有讀者或許對於靜水壓為何突然增大不明白,有待筆者進一步做出相關之說明和解釋。基本上,靜水壓會增大可概分為以下兩種原因:
一、在海嘯或洪水發生時,靜水壓由於水頭高程不同,以致於產生水壓差突然增大;
二、地震或劇烈撞擊土壤,以致於靜水壓突然增大。
其中,讀者比較不清楚之處,應該是第二點所提地震引致之靜水壓增大問題。筆者以地震觀測站之加速度計(強震儀),其地震引致之地表加速度對於土壤之動力行為,作一簡單之土壤動力分析(國際單位制),即可了解筆者所欲表達之意思。土壤經地震擾動,其運動方程式為
在等號右側之項次-müg(t),為該運動方程式之地震力,而左側之項次mü(t),為土壤受地震擾動引致之慣性力。土壤之組成,包括土壤顆粒和孔隙水,在一般擾動情形下,土壤顆粒之接觸關係並不發生變化,而是孔隙水由於地震引致之慣性力,致使其流竄於土壤顆粒間之孔隙,以產生所謂之「超額孔隙水壓」。土壤孔隙水壓之計算,除考慮既有之靜水壓外,尚需考慮地震引致之慣性力,亦即土壤孔隙水壓為
在土壤動力分析取üg(t)之最大值üg,並將mw/Aw以ρ表示水之面密度,則式子得簡化為
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舉例來說,地下水位於地表深度2米處,在設計水平地表加速度400gal下,試計算其孔隙水壓在地表深度2~8米處之變化。
從上列計算可知,孔隙水壓整體增加0.4kPa,該值乃是由地震力所引致之慣性力,亦即所謂之超額孔隙水壓。超額孔隙水壓為尋求釋放其水壓力,必然四處流竄並進而破壞土壤接觸關係,以致於土壤液化行為之產生。靜水壓在地震作用下,將是引發土壤液化的關鍵原因。然而,深層土壤較為緊密,亦即靜水壓越來越高,而土壤也越來越緊密。
以上,即是有關於靜水壓和超額孔隙水壓之相關解釋和說明。在進階土壤動力分析方面,若是涉及需要推導運動方程,筆者推薦採用Lagrange運動方程,因為該方法可謂最為通用之簡單推導方法。D'Alembert是靜力分析法,但是由於其屬於矢量方法之一種,所以在有分布質量和彈性恢復力之結構上,將無法進行運動方程式之推導,因而在工程應用上相當少見該方法之使用。Lagrange僅需寫出動能(T)、位能(V)及非有勢力(Q),然後將式子原封不動地輸入Mathematica,即可獲得完全正確之運動方程式。因此,該方法既簡單又不會錯誤,是廣為工程使用之運動方程推導方法。
筆者學淺,以上僅扼要解釋和說明,期能獲得讀者之參考。
一、在海嘯或洪水發生時,靜水壓由於水頭高程不同,以致於產生水壓差突然增大;
二、地震或劇烈撞擊土壤,以致於靜水壓突然增大。
其中,讀者比較不清楚之處,應該是第二點所提地震引致之靜水壓增大問題。筆者以地震觀測站之加速度計(強震儀),其地震引致之地表加速度對於土壤之動力行為,作一簡單之土壤動力分析(國際單位制),即可了解筆者所欲表達之意思。土壤經地震擾動,其運動方程式為
在等號右側之項次-müg(t),為該運動方程式之地震力,而左側之項次mü(t),為土壤受地震擾動引致之慣性力。土壤之組成,包括土壤顆粒和孔隙水,在一般擾動情形下,土壤顆粒之接觸關係並不發生變化,而是孔隙水由於地震引致之慣性力,致使其流竄於土壤顆粒間之孔隙,以產生所謂之「超額孔隙水壓」。土壤孔隙水壓之計算,除考慮既有之靜水壓外,尚需考慮地震引致之慣性力,亦即土壤孔隙水壓為
在土壤動力分析取üg(t)之最大值üg,並將mw/Aw以ρ表示水之面密度,則式子得簡化為
土壤質量 | 土壤阻尼 | 土壤勁度 | |||
歷時水平土壤加速度 | 最大水平地表加速度 | 土壤孔隙水壓 | |||
水單位重 | 地下水位深度 | 孔隙水質量 | |||
孔隙水承壓面積 | 水之面密度 |
舉例來說,地下水位於地表深度2米處,在設計水平地表加速度400gal下,試計算其孔隙水壓在地表深度2~8米處之變化。
從上列計算可知,孔隙水壓整體增加0.4kPa,該值乃是由地震力所引致之慣性力,亦即所謂之超額孔隙水壓。超額孔隙水壓為尋求釋放其水壓力,必然四處流竄並進而破壞土壤接觸關係,以致於土壤液化行為之產生。靜水壓在地震作用下,將是引發土壤液化的關鍵原因。然而,深層土壤較為緊密,亦即靜水壓越來越高,而土壤也越來越緊密。
以上,即是有關於靜水壓和超額孔隙水壓之相關解釋和說明。在進階土壤動力分析方面,若是涉及需要推導運動方程,筆者推薦採用Lagrange運動方程,因為該方法可謂最為通用之簡單推導方法。D'Alembert是靜力分析法,但是由於其屬於矢量方法之一種,所以在有分布質量和彈性恢復力之結構上,將無法進行運動方程式之推導,因而在工程應用上相當少見該方法之使用。Lagrange僅需寫出動能(T)、位能(V)及非有勢力(Q),然後將式子原封不動地輸入Mathematica,即可獲得完全正確之運動方程式。因此,該方法既簡單又不會錯誤,是廣為工程使用之運動方程推導方法。
筆者學淺,以上僅扼要解釋和說明,期能獲得讀者之參考。