土骨架之我見
方玉樹
(后勤工程學院 重慶 400041)
提要:對一些著名學者關于土骨架的認識發表不同看法,認為土骨架是土中由顆?;蚰z團接觸形成的架構體,是相互接觸的顆粒群或膠團群,它就是土的結構,這個概念并非有效應力原理和滲透力概念所需,建議放棄土骨架這個概念。
關鍵詞:土骨架,土顆粒,土,土的結構,有效應力,滲透力
0 引言
關于土骨架,有兩位著名學者分別通過2015年11月、2020年2月的專業網絡文章和2003年第2期的學術期刊文章發表過見解(以下分別稱文1、文2、文3)。本文提出不同看法。
1 土骨架的概念
文1說:“土骨架是由土顆粒相互接觸形成的構架體,其孔隙中充滿了孔隙流體(液態或氣態)”;文2說:“土骨架是由相互接觸與聯結的顆粒構成的構架體”。對比可知,前后兩個定義有所不同。
我認為,這些定義都不正確:
首先,文1中“土骨架是由土顆粒相互接觸形成的構架體”這句話概括不了粘性土。對粘性土,粗粒與細粒之間、粗粒集合體與周圍細粒之間、細粒之間、由靜電吸力形成的細粒集合體之間不接觸,被結合水隔開。單靠顆粒無法形成土骨架(土結構)。由細?;蚣毩<象w和其表面的結合水膜組成的膠團之間或膠團與粗?;虼至<象w之間才是接觸的,才能形成土骨架(土結構)。即使是粘性土中的所謂干土,也有強結合水。結合水是造成粘性土結構不同于無粘性土結構的主要原因,靜電吸力與斥力使粘性土結構復雜化和變化。 文2中“(土骨架)不包括孔隙中的水與氣體”的說法應改為土骨架不包括孔隙中的自由水與氣體。
其次,文1中“其孔隙中充滿了孔隙流體(液態或氣態)”這句話是錯誤和多余的。土骨架不包括自由水和氣體所占據的孔隙,如果包括自由水和氣體所占據的孔隙,土骨架就變成了土。此話中“其”指的是土骨架,“其孔隙”就是土骨架的孔隙,這給人的印象就是土骨架包括自由水和氣體所占據的孔隙。這與文2中“(土骨架)不包括孔隙中的水與氣體”的說法是矛盾的:孔隙中不是氣體就是水,土骨架包括了孔隙怎么能不包括孔隙中的水與氣體呢?
第三,文2中“土骨架是由相互接觸與聯結的顆粒構成的構架體”的說法有“相互接觸與聯結”一語,它不是“相互接觸或聯結”,這說明此說法要求相互接觸與相互聯結同時存在。一般情況下,土中顆粒之間要么相互接觸而無聯結,要么有聯結而不相互接觸,純粗粒土中的顆粒相互接觸但無聯結。因此,一般情況下,土骨架都不符合這個定義,這就是說,這個定義是不正確的。
土骨架應是土中由顆粒(或膠團)接觸形成的架構體,是相互接觸的顆粒(或膠團)群,也就是土的結構或土的組織。有了土的結構這個概念,土骨架這個概念不是非用不可。
粘性土骨架(結構)中的結合水體積是可以變化的。一方面,一部分結合水可以汽化,另一方面,土受力后結合水在顆粒表面上轉移,會造成超過結合水最大厚度的那部分結合水轉化為自由水,繼而排出,這些都導致膠團不能像顆粒那樣維持體積不變,從而導致由膠團構成的結構不能像顆粒構成的結構那樣維持體積不變。
結合水的部分汽化和自由水化正是粘性土產生的次固結比無粘性土明顯、結合水含量越高次固結越明顯的原因。因此,對粘性土,主固結能用有效應力概念分析,次固結不能用有效應力概念分析。Skempton曾說,有效應力應通過強度或變形等效的原則計算。這些說法對粘性土而言不夠準確,變形或強度的等效應僅限于主固結而不包括次固結,但次固結是伴隨著主固結的。
按上述土骨架的定義,對水位面以下的飽和粘性土,當土中無自由水(即土中水全是結合水)時,土骨架的體積等于土的體積,土骨架的面積等于土的面積,土骨架的質量等于土的質量,所以,此時(也只有在此時),土骨架的密度等于土的密度(即飽和密度),同時,此時的孔隙水壓力為0,浮力為0,故土的浮重度等于飽和重度,土中有效應力等于總應力。自由水含量越接近于0,孔隙水壓力越接近于0,浮力越接近于0,土的浮重度越接近于飽和重度,土中有效應力越接近于總應力。
對水位面以下的飽和無粘性土,土中水均為自由水,它不是土骨架的組成部分,土骨架的體積總是小于土的體積,土骨架的面積總是小于土的面積,土骨架的質量總是小于土的質量,同時,當顆粒接觸面積率視為0時,此時的孔隙水壓力等于水體水力學上的水壓強,浮力符合阿基米德定律,故土體的浮重度等于飽和重度與水的重度之差,土中有效應力總是小于總應力。
因此,對多個水平土層組成且含有粘性土層的土體,雖然總應力沿深度的變化是連續的,但孔隙水壓力沿深度的變化是不連續的,有效應力沿深度的變化也隨之不連續。
這就是基坑突涌為何不發生于承壓含水層隔水頂板內部而發生于隔水頂板底面的原因。
滲流方向向上時,對均質土,基于流土臨界方程就是滲流條件下有效應力為0的原理進行推演,流土臨界水力坡度計算式為:
式中為水壓率,隨著骨架中顆?;蚰z團之間接觸面積率的變化而反向變化,骨架中顆?;蚰z團之間接觸面積率由0變化到1時,水壓率由1變化到0【4】。
這就是為何粘性土相對于細砂、粉砂不易發生流土或者說水力坡度遠遠大于1時很多粘性土還未發生流土的原因。
2 土骨架和土的關系
文1和文2說:“土力學就是研究土骨架的力學特性及其影響因素的學科”。他這樣說就把土和土骨架(土結構)混為一談了。土骨架(土結構)不等于土。土中有自由水和氣體,土骨架(土結構)中無自由水和氣體。土有滲流和固結現象,土骨架(土結構)無滲流和固結現象。土中應力不一定是有效應力,土骨架中的應力都是有效應力。土的抗剪強度會隨孔隙水壓力的降低而提高,土骨架的抗剪強度則不隨孔隙水壓力變化。所以,不能認為“土力學就是研究土骨架的力學特性及其影響因素的學科”。
文1說:“土骨架的體(面)積是整個土體的體(面)積”,文2說:“它(之土骨架)具有土體的全部體(面)積。”這樣說又把土和土骨架(土結構)混淆起來了。因土骨架(土結構)本身無自由水、無氣體,故土骨架的體積是土骨架中所有顆?;蚰z團的體積之和,因此“土骨架的體積是整個土體的體積”的說法不正確。土中應力(有效應力和中性應力)所涉及的截面是在顆?;蚰z團之間通過的宏觀上是平面的曲面。因此,土骨架(土結構)的面積是這個截面上的顆粒(或膠團)之間接觸面積率與這個截面面積之積【對飽和土,顆?;蚰z團之間接觸面積率與自由水面積率(即水壓率理論中的水壓率)是互補的,二者之和等于1,水壓率越小,顆?;蚰z團之間接觸面積率越大】。因此“土骨架的面積是整個土體的面積”的說法不正確。
文1的“土骨架的面積是整個土體的面積”的說法和文2 的等效說法也與文1“有效應力正是作用于單位土骨架面積上的力”的說法及文2的等效說法矛盾,因為:如果土骨架(土結構)的面積是整個土體的面積,那么,單位土骨架(土結構)面積就是單位土面積,作用于單位土骨架(土結構)面積上的力就是作用在單位土面積上的力,就是總應力而不是有效應力了。
由于土力學研究的是土而不單單是土骨架(土結構),所以,土的有效應力是土的總應力中的有效部分或者說是土的總應力中引起土體變形的那部分應力,土的中性應力(飽和土的孔隙水壓力)是土的總應力中的中性部分(無效部分)或者說是土的總應力中不引起土體變形的那部分應力。
文1和文2說:對于干土,土骨架的密度就是土的干密度;對于飽和土,土骨架的浮重度就是土體的浮重度,由此,根據浮重度與飽和重度關系可知,土骨架的飽和重度就是土體的飽和重度。這樣豈不是土骨架(土結構)的重度(密度)等于土的重度(密度),土骨架(土結構)就是土了?
3 土骨架的特征
文1說:土的變形決定于土骨架的變形,而“土骨架像一個絲瓜瓤一樣是一個宏觀的整體”。他這樣說給人的印象是:土在變形時顆?;蚰z團接觸點的位置和數量是不變的,變形表現為彈性。
土的變形由顆粒之間的相對位移引起,這種相對位移包括靠攏、離開、各種方向的剪切(對膠團而言,這種相對位移伴隨著結合水膜厚度的變化)。顆粒之間的相對位移難度越大,土的抗變形能力和強度越高(指導研究生進行的復合地基材料試驗結果與此規律一致)。顆粒之間的相對位移必然造成顆?;蚰z團接觸點的位置發生變化。比如:疏松結構的土在變形后成為密實結構的土時接觸點數量大大增加了,接觸點位置也必然發生很大變化。這是土具有塑性(從而非線性)、剪脹、剪縮的特性和在有主應力差條件下體積應力引起剪應變的特性的原因。按他的說法,剪脹、剪縮的特性和在有主應力差條件下體積應力引起剪應變的特性是不會有的。
因此,只需強調土的變形由顆粒之間的相對位移引起即可。
4 土骨架概念的由來
文2說:“土骨架這一概念源于飽和土體的有效應力原理:土體上的總應力由作用于土骨架上的有效應力和作用于孔隙水上的孔隙水壓力承擔,其中有效應力決定了土的變形與強度?!?span>
這種說法是不正確的。
(1)按上述說法,孔隙水壓力只作用在孔隙水上。但這不符合事實。對飽和粗粒土,顆粒除顆粒之間接觸點外被水包圍,水壓力顯然作用在顆粒上,只是因顆粒的壓縮性被忽略而視為中性應力。
(2)上述說法把土中應力分成了兩個層級:一個較高的層級是總應力,它作用在土截面上;一個較低的層級是有效應力和孔隙水壓力,有效應力作用在骨架上,孔隙水壓力作用在孔隙水上。這樣的劃分是不正確的:研究土中總應力、有效應力和孔隙水壓力時對截面的處理與研究地下水動力學時對截面的處理相似。
研究滲流時,我們用遍布所研究截面的假想水流代替僅在所研究截面的孔隙中運動的真正水流而保持流量不變;研究承壓含水層彈性釋水時,我們又將承壓含水層視為連續彈性體而保持截面上的總壓力不變。二者互不影響。
與此相似,研究孔隙水壓力時,我們應用遍布所研究截面的假想水體代替僅在所研究截面的孔隙中存在的真正水體而保持截面上的總水壓不變;研究總應力和有效應力時,我們又應用非水體的假想連續體的截面代替真正土體中的截面而保持截面上的總壓力和總有效壓力不變。二者同樣互不影響。
(3)上述說法造成有效應力無法計算或計算錯誤。若按對土骨架面積的錯誤理解(即土骨架面積就是土的面積),當有效應力作用在土骨架上時,孔隙水壓力就沒有了作用面;若按對土骨架面積的正確理解(即土骨架面積是顆?;蚰z團接觸面積),當有效應力作用在土骨架上時,粗粒土中有效應力因顆粒接觸面積無法確定而無法計算。
(4)有效應力原理的實質是:分析土的變形和強度時所用的應力應是有效應力,從總應力中扣除中性應力(即孔隙水壓力)后所獲應力是有效應力。因此,有效應力原理不需要土骨架這個概念,“土骨架這一概念源于飽和土體的有效應力原理”的說法是不正確的。這就是說,研究有效應力不需要土骨架這個概念。
5 土骨架和滲透力的聯系
文2認為:滲透力是水作用于土骨架上的推動力和拖曳力,文3也認為滲透力“是作用于土骨架上的切向拖曳力”。這種說法有三個問題:
(1)水作用于土骨架上的拖曳力的說法讓人費解。拖曳是牽引、拉扯的意思,水不具有抗拉強度,怎么會牽引、拉扯土骨架呢?
(2)水作用于土骨架上的推動力的說法也不準確。含水層中的靜水對豎向隔水層也有推動力,如果隧道施工導致豎向隔水層過薄,會引發突水。靜止的庫水對壩體也有推動力,若壩體及其周邊接觸面強度不足,壩體會被摧毀。這些情形并不涉及滲透力。
(3)水下土單元周邊作用有孔隙水壓力,土單元周邊的孔隙水壓力的作用在土體均質各向同性條件下與浮力和滲透力這兩個體積力的組合作用等效。土單元周邊孔隙水壓力是作用于土單元的,與之等效的浮力和滲透力的組合必然也是作用于土單元的(若按的錯誤理解,水壓力作用于水內截面,那么滲透力作用于土骨架的說法與水壓力作用面的說法更是南轅北轍)。同計算土單元所受浮力(包括浮重度所涉及的浮力)一樣,計算土單元所受滲透力單位體積土的滲透力與土單元體積之積。盡管滲透力和浮力理解為以土骨架為隔離體與理解為以土單元為隔離體在數值上是相同的,但在邏輯上滲透力和浮力不應理解為以土骨架為隔離體。實際上,土體中的各種面力(包括有效應力、孔隙水壓力)都是作用在土單元的整個邊界(不是其中的某部分)上的,這與滲流量、滲透速度以整個土截面(不是以土截面中的孔隙)為考察對象同理。
根據滲透力計算式及其推導過程可知,土單元所受滲透力是土單元沿滲流方向的兩端因水頭差而引起的水壓差,它的方向是滲流方向,它產生的原因是有水頭差。滲透力和浮力一樣是組合力,不是新力。
6 土骨架概念的取舍
上述分析已經表明,有了土的結構或組織這個概念,土骨架這個概念不是非用不可,同時,研究有效應力不需要土骨架這個概念。故土骨架這個概念是可以不用的。
使用土骨架這個概念容易讓人誤解。因為骨架就是支架(狹義的理解是人或動物的骨頭架子),使用土骨架這個概念容易讓人誤以為:1.土中顆?;蚰z團接觸點的位置和數量是不變的;2.土的組織是不包括膠團的或者說土的組織的組成物體積是不變的;3.粗粒土中顆粒之間是有聯結力的。
在文1和文2對土骨架的理解(包括對土骨架的定義和“土骨架像一個絲瓜瓤一樣是一個宏觀的整體”這種認識)中,這些誤解恰恰都存在。
因此,筆者主張放棄土骨架這個概念。
文3說:“飽和土體由固體顆粒和孔隙水組成,這是常識。但是土力學中把飽和土體劃分成土骨架和水體兩部分,卻完全是虛構的,土骨架并不是固體顆粒,水體也不是孔隙水,而是充滿整個空間的,包含固體顆粒所占的空間。”在這段不甚清晰的闡述(因為沒有對等地指出土骨架“是占滿整個空間的,包含孔隙水所占的空間”)中,土骨架似乎就是全由固體構成的虛擬土。筆者不贊同這種見解。
首先,因為土骨架就是土的結構,故土骨架不是虛擬的。
其次,在分析能引起變形的應力時確實是把土視為全由固體構成的虛擬物,但不應也沒有必要把全由固體構成的虛擬物稱作土骨架,因為:
(1)骨架就是骨骼,人們無法認同鐵板一塊的物體是骨架,同樣無法認同全由固體構成的虛擬物是土骨架。
(2)全由固體構成的虛擬物不需要用別的詞匯來代替或命名,研究滲流時人們是把整個土的截面視為水的,但沒有把這種全由水構成的虛擬物用別的詞匯來代替或命名,而這樣做并沒有帶來問題。
由此可知,文3對土骨架的理解使土骨架的概念更加混亂??紤]到這一情況,土骨架這個概念更應放棄。
7 結論
1.土骨架是土中由顆?;蚰z團接觸形成的架構體,是相互接觸的顆粒群或膠團群,也就是土的結構或土的組織。有了土的結構這個概念,土骨架這個概念不是非用不可。粘性土骨架(結構)中的結合水體積是可以變化的。
2.土骨架不是土,土骨架與充滿自由水或氣體的孔隙組合才是土。
3. 土骨架不像一個絲瓜瓤,土的變形不決定于土骨架的變形,土的變形由顆粒之間的相對位移引起。
4. 有效應力原理不需要土骨架這個概念,土骨架這一概念并非源于飽和土體的有效應力原理。
5.土單元所受滲透力是土單元沿滲流方向的兩端因水頭差而引起的水壓差,它的方向是滲流方向,它產生的原因是有水頭差。滲透力作用于土單元而不是作用于土骨架。
6. 建議放棄土骨架這個概念。
我有話說
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水的問題和電的問題相似性比擬: 水=電,水壓=電壓差,水位=電位(電勢),粘性土=絕緣體,砂土=導電體,擊穿電壓=管涌水位差,滲流=電流,流量=電荷量 文中提到的水壓率,在電學中與哪個概念對應呢?找不到對應的概念。 粘性土在低水壓差下具有隔水性,當水壓差高于抗管涌水頭時呈現滲流管涌破壞。 粘性土骨架和結合水構成的不透水膜,具有一定的隔滲強度,水壓過高將會發生管涌破壞(失穩),此時將不再隔水。 當擊穿水壓消失后,管涌有可能自愈也有可能永久破壞。 抗管涌破壞水頭(擊穿滲流水頭)大?。喝Q于粘性土骨架和結合水膜的結構張力或結合水+土骨架膠體構成的雙電層壘勢差,即土體的抗拉強度。
粘性土膠體骨架與結合水膜雙電層體系具有一定的電壘勢(此說法可能不嚴密)。另外還有一個重要因素是攔水網的抗拉強度。 當靜水壓差克服不了這個壁壘,則不傳遞靜水壓力; 當靜水壓差克服了這個壁壘,則傳遞靜水壓力。 另外,如果由土骨架和結合水組成的可塑性攔水網破裂,必然要漏水。 因此可以認為,結合水和土骨架不能傳遞孔隙水壓力,這個命題只說對了一半。
水滿則溢,大道至簡的自然法則。
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第2節第2段第1行中,“它(之土骨架)”應改為“它(指土骨架)”。 第2節第2段倒3行中,“土骨架(土結構)的面積是這個截面上的顆粒(或膠團)之間接觸面積率與這個截面面積之積”應改為“土骨架(土結構)的面積是這個截面上的顆粒(或膠團)之間接觸面積率即該接觸面積與這個截面面積之比”。 為上述筆誤向網友致歉!
第2節第2段倒3行中,“土骨架(土結構)的面積是這個截面上的顆粒(或膠團)之間接觸面積率與這個截面面積之積”是正確的,無需修改。適才看錯了。
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