對《論土骨架與滲透力》一文的理解與體會

張 良

(朔州市水資辦，山西 朔州 036000)

對《論土骨架與滲透力》一文的理解與體會

張 良

(朔州市水資辦，山西 朔州 036000)

主要從土力學(xué)與滲透力兩方面，對《論土骨架與滲透力》一文作了分析，指出三相化學(xué)作用下土體孔隙度及土骨架的變化、流體在巖土特性的形成過程中的作用不容忽視，滲透力的計算應(yīng)以相應(yīng)的典型體元為研究對象。

土力學(xué)，滲透力，典型體元，水力坡度，孔隙度

0 引言

《巖土工程學(xué)報》2016年第8期刊登了李廣信教授的《論土骨架與滲透力》(以下簡稱原文)一文。像先生的其他諸多文章一樣，在堅持其亦莊亦諧、生動形象的寫作風(fēng)格下，總能給人以新奇亮麗、獨樹一幟的感覺，好似宋代劉子翚筆下明媚秀麗的南溪，常使人“一步一回顧”。不僅充滿了“傳道、授業(yè)、解惑”的玉壺之心，又每每能給人以“作者未必然，讀者何必不然”的啟迪。該文對土骨架與土顆粒的關(guān)系及滲透力的機理進(jìn)行了形象生動的論述；強調(diào)了土骨架在土力學(xué)研究中的重要作用；對滲透力的計算進(jìn)行了別具一格的推導(dǎo)。并認(rèn)為土力學(xué)就是研究土骨架的力學(xué)性質(zhì)及其影響因素的學(xué)科。然而，這樣的定義中將土骨架與液相、氣相分割開來，似乎僅將液、氣相作為土骨架的影響因素而有所不妥；其關(guān)于滲透力的計算及個別結(jié)論也存在商榷之處。

1 土力學(xué)的定義

1.1 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及部分教材中的觀點

原文認(rèn)為：土力學(xué)是研究土骨架的力學(xué)性質(zhì)及其影響因素的學(xué)科。土骨架是由土顆粒相互接觸與聯(lián)接形成的可以承擔(dān)與傳遞有效應(yīng)力的構(gòu)架體，其孔隙中充滿了孔隙流體(液態(tài)或氣態(tài))；結(jié)合水、毛細(xì)水與自由水，一般不列入土骨架，而是與土骨架相互作用的流體，會影響土骨架的力學(xué)性質(zhì)。并傾向于將所有固體顆粒都計入土骨架之中[1]。

GB/T 50279—2014巖土工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為：土力學(xué)是研究土的物理力學(xué)性質(zhì)及土體在荷載、水和溫度等因素作用下力學(xué)行為的應(yīng)用學(xué)科。滲流力是水流流經(jīng)土孔隙時，作用于土骨架上的體積力。土骨架是土中固體顆粒構(gòu)成的格架[2]。陳仲頤等認(rèn)為：土力學(xué)就是利用力學(xué)的基本知識輔之以描述碎散體特性的理論所建立的一門學(xué)科，是巖土力學(xué)的重要組成部分，用以研究土的應(yīng)力、變形、強度和穩(wěn)定以及與此有關(guān)的工程問題[3]。因此，土力學(xué)的定義中應(yīng)以土體整體為研究對象，內(nèi)容包括環(huán)境安全及工程性狀狀態(tài)下土體中的應(yīng)力、應(yīng)變、滲流、強度、穩(wěn)定等。

1.2 土三相化學(xué)作用下孔隙度的變化及其他

孔隙度的變化不僅僅源于上覆應(yīng)力的變化、物理狀態(tài)的改變，也受膠結(jié)作用、礦物之間的交代作用及重結(jié)晶作用等影響而降低；反之，也可以因為顆粒和膠結(jié)物的溶解而增加。交代作用導(dǎo)致了一種礦物被另一種礦物替代；重結(jié)晶作用導(dǎo)致晶體大小和形狀的改變，常常會影響到顆粒大小的改變；溶解作用是一個在特定環(huán)境條件下將最可溶礦物去除掉的選擇性過程。這種現(xiàn)象在黃土的濕陷變形中常常出現(xiàn)。顯然，巖土是由靜止相和流動相共同組成的?！办o止”即巖土本身的固體部分；“流動”即填充于巖土內(nèi)部的流體部分。這是一個長期的“穿流系統(tǒng)”，其中的流體在地質(zhì)時間尺度上持續(xù)的被更替。

如上所述，孔隙度、土骨架不是一成不變的，其中的膠結(jié)物有時構(gòu)成于土骨架，有時存在于液相中?；诖耍瑑H將土骨架的力學(xué)性質(zhì)明確作為土力學(xué)的研究對象似乎不夠完善，割裂了固相、液相和氣相所組成的土的有機整體。結(jié)合水特別是強結(jié)合水，無論是否列入土骨架，只要條件許可，它總會吸附于土顆粒表面，似乎并不完全僅是與土骨架相互作用的流體，也會影響土骨架的力學(xué)性質(zhì)，是自由水影響土骨架力學(xué)性質(zhì)時的過渡帶。

2 滲透力的計算

土顆粒對水的滲透力的反作用力Ji原文計算如下：

水的滲透力原文計算如下：

原文認(rèn)為：由于∑Vsi=Vs，亦即單位體積土體中的全部顆粒固體的體積。 在單位體積土體中，∑Vsi/(1-n)=1.0，則：

j=γwi。

2.1 關(guān)于研究單元

地下水動力學(xué)中為便于研究，用一種假想水流來代替真實的地下水流。假想水流所占據(jù)的空間區(qū)域稱為滲流區(qū)或滲流場(見圖1)。顯然，滲流區(qū)包括空隙和巖石顆粒所占據(jù)的全部空間。這一設(shè)想的實現(xiàn)，建立在典型體元的概念基礎(chǔ)之上。

以孔隙率為例說明如下。假設(shè)P是孔隙介質(zhì)中一微單元，以P為形心取一體積V，則根據(jù)孔隙率n的定義有：

其中，VV為V中的孔隙體積。該式表明，若P點位于固體顆粒中心或孔隙中時，并在各自相應(yīng)的體積條件下，勢必會出現(xiàn)孔隙率等于0或1的狀況。顯然，過小的研究單元不能合理反映土體的孔隙率，亦即不能以單個土顆粒為研究對象來分析土的孔隙率、滲透力等。

當(dāng)V取至某個體積時，孔隙率趨于某一平衡值n，此時的V稱為典型體元(REV)，記為V0(如圖2所示)，即典型體元下的孔隙率較為合理的反映了土體相應(yīng)的物性特征[4]。因此，若不考慮典型體元，而以土骨架中的單一顆粒為研究對象時，孔隙度是個變化的量，滲流也可能處于紊流狀態(tài)，原文公式求和計算中“1-n”并不能作為常數(shù)項提取出來，從而不能繼續(xù)進(jìn)行推導(dǎo)。

2.2 關(guān)于水力坡度

微觀狀態(tài)下，滲流處于紊流狀態(tài)，滲流流速為矢量，原文中的單個顆粒的滲透力方向，并不一定與達(dá)西狀態(tài)下滲流流速方向一致，亦即滲流中水力坡度下降的方向并不能說明所有土骨架顆粒所受到的滲透力方向都與之一致，因此水力坡度同樣不能在求和計算中提取出來。

各向同性與否是指巖層透水性和水流方向的關(guān)系；均質(zhì)與否是指巖層透水性和空間坐標(biāo)的關(guān)系。在非均質(zhì)、各向同性的土體中，并不能說明土體中滲流的水力坡度為常數(shù)。同樣也不能從公式中將之提取出來。

3 其他

原文圖13中Ji表示滲透力及其作用方向，而原文圖14卻表示了顆粒對水的滲透力的反作用力，雖然兩者大小相同，但方向相反，似乎區(qū)別表示為好；此外，原文以上兩式將作用力與反作用力混淆在一起。

4 結(jié)語

雖然土力學(xué)中土骨架是很重要的概念之一，但流體在巖土特性的形成過程中的作用有時更為重要，且國家標(biāo)準(zhǔn)等已有明確的定義，因此，僅特別明確土骨架為其研究對象的土力學(xué)定義略失偏頗。滲流各向同性的土體中，并不一定意味著巖土均質(zhì)，滲流的水力梯度并不為常量；微觀狀態(tài)下，滲透力的計算不符合滲流連續(xù)性原理。滲透力的計算應(yīng)該以相應(yīng)的典型體元為研究對象。

[1] 李廣信.論土骨架與滲透力[J].巖土工程學(xué)報，2016,38(8)：1522-1528.

[2]GB/T50279—2014，巖土工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 陳仲頤,周景星,王洪瑾.土力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1994.

[4] 陳崇希.地下水動力學(xué)[M].第5版.北京：地質(zhì)出版社，2014.

Understanding and experience on the paperOnSoilSkeletonandSeepageForce

Zhang Liang

(ShuozhouCityOfficeofWaterResourcesManagementCommittee,Shuozhou036000,China)

Mainly from the soil mechanics and seepage force two aspects, analyzed the paperOnSoilSkeletonandSeepageForce. It is pointed out that the role of the change of soil porosity and soil skeleton and fluid under the chemistry action of three-phase in the formation of geotechnical characteristics can not be neglected. When the seepage force is calculated, the corresponding RVE should be considered as the object of study.

soil mechanics, seepage force, RVE, hydraulic gradient, porosity

1009-6825(2017)03-0071-02

2016-11-15

張 良(1964- )，男，工程師

TU431

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