談太沙基有效應(yīng)力原理

王國義

（中電建成都建設(shè)投資有限公司，四川成都 610212）

0 引言

太沙基有效應(yīng)力原理[1]自從提出以來，由于有效應(yīng)力原理在黏性土方面的不適應(yīng)性，越來越多的專家、學(xué)者對其正確性提出質(zhì)疑，并提出自己的觀點(diǎn)，希望能達(dá)到“水土分算”與“水土合算”的統(tǒng)一。王洪新[2]把土的孔隙比、界限含水量、顆粒分析等物理參量引入水土壓力計(jì)算中，提出一個(gè)水壓力比率，把有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)和總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)一在一個(gè)強(qiáng)度公式中，并且給出了一個(gè)“水土分算”和“水土合算”的算法，實(shí)現(xiàn)了兩者結(jié)果之間的過渡。劉發(fā)前[3]提出對于單粒結(jié)構(gòu)而言，“土壓力”為土顆粒與所吸附結(jié)合水對地下結(jié)構(gòu)物的作用，對于近似于絮狀的結(jié)構(gòu)，大部分流體水受到土顆粒的吸引，絮狀結(jié)構(gòu)的束縛無法形成流動(dòng)水，有效土壓力降低，水壓力大打折扣，這就是黏性土中實(shí)測水土壓力接近于“水土合算”的原因。方玉樹[4]提出水壓率的概念，在此基礎(chǔ)上修正了孔隙水壓力、浮力、浮重度等的計(jì)算方法。李大鵬等[5]通過引入折減系數(shù)，將適用于飽和砂土的狹義有效應(yīng)力原理擴(kuò)展到適用于飽和巖石等孔隙發(fā)育不充分介質(zhì)的廣義有效應(yīng)力原理。在廣義有效應(yīng)力的基礎(chǔ)上，以水土分算為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出了水土壓力合算與分算的統(tǒng)一計(jì)算公式。吳小鋒等[6]結(jié)合滲透系數(shù)的物理意義及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立新物理參數(shù)水道率與滲透系數(shù)的擬合方程，給出了一個(gè)可以統(tǒng)一水土分算和合算的算法，實(shí)現(xiàn)了水土壓力分算和合算結(jié)果之間的過渡。以上的專家、學(xué)者都認(rèn)為太沙基有效應(yīng)力原理不適合黏性土的計(jì)算，中和應(yīng)力中需要對孔隙水壓力進(jìn)行折減才能與實(shí)際相符。而支持太沙基有效應(yīng)力原理的專家、學(xué)者對太沙基有效應(yīng)力原理提出質(zhì)疑者進(jìn)行了反駁，并堅(jiān)持太沙基有效應(yīng)力原理的正確性。李廣信[7-11]對方玉樹提出的水壓率概念進(jìn)行了反駁，并提出了自己的觀點(diǎn)，堅(jiān)持有效應(yīng)力原理的正確性，但對于“水土合算”與太沙基有效應(yīng)力不相符問題，認(rèn)為還需進(jìn)行研究與探討。太沙基有效應(yīng)力原理的質(zhì)疑者提出的公式是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出的，無理論基礎(chǔ)，而太沙基有效應(yīng)力原理的支持者無法解釋水土壓力計(jì)算中黏性土不適合水土分算的現(xiàn)象。太沙基有效應(yīng)力原理的質(zhì)疑者和支持者都不能說服對方，導(dǎo)致爭論不斷。筆者[12-15]針對巖土水平截面的力平衡原理，通過引入給水度參數(shù)，推導(dǎo)出新飽和土有效應(yīng)力原理公式，實(shí)現(xiàn)了水土壓力的統(tǒng)一計(jì)算。

筆者對李廣信（以下簡稱李先生）的《有效應(yīng)力原理能夠推翻嗎》一文（以下簡稱李文）中的太沙基有效應(yīng)力原理公式推導(dǎo)、飽和黏土的有效應(yīng)力原理等內(nèi)容進(jìn)行分析，提出太沙基有效應(yīng)力原理存在的問題，認(rèn)為采用新飽和土有效應(yīng)力原理解釋更合理。同時(shí)，筆者提出如果太沙基有效應(yīng)力原理被推翻，實(shí)際上是理論土力學(xué)的一大進(jìn)步，也是在太沙基有效應(yīng)力原理上的進(jìn)步。

1 太沙基有效應(yīng)力原理與新飽和土有效應(yīng)力原理

1.1 太沙基有效應(yīng)力原理

太沙基[1]在《理論土力學(xué)》一書中提出了有效應(yīng)力原理，并對無凝聚性土和凝聚性土進(jìn)行了分析。

太沙基通過試驗(yàn)觀察建立了有效應(yīng)力原理公式：

式（1）中：

σ——水平截面上的豎直總應(yīng)力，kPa；

σ′——作用在土骨架上的力在水平截面上的豎直應(yīng)力，kPa；

μw——孔隙水壓力，kPa。

太沙基有效應(yīng)力原理主要結(jié)論如下：一是孔隙水壓力是中和應(yīng)力，中和應(yīng)力對土體的變形和強(qiáng)度無影響；二是土的有效應(yīng)力等于總應(yīng)力減去孔隙水壓力；三是土的有效應(yīng)力控制了土體的變形及強(qiáng)度；四是有效應(yīng)力原理適用于砂土和黏土。

1.2 新飽和土有效應(yīng)力原理

式（2）、式（3）、式（4）中：

σ1——水平截面上的豎直總應(yīng)力，kPa；

σ1′——作用在土骨架上的力在水平截面上的豎直應(yīng)力，kPa；

μ1——孔隙水壓力在水平截面孔隙水通道面積產(chǎn)生的作用力的豎直平均水應(yīng)力，kPa；

m——巖土給水度；

m1——中和應(yīng)力系數(shù)。

新飽和土有效應(yīng)力原理中的水應(yīng)力（中和應(yīng)力）是孔隙水壓力在孔隙水通道面積上產(chǎn)生的作用力在水平截面上的平均水應(yīng)力，土骨架應(yīng)力（有效應(yīng)力）是土骨架之間傳遞的豎向力（土的浮容重產(chǎn)生的力）在水平面積上的平均應(yīng)力。

1.3 對比分析

太沙基有效應(yīng)力原理是通過試驗(yàn)觀察建立，不是理論推導(dǎo)出來的；新飽和土有效應(yīng)力原理是通過水平截面的力或應(yīng)力平衡原理推導(dǎo)出來的。

太沙基有效應(yīng)力原理的有效應(yīng)力是土的浮容重產(chǎn)生的力在水平面積上的平均應(yīng)力，浮力按照阿基米德定律計(jì)算；新飽和土有效應(yīng)力原理[15]的有效應(yīng)力是土的浮容重產(chǎn)生的力在水平面積上的平均應(yīng)力，浮力是在阿基米德定律上的折減，折減到的系數(shù)與土的給水度有關(guān)。

2 筆者對李文的分析

（1）李文對所取的截面穿過顆粒的有效應(yīng)力進(jìn)行了分析，得出如下公式：

式（5）中：

P——飽和土總作用力；

P’——所有顆粒間接觸點(diǎn)傳遞的總豎向力；

A——水平截面總面積；

n——孔隙面積在總面積中的占比；

μ——孔隙水壓力。

但李先生認(rèn)為，“無論如何切割結(jié)果是一樣的，關(guān)鍵在于接觸面積可以忽略及‘有效應(yīng)力是顆粒間同方向的力被總面積除’。如果將顆粒斷面上的應(yīng)力‘μ+P′/A’定義為有效應(yīng)力，則會(huì)得到P′=0時(shí)σ′=μ的錯(cuò)誤理論”。

實(shí)際上，如果將“P′/A+(1-n)μ”（作用在土骨架上的平均應(yīng)力）認(rèn)為是有效應(yīng)力，那樣式（5）與新飽和土有效應(yīng)力原理式（2）就基本一樣了，只是n與m1的意義不同而已。如果將幾塊碎石放在太平洋11000m海溝中，這時(shí)碎石上承受的有效應(yīng)力是110MPa，碎石強(qiáng)度如果低于110MPa，將被孔隙水壓成碎石小顆料，這也證明孔隙水壓力可以是有效應(yīng)力。

（2）李文中對于飽和黏土的有效應(yīng)力原理進(jìn)行了分析，指出一些人認(rèn)為“結(jié)合水不能傳遞孔隙水壓力顯然是誤解。結(jié)合水分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水，一般認(rèn)為，弱結(jié)合水的下限是塑限含水率，上限是液限含水率……但是，對于弱結(jié)合水，沒有證據(jù)表明它在水動(dòng)力特性方面不同于自由水”。

大多數(shù)人對太沙基有效應(yīng)力原理提出質(zhì)疑，主要是飽和黏性土不符合水土壓力計(jì)算。李文上述內(nèi)容存在一定的問題，認(rèn)為弱結(jié)合水的下限是塑限含水率，上限是液限含水率，但弱結(jié)合水的多少直接決定了飽和黏土的強(qiáng)度，同時(shí)飽和黏土在受壓狀態(tài)下弱結(jié)合水是可以轉(zhuǎn)化為自由水的，當(dāng)飽和黏土所受壓力極大時(shí)，全部的弱結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水滲出，這實(shí)際上也是預(yù)壓固結(jié)的真實(shí)原因。

由于以上原因，在計(jì)算中，弱結(jié)合水不應(yīng)被計(jì)入孔隙水（自由水）范圍。因此，新飽和土有效應(yīng)力原理采用給水度參數(shù)計(jì)算截面孔隙水通道面積是合理的。

（3）李文中提到“有效應(yīng)力原理”與李杜文章“一樣是一顆樹，要撼倒它首先要解決其無數(shù)的主根及根系，包括太沙基一維滲流固結(jié)理論，比奧固結(jié)理論……”就像將“力學(xué)”從土力學(xué)抽出一樣，“土力學(xué)”將只剩下“土”了……

太沙基有效應(yīng)力原理確實(shí)在理論土力學(xué)中占有重要地位，但太沙基有效應(yīng)力原理是根，由根推導(dǎo)出其它理論，成為了一棵大樹。太沙基有效應(yīng)力原理被推翻，相關(guān)的理論都需要依據(jù)新理論重新推導(dǎo)。太沙基有效應(yīng)力原理是由試驗(yàn)觀察得出的，新飽和土有效應(yīng)力原理是由力的平衡原理推導(dǎo)出來的，因此，新飽和土有效應(yīng)力原理比太沙基有效應(yīng)力原理更“理論”一些，同時(shí)更能說明理論土力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支。

3 太沙基有效應(yīng)力原理被推翻的結(jié)果

J.K.Mitchell認(rèn)為太沙基關(guān)于飽和土體的有效應(yīng)力原理是土力學(xué)的“拱心石”[16]。經(jīng)典土力學(xué)中的太沙基一維滲流固結(jié)理論、比奧固結(jié)理論、土的排水與不排水強(qiáng)度及其指標(biāo)、滲透變形、地基的預(yù)壓滲流固結(jié)等許多課題，都是建立在有效應(yīng)力原理基礎(chǔ)上的。太沙基的有效應(yīng)力原理也是土力學(xué)能夠成為一門獨(dú)立的力學(xué)學(xué)科的標(biāo)志性理論[11]。因此，李先生認(rèn)為“如果推翻了有效應(yīng)力原理而不理會(huì)這些問題，那么土力學(xué)的大廈就傾覆了”。

太沙基對理論土力學(xué)的貢獻(xiàn)是毋庸置疑的，在太沙基有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上衍生了多個(gè)理論也是事實(shí)。但不能因此找各種理由來維持它的現(xiàn)狀，就像哥白尼提出“日心說”的三個(gè)觀點(diǎn)：（1）地球是球形的；（2）地球在運(yùn)動(dòng)；（3）太陽是不動(dòng)的，而且在宇宙中心，地球及其他行星繞太陽做圓周運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)在看來“日心說”中地球是球形的和太陽是不動(dòng)的、是宇宙中心都是錯(cuò)誤的，但沒有任何人質(zhì)疑哥白尼的貢獻(xiàn)。

如果新飽和土有效應(yīng)力原理正確，將在太沙基有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上衍生的多個(gè)理論直接由新飽和土有效應(yīng)力原理推導(dǎo)，將很快建立全新的理論土力學(xué)體系。太沙基有效應(yīng)力原理如果能夠被推翻，實(shí)際上是理論土力學(xué)的一大進(jìn)步。太沙基有效應(yīng)力原理的建立本身就是由試驗(yàn)觀察建立，無理論基礎(chǔ)，如果最終判定此原理是不正確的，實(shí)際上是太沙基犯了經(jīng)驗(yàn)主義的錯(cuò)誤。希望眾多學(xué)者以一個(gè)科學(xué)研究者的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度看待這個(gè)問題，判斷是通過試驗(yàn)觀察建立的太沙基有效應(yīng)力原理正確，還是由力的平衡原理推導(dǎo)出來的新飽和土有效應(yīng)力原理正確。

4 新飽和土有效應(yīng)力原理的更正

筆者[12-15]在以前論文中對新飽土有效應(yīng)力原理是這樣解釋的：“新飽和土有效應(yīng)力原理：σ1=σ1′+μ1。式中：σ1為平面上法向總應(yīng)力,kPa；σ1′為土骨架的豎直法向有效應(yīng)力（土骨架重力、土骨架所受水浮力和此水平面孔隙水壓力對土骨架切割面產(chǎn)生的豎直向下力的合力在平面上的平均應(yīng)力）,kPa；μ1為孔隙水壓力傳遞到平面上的豎直平均水應(yīng)力,kPa。”

通過一年多的研究，發(fā)現(xiàn)此解釋存在一定的問題，即土骨架所受作用力只有土骨架重力和土骨架浮力，只是土骨架浮力不能按阿基米德定律計(jì)算而已。因此，新飽和土有效應(yīng)力原理解釋更正如下：

新飽和土有效應(yīng)力原理：σ1=σ1′+μ1。式中：σ1為平面上法向總應(yīng)力,kPa；σ1′為土骨架的豎直法向有效應(yīng)力（土骨架重力和土骨架所受水浮力的合力在平面上的平均應(yīng)力）,kPa；μ1為孔隙水壓力作用在孔隙水通道面積上的力在平面上的豎直平均水應(yīng)力，kPa。

5 結(jié)論與展望

（1）太沙基有效應(yīng)力原理由試驗(yàn)觀察建立，無理論基礎(chǔ)；新飽和土有效應(yīng)力原理由力的平衡原理推導(dǎo)，有理論基礎(chǔ)。

（2）李文中截面切割顆粒推導(dǎo)出的有效應(yīng)力原理公式與新飽和土有效應(yīng)力原理公式相同，只是引入的參數(shù)有所不同。

（3）黏性土中的弱結(jié)合水不能傳遞靜水壓力，但可決定黏性土的強(qiáng)度，應(yīng)與土顆粒一起看作土骨架。黏性土在壓力作用下弱結(jié)合水可以轉(zhuǎn)化為自由水，此時(shí)將傳遞靜水壓力，應(yīng)看作孔隙水（自由水）。

（4）新飽和土有效應(yīng)力原理在正確的前提下是可以推翻太沙基有效應(yīng)力原理的，由太沙基有效應(yīng)力原理推導(dǎo)出來的相關(guān)理論，應(yīng)該由新飽和土有效應(yīng)力原理重新推導(dǎo)。新的理論將是理論土力學(xué)的一大進(jìn)步，使理論土力學(xué)更“理論”。

（5）有效應(yīng)力是土骨架作用力在截面上的平均應(yīng)力，土骨架作用力是土骨架重力和土骨架所受水浮力的合力。