?你们当学生的觉得钢结构难做,但这才说明咱们对它研究的透啊!否则怎么敢拿它做那么复杂的结构?”
我似乎开悟了:
“按这个推论,结构最简单的材料才是我们最不了解的东西?那就是……”
前辈喷了一个烟圈,笑容里露出了“孺子可教”的意思:
“对了,就是土……你小子还算对得起你的学校。”
现在,我离开土木工程行业眼看要十年了,许多技术细节都忘了个干净,但老专家的一番教诲至今记忆犹新。上周看到深圳这个中国技术最发达的准一线城市出现大滑坡,我立刻想起了当年烟圈后面诡异的笑容。
言归正传,老专家的话通俗来讲,就是土并非可以精确预测的材料。大体积的土既不是有稳定形状的固体,也不是四处流动的液体。世上有矗立几十米,在攻城武器反复破坏下不倒的夯土城墙,有可以挖大跨度窑洞的黄土坡;也有咆哮奔腾的泥石流和暗藏杀机的流沙。在两个极端之间,就是我们日常见到的土——但我们很难确定眼前的土处于什么状态,也不知道它会变到什么状态,甚至不知道土的这一部分和另一部分是不是处于同一状态。
这就给土木工程出了难题。因为土壤无所不在,就算没有丘陵山地,建筑也必须把地基扎入土层。在土力学研究者眼中,我们根本不是住在坚实的地面上,而是住在一块大果冻的表面。如果我们无视土的变形和移动,整个城市必然会一场大雨后变成废墟;如果我们不利用土的稳定性,把所有地基都打到基岩,把身边所有的土丘都挖平,建筑成本恐怕会上升到今天的十倍不止。总之,在住不起房子和住不稳房子之间,我们必须取一个妥协的平衡点。
最理想的解决方案当然是精心测算各处土的性质,然后为不同稳定性的土配上不同的安全措施。但是——正如老工程师毕生经验的总结——我们对土的性质知之甚少,千万别以为我们有一套精确的理论去应付不同的土方。迄今为止,绝大多数常用土力学公式的基础还是经验。不仅学生会困惑,就连专业的大学教授也会为此纠结:
所以,一般情况下,工程师的目标并不是搞清楚“这个山坡下发生了什么”,而是根据各种经验,找出一堆土最可能出现变形的地方,然后对最危险的破坏面进行处理,至少也要积极监测这个破坏面。一旦出现问题,能补救则补救,不能的话……提醒大家赶紧逃吧。
具体到深圳滑坡事件,我不想多介绍那些当年就不甚理解的经验公式。但我可以尽量通俗简陋地说一下原因:
通常,在足够大的土体中,土壤的受拉能力意义不大,就是土壤彼此“粘”在一起的形态并不稳定,同时我们认定剪切破坏是最主要的破坏形式,土壤承受剪切力的能力决定了土壤的稳定性。所谓剪切力,就是让物体“错位”的力量。在一个平面上,上面的部分被向左推,下面的静止或者相对向右,这就产生了剪切力。
比如说在上面的图中,两个机械零件有分别向左右运动的趋势,中间的铆钉把他们穿在一起,就要承受两个零件传来的剪切力。我们把两个零件想象成土层,就能理解土壤中间存在的剪切力。土壤承受最大剪切力,最薄弱的面,往往就是最危险破坏面。一般来说,土坡的滑动面接近弧形,即“最危险滑动弧”。找到这个弧面,我们就能估算土坡的危险程度。
上面这个图是我在网上随便搜的,但比较形象,下面的说法更抽象,更准确一些:
总之,对于大多数土坡,我们要做的就是找到这样一个弧面,估算这个弧面什么时候承受不了剪切力出现滑动。注意,在出现滑动的时候,土壤总体上还保持着固体形态,含水量远不足以变成泥石流。只是在危险弧面上无法再承受剪切力,弧面上的粘土从牢固的双面胶变成了滑润的轨道,导致弧面上方的土体出现整体旋转,在弧面的最低点把成千上万吨的半固体土壤“滑”出去。这就是滑坡中“滑”字的来源。
再简化一点,我们可以把坡上的土体想象成一摞套起来的瓷碗。
本来碗之间的摩擦力足以保证最上面的碗保持倾斜状态,即土体保持静止。但如果我们不断地在碗里加米,同时在碗的下面倒油,最终重力引发的剪切力越来越大,摩擦力越来越小(因为倒油),碗是一定会倾倒的,这就是深圳的滑坡。
上图的右图俯瞰了这个危险弧面,原本在弧面里的土壤被推到了图片的上方,用超越洪水的力量推倒楼房,再把楼房覆盖在土层下面。
卫星图再放大,可以清晰地看到这个“碗”。
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- 责任编辑:小婷
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