再议水压率.pdf

岩土工程界 第11卷 第2期岩土论坛 再议水压率 李广信 清华大学水利水电工程系 11翻开贵刊2007年11期,看到方玉树先生的 反驳文章,题目赫然是“水压率理论被推翻了 吗 ” [1 ] ,对照拙文的题目“ 有效应力原理能够被推翻 吗 ” [2 ] ,可见方先生以水压力理论取有效应力原理 而代之的决心,尽管他目前还谦虚地借用有效应力 原理的外衣。 21所谓孔隙水压力,在岩土工程基本术语标 准 BG/T50279 - 98 [3 ]中规定 “ 土中某点孔隙水 承受的压力 ” 。既然是水受到的压力,用测管水头 来表示就是天经地义的,即upwγ wh,不仅土力 学如此,水力学、 流体力学和普通物理学都是如此, 没有打折扣ξ的余地。所以“ 水压率原理 ” 还是应 大大方方地写成 σ σ′ ξ γwh σ′ ξu1 这就与各种其他企图推翻有效应力原理的公式相似 了。在科学的探索过程中,在学术讨论和交流时,不 能在大家公认的名词术语方面偷换概念,否则就没 有讨论的共同语言了。偷换概念的结果常常是名为 创新,实为抄袭;名为发展,实为篡改。 31将饱和含水量小于流限的粘土试样放在压 缩仪中,施加竖向压力p,在t 0的瞬时,会测得孔 隙水压力up。亦即如方先生认为不可能的“ 侧压 力系数为1” 。可见结合水是能够传递水压力的;随 着时间延续,孔压消散,土体固结,密度增加,侧压力 系数变为K0,可见结合水是可以流动的。这个过程 似乎没有“ 水压率 ” 置啄的余地。 41本科 土力学 教材只是介绍了一些基础的 知识,未必句句是真理。何况我国目前多如过江之 鲫的土力学教材,基本是互相“ 参考 ” 和“ 借用 ”,所 以方先生列出了5本教材以表明我的“ 结合水可以 传递水压力 ” 之谬,不会使分量增加了5倍。如果 方先生认为这些土力学教材都是真理,那么“ 水压 率 ” 之果早在20年前 5 本教材中最早出版者的时 间就应结在“ 结合水不能传递水压力 ” 之树上。既 然方先生已经用水压率理论对于土力学 教材各 章进行了大刀阔斧的全面改造,根本就是否定了它 们的权威性,而我只是认为“ 结合水能够传递水压 力 ”,就似乎违背了公理而大逆不道。 51正如我所说 [4 ] ,土中的静水压力与水压力其 实难以严格区分。方先生的水压率理论似乎就建立 在“ 结合水不能传递水压力 ” 的基础上,并没有局限 于“ 静水压力 ” 。所以可以看到“ 水压率 ” 的理论基 础是先在本科土力学教材中找到“ 结合水不能传 递静水压力 ” 这一说法,然后推广为“ 结合水不能传 递水压力 ”,再后就开始了用水压率理论全面改造 土力学这一巨大工程。 61大约40年前,我负责在松花江的一个小支 流-漂河上建造一个小闸门。场地位于淤泥土的滩 地,但是地基土有一定的强度和承载力,可供人行车 走。让工人开挖了一个2m深的基坑,开挖施工非 常容易。但是第二天再看,沿着坑壁流淌着稀泥,坑 底有半米深的泥浆,无法继续施工。我感到原状软 黏土具有更多的结合水,重塑以后一部分变成了自 由水。这种灵敏性土双电层的中离子和极化水分子 的电磁力形成较厚的结合水层,但它们处于不稳定 状态,受到扰动就丧失平衡而变为自由水。 预压固结可以使含水量低于液限的地基土会进 一步加密,这表明了水压率理论的谬误。对此方先 生的解释是这是由于在液限含水量时,原状土比重 塑土具有更多的自由水。这就有两点需要进一步解 释 1在天津港、 黄骅港以及沿海很多填海造地 工程中,都是采用充填土,亦即重塑土,也同样可以 压密固结到液限含水量以下; 2如上所述的灵敏性粘土,经重塑以后变成 泥浆,似乎是自由水更多了。 61一提到泥浆,方先生就很不屑,说那是水而 不是土。他似乎忘记了,泥浆是一种土,即欠固结 32 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 岩土论坛GEOTECHN ICAL ENGI NEER I NGWORLD VOL. 11 No. 2 土,是前期有效固结压力为0,小于当前自重应力 Δ σh的欠固结土,是无法把它从土力学中开除出去 的。关于泥浆的浮力可以大于静水压力,正是土力 学中有效应力原理的有力证据。 1根据有效应力原理,σ σ′ u,泥浆是前 期固结压力为0的欠固结土,所以 σu,有效应力 σ′0。而孔隙水压力由两部分组成 uγwhΔu γwhγhγsath,其中前者为静水压力,后者为超 静水压力,它是由于土颗粒处于悬浮状态,而由土的 自重浮重度而产生的。这样,这种泥浆状的欠固 结土对体积为V物体的浮力为 UγsatV。这就可 以解释在泥质泥石流中何以会出现“ 一川碎石大如 斗,随流满地石乱走 ” 的现象。 2按照“ 水压率理论 ”,σ σ′ u,孔隙水压 力uξ γwh,如果水压率ξ0.5,那么浮力只有静水 压力之半。这显然与事实不符。其实,有时少量的 自由水即可形成泥浆,例如膨胀土的流限含水量可 达300～400 ,这时土的重度只有12kN /m 3 左 右。所以其实泥浆的水压率ξ 并不一定很大。 71水压率的概念模糊及缺少可操作性从方先 生的这篇文章可以充分体会到,他对所有质疑的回 答原则是凡是与水压率理论数值不符时,就用自由 水含量不同解释如原状土 ; 如果有推翻水压率理 论的可能时,干脆就把你开除出土力学如泥浆。 而关于自由水含量到底有多少只有天知道似乎方 先生也知道。这样它就无需试验验证,也可以不 受试验成果的约束。 81以饱和粘土的不固结不排水三轴试验为例。 将一个饱和粘土试样放在三轴压力室中,同时将排 水阀门关闭。施加围压σ3100kPa,就会测到孔隙 水压力增量Δu100kPa,则有效应力增量Δ σ′ 30。 再施加 σ3 200kPa,则测得 Δu 200kPa,仍然是 Δ σ′ 30。由于两个试验破坏时的莫尔圆半径是相 同的,所以饱和粘土的不排水试验内摩擦角 φu 0 。 根据有效应力原理,ΔuBΔ σ3。由于饱和土 的B1.0,所以在各种围压下的试验有效应力 Δ σ3 是不变的,则φu0 。 根据水压率理论,Δ σ3可以通过 γwh来施加,则 Δuξ Δ σ3, Bξ 。在施加不同围压σ3时,有效应力 是随着围压增加而增加的,这样 φu0 。并且可以 推断,当粘土的含水量小于液限时,或自由水含量为 0时,由于ξ0,不排水强度指标与排水强度指标是 一样的,这显然有悖于常识和试验结果。 91对于我所说的按照达西定律,在两层土间不 可能出现水压力的突变,方先生很不理解。只好再 稍详细解释如下根据连续性原理,在两层土处,v1 v2,则i1/ i2k2/k1。可见在界面处如果ki 0,i 就不可能无限大。所以界面处不应有孔隙水压力的 突变。方先生解释说,他的达西定律中水力坡降i, 不是孔隙水压力的斜率,是水头h的斜率。但是这 样必须改造达西定律,并重新定义渗透系数,亦即这 时vk′ξ,如果i5h /5l,则定义渗透系数k′ξk 。ξ 0,则土的渗透系数为零。看来用水压率理论改造 土力学的工作还需继续努力。 101为研究粘土中静水压力的传递,我们曾指 导研究生进行了一系统试验 [5]。其中试验之一如 下试样采用小浪底土石坝的斜心墙防渗土料,塑限 含水量wp23 ,液限含水量wl44。孔隙流体 分别采用了去离子水和乙醇酒精。首先在20kPa 的压力下真空饱和制样,然后在三轴试验仪中采用 各种围压固结。表1表示了试样在不同固结压力下 的饱和含水量。 表1 固结压力-饱和含水量关系表 围压kPa100200400600800 含水量 34. 129. 024. 821. 920. 1 可见经σ3100kPa的围压固结后,饱和含水量 均小于液限含水量,当 Δ σ3 600kPa以后,饱和含 水量小于塑限含水量。应当说两种情况下试样基本 没有自由水了。在不同的围压固结以后,在试样顶 部施加50cm的静水头,在试样底部量测土中的孔 隙水压力u。应当指出,很难界定这种水压力是“ 静 水压力 ” 还是“ 超静水压力 ”,它是外加的高于土体 表面的水压力,也可以认为是一种外加荷载,不是与 土体表面齐平的“ 静水压力 ” 。试验结果见图1。可 以得出如下的结论 1在σ3600kPa的固结以后,试样含水量小 于塑限,粘土颗粒表面弱结合水很少,这时静水压力 42 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 岩土工程界 第11卷 第2期岩土论坛 图1 静水压力的传递时间关系 不能全部传到试样底部,只能达到施加的静水压力 的70～80 ,并且需要很长时间才能稳定。 用乙醇代替去离子水,进行同样的试验,发现乙 醇在土中的渗透系数大得多。在试样顶部施加 50kPa的静酒精压力,试验结果见表2。 表2 不同固结压力后酒精饱和试样孔隙压力传递时间表 围压kPa100200400600800 时间秒28183045 试验结果表明, 50kPa孔隙静酒精压力完全无 障碍地传递到试样底部,没有任何损失和折减;并且 所用时间也少的多。这是由于乙醇的介电常数小, 在粘土颗粒表面形成的扩散层薄很多。尽管含水量 在塑限以下时,静水压力会损失20到30。因为 没有自由水,但也没有“ 水压率 ” 的藏身之处,主要 是由于强结合水与颗粒表面间强烈的相互作用,使 其表现出较强的粘滞性,阻碍了静水压力的传递。 111关于粘土中的土水相互作用是十分复杂 的,还不能说我们已经完全理解和掌握了结合水的 机理。图2是一种非饱和粘土的土水特征曲线 [6 ]。 图2 非饱和粘土的土水特征曲线 测试土水特征曲线的试验方法之一是所谓的轴 平移法,亦即用带有高进气值陶瓷板的压力罐,将饱 和土样放进压力罐,逐级施加气压,土中水被挤出, 稳定时量测相应含水量,对应的基质吸力就等于施 加的压力。当粘土表面只存有3层水分子时,结合 水厚度只有10 。它们与土表面的结合如此之强, 如图2所示的10 5 ～10 6 kPa的压力也难将其完全挤 走。这正如无论什么样的大力士也不可能将毛巾拧 得与太阳晒得那么干一样。由于这时所涉及的作用 是离子键、 共价键、 化学键和极化水分子的电磁力的 范畴,非机械力能够等效的。粘土中的强结合水- 弱结合水-自由水是有区别的,也是不能截然分开 的。只不过结合水表现出更大的粘滞性,对压力传 递具有更大的阻力,将其排出需要更大的压力。并 不如方先生所理解的那样形成与水截然不同的胶 粒,也不是能够传递水压力就和自由水完全一样。 以粘土渗流的初始水力坡降为例,一种普遍的解释 如图3所示。 图3 粘性土中渗流的示意图 由于结合水的粘滞性,只有压力差达到一定数 值时,才可以“ 冲开 ” 结合水,形成渗流通道。其条 件是; τ≥τ f 2 其中τ f是结合水的屈服剪应力 结合水可以传递水压力,在一定压力作用下可 以流动,可以被排出,结合水膜可以从厚的地方向薄 的地方移动,由于颗粒间的接触压力很大,所以结合 水也可以从结触点处向外挤走,因而粘土也同样有 颗粒间也可能是接近于固态的强结合水膜间传 递的有效压力。 121尽管多年来我和学生在这类课题中进行了 许多试验,可对于粘土的微观结构与宏观性状间的 关系,仍然充满了疑惑和不解;一些实际工程监测和 试验现象仍然难以解释,在各种场合和有关文章 中 [7 ] ,总是强调需要进一步探索。但在我的文章 中 [4 ] ,其论据基本都是我本人或者我的学生的试验 结果。我建议方先生自己或者指导学生去认真进行 我在文章里说的几种很简单的试验。如果水压率理 论被证实,那可能是土力学百年来最大的前进和发 展。 131在文献[4 ]中,关于孔隙体积与面积的比例 问题,我的计算是错误的,对于孔隙和固体都是流通 的介质,方先生的假设是可以成立的。 141文献[4 ]是较早投到岩土工程界 的,成 52 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 岩土论坛GEOTECHN ICAL ENGI NEER I NGWORLD VOL. 11 No. 2 文的时间更早 [8 ] ,当时只是针对一些在讨论和交流 中了解的普遍观点,列出的例子都没有涉及作者。 后来方先生的文章在 岩土工程界 第5期发表,我 的文章在第7期发表,认为应当作为参考文献列入, 就建议编辑部将其列入参考文献,这样在开头的语 言就似乎完全是对事也对人了,可能伤害了方先生, 对此表示深深的歉意。 参考文献 [1] 方玉树.水压率理论被推翻了吗.岩土工程界, 2007, 1011 21 - 26. [2] 李广信.有效应力原理能够推翻吗.岩土工程界, 2007, 10 7 22 - 25. [3 ] 岩土工程基本术语标准GB /T 50279 - 98北京中国计划出 版社, 1998. [4 ] 李广信.对“ 基于水压率讨论土中孔隙水压力及其有关问题 ” 一文的讨论.岩土工程界, 2007, 109 22 - 24. [5 ] 宋 磊.粘土基坑支挡结构水土压力研究.申请清华大学工学 硕士学位论文, 2003. [6 ] 李广信主编.高等土力学.北京清华大学出版社, 2004年第 一版. [7 ] 李广信.基坑支护结构上水土压力的分算与合算.岩土工程 学报, 2000, 22 3 348 - 352. [8 ] 李广信.岩土工程20讲-岩坛漫话.北京人民交通出版社, 2007, 5. 62 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.