蒙理明

(海南城安和興房屋安全鑒定有限公司,?？?570203)

用土力學(xué)的新概念揭開(kāi)非飽和土力學(xué)之謎

蒙理明

(海南城安和興房屋安全鑒定有限公司,?？?570203)

該文用土力學(xué)的新概念解答了有效應(yīng)力、吸力、經(jīng)典凝聚力、抗剪強(qiáng)度、土的壓縮變形及固結(jié)等等問(wèn)題。在抗剪極限狀態(tài),顆粒接觸點(diǎn)、結(jié)合水膜和表面張力收縮膜的對(duì)應(yīng)項(xiàng)是有效應(yīng)力。在絕對(duì)壓強(qiáng)下,再?zèng)]有負(fù)的土中自由水壓力之說(shuō)。非飽和土的吸力有4項(xiàng),包括顆粒摩擦或咬合、結(jié)合水膜、表面張力收縮膜、水氣不抵大氣壓強(qiáng)抗拉強(qiáng)度。經(jīng)典凝聚力等價(jià)于初始抗剪強(qiáng)度,有2項(xiàng),包括真凝聚力和初始摩擦抗剪強(qiáng)度。天然非飽和土的抗剪強(qiáng)度有4項(xiàng),包括膜、水氣不抵大氣壓強(qiáng)自重應(yīng)力、土自重應(yīng)力、附加重力的抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)。應(yīng)該用總應(yīng)力模式分析土的壓縮變形及固結(jié),非飽和土的本構(gòu)關(guān)系應(yīng)該是總應(yīng)力、水分與總應(yīng)變的關(guān)系。

吸力之謎; 結(jié)合水膜; 表面張力收縮膜; 真凝聚力; 初始摩擦抗剪強(qiáng)度; 總應(yīng)力模式

趙成剛等[1]指出,近些年非飽和土力學(xué)的研究非常活躍,但對(duì)一些基本問(wèn)題的認(rèn)識(shí)并不一致,有時(shí)甚至概念混淆。針對(duì)非飽和土力學(xué)的幾個(gè)基本問(wèn)題:非飽和土狀態(tài)變量的選擇、非飽和土有效應(yīng)力變量的選擇、吸力概念的界定和軸平移技術(shù)的局限性、非飽和土的結(jié)構(gòu)的表征方法等問(wèn)題進(jìn)行了分析和探討[1]。

筆者在2014年,由文獻(xiàn)[3-12]總結(jié),初步建立“非飽和土有效應(yīng)力的大氣張力公式與新概念土力學(xué)”的構(gòu)架[2]。要點(diǎn)有,應(yīng)該用有效應(yīng)力的概念代替經(jīng)典有效應(yīng)力原理,即有效應(yīng)力是土體中提供抗剪強(qiáng)度的點(diǎn)的集合所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力;非飽和土有五相;自由水和孔隙氣具有等效壓縮剛度(等效壓縮模量和等效壓縮系數(shù));有效應(yīng)力的實(shí)質(zhì)是自由水和孔隙氣沒(méi)有抗剪能力;大氣張力抗拉強(qiáng)度,揭示了非飽和土的“吸力”之謎;大氣張力庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度,展示了經(jīng)典凝聚力的全貌;應(yīng)該用絕對(duì)壓強(qiáng)論述土力學(xué)[2]。該文將在文獻(xiàn)[2-12]的基礎(chǔ)上,用上述土力學(xué)的新概念揭開(kāi)非飽和土力學(xué)之謎。

1 有效應(yīng)力的新概念與抗剪極限狀態(tài)的大氣張力公式

1.1 抗剪極限狀態(tài)的非飽和土有效應(yīng)力的大氣張力公式

筆者指出,圖1是非飽和土的中間帶的角部孔隙水的3種情況[2]。由角部向外,見(jiàn)圖1(a),粘土之間:結(jié)合水膜-角部毛細(xì)水-表面張力收縮膜-孔隙氣。沒(méi)有自由水時(shí),結(jié)合水膜-表面張力收縮膜-孔隙氣(未畫(huà)圖)。

見(jiàn)圖1(b),砂類(lèi)土之間:角部毛細(xì)水-表面張力收縮膜-孔隙氣。

見(jiàn)圖1(c),砂類(lèi)土與粘土之間:(砂)粉土顆粒與粘土顆粒結(jié)合水膜間被自由水隔開(kāi)-角部毛細(xì)水-表面張力收縮膜-孔隙氣。

還提出抗剪極限狀態(tài)非飽和土的有效應(yīng)力的大氣張力公式[10]

其中,σ為總應(yīng)力,σ′s為顆粒接觸有效應(yīng)力,σ′c為結(jié)合水膜有效應(yīng)力(結(jié)合水膜項(xiàng)還包括由碳酸鹽、石膏及包圍在顆粒外部的鹽類(lèi)薄膜[3]),σF為表面張力垂直分量貢獻(xiàn)有效應(yīng)力,X為飽和度系數(shù),Bu為非飽和土的自由水通道率,Uaw為計(jì)算點(diǎn)處絕對(duì)壓強(qiáng)下的自由水壓力,作用在同一平面的自由水上,按重力水、毛細(xì)水、角部毛細(xì)水的區(qū)別有不同的計(jì)算式[4],Ua為計(jì)算點(diǎn)處(絕對(duì))孔隙氣壓力,作用在同一平面的孔隙氣上。

1.2 有效應(yīng)力的新概念與問(wèn)題解答

對(duì)于式(1),問(wèn)題1:σ′c為什么是有效應(yīng)力之一,為什么要從孔隙水壓力中分出來(lái)?問(wèn)題2:σF遠(yuǎn)離顆粒接觸點(diǎn),為什么也是有效應(yīng)力之一?

筆者提出了“有效應(yīng)力是土體中提供抗剪強(qiáng)度的點(diǎn)的集合所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力”的新概念[9],可以解答上述問(wèn)題:在抗剪極限狀態(tài),絕對(duì)自由水壓力和絕對(duì)孔隙氣Ua作用處不提供抗剪強(qiáng)度,而顆粒接觸點(diǎn)的是法向壓力,其作用處切向提供由滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度,膜的和σF是法向拉力,其作用處切向直接提供真凝聚力,所以就是有效應(yīng)力[10]。由式(1)得非飽和土的有效應(yīng)力

見(jiàn)文獻(xiàn)[13]的第83-87頁(yè),對(duì)于將玻璃管插入水槽時(shí),玻璃管內(nèi)的毛細(xì)水柱:“在絕對(duì)壓強(qiáng)下,再?zèng)]有負(fù)孔隙水壓力之說(shuō)。毛細(xì)水柱在上升過(guò)程中始終作用著正的壓力。其上升的原因是由于表面張力的存在,使下表面的壓力＞上表面的壓力加上毛細(xì)水柱的重力,總的合力向上[13]?！币?jiàn)圖1,同樣可以說(shuō),角部毛細(xì)水:“在絕對(duì)壓強(qiáng)下,再?zèng)]有負(fù)自由水壓力之說(shuō)。角部毛細(xì)水上始終作用著正的壓力。但由于收縮膜的表面張力的存在,角部毛細(xì)水壓力總是小于土中孔隙氣壓力?！?/p>

這里應(yīng)該注意,角部孔隙水還包括結(jié)合水膜和表面張力收縮膜,在抗剪極限狀態(tài),他們傳遞拉力,是真的“負(fù)的”孔隙水壓力。

2 大氣張力抗拉強(qiáng)度,揭開(kāi)了非飽和土的“吸力”之謎

2.1 有趣的掛衣鉤問(wèn)題

見(jiàn)百度作業(yè)幫:有一種用塑料或橡皮制造的掛衣鉤,中間是一個(gè)空的“皮碗”,可以把它按在光滑的墻或玻璃上,在鉤上再掛上幾件衣服也不會(huì)掉下來(lái),這是因?yàn)?

A.墻對(duì)它有吸力B.玻璃對(duì)它有吸力C.衣釘對(duì)墻或玻璃有附著力D.大氣壓的作用

答案是D。這是由于按下“皮碗”,“皮碗”與墻或玻璃之間的空氣被排出,內(nèi)部沒(méi)有壓力,而“皮碗”外面被大氣壓強(qiáng)壓住,外部壓力大于于內(nèi)部壓力,所以“皮碗”緊貼著墻或玻璃不會(huì)掉下來(lái)。所以,通常說(shuō)“皮碗”被墻或玻璃吸住了,是上了大氣壓強(qiáng)的當(dāng)。

2.2 大氣張力抗拉強(qiáng)度與“吸力”之謎

筆者提出,忽略土自重,對(duì)應(yīng)直接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的大氣張力抗拉強(qiáng)度[5]

由式(3)和圖1,非飽和土的“吸力”是顯而易見(jiàn)的,共有4項(xiàng):第一項(xiàng)顆粒摩擦或咬合抗拉強(qiáng)度是摩擦力,第二項(xiàng)結(jié)合水膜抗拉強(qiáng)度,主要是粘粒電場(chǎng)中的極性水分子的正極與負(fù)極或極性水分子的負(fù)極與陽(yáng)離子相互吸引產(chǎn)生的吸引力;第三項(xiàng)表面張力收縮膜抗拉強(qiáng)度σF,是由于水氣交界面“張緊”的水分子之間相互吸引產(chǎn)生的吸引力;第四項(xiàng)是水氣不抵大氣壓強(qiáng)抗拉強(qiáng)度,見(jiàn)圖1,直接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的非飽和土樣通常是角部孔隙水土樣,通常Ua等于大氣壓強(qiáng),由于表面張力的存在小于大氣壓強(qiáng),且結(jié)合水膜和表面張力收縮膜占據(jù)了截面的部分面積,所以通常地面大氣壓強(qiáng)Pa大于,使土樣壓緊,形成假的“吸力”。

簡(jiǎn)言之,非飽和土的“吸力”有4項(xiàng),顆粒摩擦或咬合抗拉強(qiáng)度是摩擦力,不是真正的“吸力”,結(jié)合水膜和表面張力收縮膜抗拉強(qiáng)度是分子力,是真正的吸引力;而水氣不抵大氣壓強(qiáng)抗拉強(qiáng)度也不是真正的“吸力”,是壓力,是土體中自由水、孔隙氣的浮力(絕對(duì)壓力)不能全部抵消地面(或說(shuō)土樣外表面)大氣壓力所導(dǎo)致的壓緊土樣的力。

2.3 為什么粉質(zhì)粘土的抗拉強(qiáng)度(“吸力”)隨含水量的減小而增大

表1為某原狀黃土土樣的物理力學(xué)性質(zhì),駱亞生等[14]對(duì)其按一組不同含水量進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn),得到結(jié)論:原狀黃土的抗拉強(qiáng)度隨含水量的增大而減小,隨含水量的減小而增大[14]。為什么?按上述非飽和土的后3項(xiàng)“吸力”回答如下:

表1 某原狀黃土土樣的物理力學(xué)性質(zhì)

隨著含水量的減少,第二項(xiàng)結(jié)合水膜吸引力加大:兩個(gè)粘?；ハ鄡A倒及靠近,分子力的電場(chǎng)加強(qiáng),即強(qiáng)結(jié)合水接觸區(qū)加大和接近。第三項(xiàng)表面張力收縮膜吸引力加大:越多的小粉粒處自由水由飽和變?yōu)椴伙柡?增加了表面張力收縮膜的數(shù)量。第四項(xiàng)水氣不抵大氣壓強(qiáng)抗拉強(qiáng)度(假吸力)加大:表面張力收縮膜的數(shù)量增加,使角部毛細(xì)水的壓力減少,再加上強(qiáng)結(jié)合水膜的面積的增加,使土體內(nèi)部自由水和孔隙氣的作用面積減少,總的是土體中自由水、孔隙氣的浮力抵消土樣外表面大氣壓力的能力減弱。

應(yīng)該注意的是,粉質(zhì)粘土的抗拉強(qiáng)度隨含水量的減小而增大的現(xiàn)象并不是絕對(duì)的。事實(shí)上,含水量減少到塑限,粘粒之間的表面張力收縮膜會(huì)消失,因?yàn)槠鋬H存在強(qiáng)結(jié)合水;含水量減少到塑限以后,強(qiáng)結(jié)合水膜會(huì)不斷減少,抗拉強(qiáng)度(“吸力”)減少,直至土體開(kāi)裂。

2.4 經(jīng)典非飽和土力學(xué)的“吸力”之謎

張鵬程等[15]指出:基質(zhì)吸力表示土壤吸水的趨勢(shì),強(qiáng)調(diào)的是土顆粒與水之間的相互作用,并非土顆粒間的相互作用,與有效應(yīng)力概念的本質(zhì)不符,是Bishop和Fredlund強(qiáng)度理論中分別存在著物理意義不明確參數(shù)x和φb的根本原因;廣義吸力雖然考慮了結(jié)構(gòu)吸力的作用,但仍將基質(zhì)吸力作為有效應(yīng)力的一部分,使原本“實(shí)用、簡(jiǎn)化”的目標(biāo)更加復(fù)雜化;附加內(nèi)壓力將基質(zhì)吸力以及表面張力的作用進(jìn)行疊加,存在力作用大小上的重復(fù),同時(shí)未考慮結(jié)構(gòu)吸力的作用;張力吸力將表面張力沿兩土顆粒連線(xiàn)方向的分量——張力吸力和基質(zhì)吸力進(jìn)行疊加,一是仍將基質(zhì)吸力作為有效應(yīng)力的一部分,二是同樣未考慮結(jié)構(gòu)吸力的作用;粒間吸力(濕吸力和結(jié)構(gòu)吸力)考慮了因土體結(jié)構(gòu)性引起的結(jié)構(gòu)吸力作用,同時(shí)也考慮了氣液界面上收縮膜的效應(yīng)——濕吸力的作用,基于粒間吸力的非飽和土有效應(yīng)力及強(qiáng)度理論不僅符合有效應(yīng)力定義的本質(zhì),而且合理地解釋了非飽和土中諸如收縮膜張力的方向性、土中應(yīng)力概念的平均性、土體物理本質(zhì)的唯一性、隨含水率變化的連續(xù)性以及對(duì)不同類(lèi)型土的適應(yīng)性等眾多現(xiàn)象。因此,從粒間吸力的角度出發(fā)來(lái)研究非飽和土的有效應(yīng)力原理是正確、可行的[15]。

可見(jiàn),經(jīng)典非飽和土力學(xué)的“吸力”,有基質(zhì)吸力、廣義吸力、附加內(nèi)壓力、張力吸力、粒間吸力(濕吸力和結(jié)構(gòu)吸力)等等。相比大氣張力抗拉強(qiáng)度,顯得種類(lèi)多而互相矛盾、本質(zhì)不符、重復(fù)、缺項(xiàng)、甚至神秘。就拿粒間吸力與大氣張力抗拉強(qiáng)度的4項(xiàng)相比較,濕吸力就是表面張力收縮膜抗拉強(qiáng)度加上其效應(yīng),結(jié)構(gòu)吸力就是結(jié)合水膜加上顆粒摩擦或咬合抗拉強(qiáng)度,少了一項(xiàng)水氣不抵大氣壓強(qiáng)抗拉強(qiáng)度。這是由于經(jīng)典非飽和土力學(xué)用相對(duì)壓強(qiáng),而不是用絕對(duì)壓強(qiáng)來(lái)研究土力學(xué)造成的。可以說(shuō),經(jīng)典非飽和土力學(xué)的不妥之一,是上了大氣壓強(qiáng)的當(dāng),沒(méi)法弄清楚“吸力”的全部。還可以說(shuō),“吸力”是不齊全的有效應(yīng)力。

3 大氣張力庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度,展示了經(jīng)典凝聚力及抗剪強(qiáng)度的全貌

3.1 大氣張力庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度

筆者提出,對(duì)應(yīng)直接剪切試驗(yàn),初始抗剪強(qiáng)度[5]

其中:C0為真凝聚力,即結(jié)合水膜和表面張力收縮膜的凝聚力之和,Cσ0為初始摩擦抗剪強(qiáng)度,來(lái)源于斜向結(jié)合水膜抗拉強(qiáng)度、水氣不抵大氣壓強(qiáng)抗拉強(qiáng)度、斜向表面張力貢獻(xiàn)抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生的初始法向應(yīng)力。進(jìn)一步,提出大氣張力庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度公式[5]

其中,C為初始抗剪強(qiáng)度,包括真凝聚力和初始摩擦抗剪強(qiáng)度,σ為法向應(yīng)力,φ為內(nèi)摩擦角。

那么,大氣張力庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度公式與庫(kù)倫抗剪強(qiáng)度定律比較,有什么不同呢?

答案是:經(jīng)典凝聚力c變成了初始抗剪強(qiáng)度C,包括2部分:

1)真凝聚力C0為結(jié)合水膜和表面張力收縮膜直接提供的吸引力,基本等同于c。

2)初始摩擦抗剪強(qiáng)度Cσ0為結(jié)合水膜和表面張力收縮膜對(duì)土粒有捆綁作用,水氣不抵大氣壓強(qiáng)抗拉強(qiáng)度的存在,都在土粒接觸點(diǎn)處產(chǎn)生初始,所以有初始摩擦抗剪強(qiáng)度。

3.2 大氣張力庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度公式的Cm形式

筆者提出,當(dāng)求主動(dòng)土壓力時(shí),天然半無(wú)限土體處于抗剪極限強(qiáng)度狀態(tài)的情況如圖2所示,其中,膜指結(jié)合水膜加上表面張力收縮膜。定義膜的抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)[12]

膜對(duì)土粒有捆綁作用,在土粒接觸點(diǎn)處產(chǎn)生法向應(yīng)力,從而產(chǎn)生膜的摩擦抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)。圖2中,σ1是天然土豎向有效應(yīng)力,σ3是相應(yīng)的水平有效應(yīng)力。在實(shí)際工程中,應(yīng)根據(jù)具體試驗(yàn)得到的大氣張力庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度,先求出膜的抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)。例如,采用普通三軸儀,角部孔隙水土層,應(yīng)減去大氣作用和相對(duì)自由水壓力,剩下的就是膜的貢獻(xiàn),得:,而如果是飽和土層,僅應(yīng)減去大氣作用,得

求得Cm后,由圖2得,大氣張力庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度公式的Cm形式[12]為

那么,大氣張力庫(kù)倫抗剪強(qiáng)度,與具體試驗(yàn)方法有關(guān)系嗎?答案是有關(guān)系。參見(jiàn)文獻(xiàn)[12]的表1,當(dāng)角部孔隙水土層,做普通三軸儀剪切試驗(yàn),初始抗剪強(qiáng)度中C,已經(jīng)包括了結(jié)合水膜、表面張力收縮膜、水氣不抵大氣壓強(qiáng)自重應(yīng)力的因素,所以求膜的抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)Cm,就應(yīng)該減去而如果是飽和土層,取土后,土樣失去相對(duì)自由水壓力,土樣飽和水上只有大氣作用,其余同角部孔隙水土層,所以,求Cm應(yīng)該減去

還有,大氣張力郎肯土壓力、大氣張力庫(kù)倫土壓力、大氣張力土坡穩(wěn)定等等強(qiáng)度計(jì)算,應(yīng)該用什么抗剪強(qiáng)度公式?見(jiàn)圖2,很顯然,應(yīng)該用大氣張力庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度公式的Cm形式,即式(6)。

3.3 非飽和土抗剪強(qiáng)度的全貌

天然非飽和土抗剪強(qiáng)度由什么構(gòu)成?

見(jiàn)圖2和式(6),由大氣張力庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度公式的Cm形式可知,由4部分構(gòu)成:

1)膜的抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)Cm:膜指結(jié)合水膜和表面張力收縮膜,首先,膜直接提供凝聚力,其次,膜對(duì)土顆粒的捆綁作用,在土粒接觸點(diǎn)產(chǎn)生法向壓力,從而產(chǎn)生摩擦抗剪強(qiáng)度。

3)土自重應(yīng)力(Σrjhj)的抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn):土自重應(yīng)力(包括土中水和氣的重力),在土粒接觸點(diǎn)產(chǎn)生法向壓力,從而產(chǎn)生摩擦抗剪強(qiáng)度。

4)附加重力q的抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn):附加重力,在土粒接觸點(diǎn)產(chǎn)生法向壓力,從而產(chǎn)生摩擦抗剪強(qiáng)度。

3.4 種類(lèi)繁多的經(jīng)典非飽和土抗剪強(qiáng)度

張常光等[16]指出:1)單從非飽和土抗剪強(qiáng)度來(lái)看,Bishop有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度公式和Frediund雙應(yīng)力狀態(tài)變量抗剪強(qiáng)度公式的差別僅在于分別采用了有效應(yīng)力參數(shù)χ和角φb兩種不同的參數(shù)形式,但在力學(xué)意義上卻有著本質(zhì)的不同,前者屬于有效應(yīng)力公式,后者屬于雙應(yīng)力狀態(tài)變量公式。2)將非飽和土抗剪強(qiáng)度公式分為結(jié)合土-水特征曲線(xiàn)、數(shù)學(xué)擬合、分段函數(shù)、總應(yīng)力指標(biāo)及其他形式5類(lèi),由基質(zhì)吸力產(chǎn)生的吸附強(qiáng)度表達(dá)式的不同,導(dǎo)致了非飽和土抗剪強(qiáng)度公式的多樣性,這都是為了更好地表達(dá)非飽和土的強(qiáng)度非線(xiàn)性特征[]。

簡(jiǎn)言之,經(jīng)典非飽和土抗剪強(qiáng)度公式,是建立在經(jīng)典非飽和土力學(xué)的“吸力”之上的?！拔Α北旧矸N類(lèi)多而互相矛盾、本質(zhì)不符、重復(fù)、缺項(xiàng)、甚至神秘,也就決定了其抗剪強(qiáng)度公式是種類(lèi)繁多。而大氣張力庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度公式的Cm形式與其相比,唯一、真實(shí)、簡(jiǎn)潔、明確。

4 不要再用有效應(yīng)力或吸力去主導(dǎo)非飽和土的壓縮變形及固結(jié)

4.1 再論影響土的壓縮變形的是總應(yīng)力而不是僅取決于有效應(yīng)力

筆者指出:土顆粒先柔后剛,自由水先剛后柔,對(duì)立統(tǒng)一構(gòu)成飽和土總剛度,滲流固結(jié)完成實(shí)現(xiàn)土體更密實(shí)的飛躍?？紫稓狻⒆杂伤热挥袆偠?等效壓縮模量及等效壓縮系數(shù))就必然參與抵抗壓縮變形。由于太沙基一維固結(jié)理論,一開(kāi)始就設(shè)定了-d e/dσ′=ɑ,即有效應(yīng)力原理,所以造成了用常規(guī)的總應(yīng)力壓縮系數(shù)α代替超自由水壓力的等效壓縮系數(shù)ɑw的錯(cuò)誤[10]。還指出,總應(yīng)力壓縮模量與滲流水等效壓縮模量的曲線(xiàn)相似;有效應(yīng)力壓縮模量起加勁作用,而不是起決定性作用。土的壓縮變形計(jì)算中應(yīng)用有效應(yīng)力原理是錯(cuò)誤的[]。

4.2 經(jīng)典非飽和土的壓縮變形及固結(jié)計(jì)算,一開(kāi)始就有錯(cuò)

殷宗澤等[18]總結(jié)了非飽和土本構(gòu)模型當(dāng)前研究的新進(jìn)展,包括彈性模型、巴塞羅那模型的各種改進(jìn),其它形式包含吸力的應(yīng)力變量模型、膨脹土彈塑性模型、損傷力學(xué)模型、熱力學(xué)模型、浸水變形計(jì)算模型等。應(yīng)用非飽和土本構(gòu)模型計(jì)算土體的應(yīng)力和變形,一個(gè)重要問(wèn)題是確定吸力。吸力是變量之一,不管用有效應(yīng)力原理還是雙應(yīng)力變量方法,都須知道吸力。吸力的確定有3種方法:實(shí)測(cè)、滲流計(jì)算、固結(jié)計(jì)算[18]。

經(jīng)典非飽和土的壓縮變形及固結(jié)計(jì)算,一開(kāi)始就有錯(cuò)。由于影響土的壓縮變形的是總應(yīng)力而不是僅取決于有效應(yīng)力,所以,上述經(jīng)典非飽和土的壓縮變形模型,如同太沙基一維固結(jié)理論一樣,一開(kāi)始就應(yīng)用經(jīng)典有效應(yīng)力原理,或用吸力作為主要變量,都是錯(cuò)誤的?？梢哉f(shuō),經(jīng)典土力學(xué)的開(kāi)始常常是很不合理的。例如基質(zhì)吸力Ua-Uw=2Ts/R,來(lái)源于土壤學(xué),其原意是指土壤吸水的能力或趨勢(shì),即基質(zhì)勢(shì)[16],在圖1中就是收縮膜的表面張力。用收縮膜來(lái)代替整個(gè)a-a截面上還有結(jié)合水膜、自由水、孔隙氣的作用,肯定是錯(cuò)誤的。又例如,見(jiàn)文獻(xiàn)[19]的107-108頁(yè),太沙基的一維滲流固結(jié)理論。一次加載開(kāi)始的一瞬間,水來(lái)不及排出(壓縮模量無(wú)窮大),附加應(yīng)力全部由水承擔(dān);然后,水不斷排出(壓縮模量不斷變小),土體不斷壓縮,水承擔(dān)的附加應(yīng)力逐漸交給土骨架;最后,孔隙水壓力為零,附加應(yīng)力全部交給土骨架。但得出的結(jié)論卻是土的壓縮變形僅取決于有效應(yīng)力[18]。先是飽和土滲流固結(jié)的主角是孔隙水,但最后的結(jié)論滲流固結(jié)與孔隙水無(wú)關(guān),自相矛盾。

簡(jiǎn)言之,經(jīng)典非飽和土的壓縮變形及固結(jié)計(jì)算,一開(kāi)始就有錯(cuò)。拋開(kāi)簡(jiǎn)單的平衡方程,通過(guò)繁瑣的物理和數(shù)學(xué)手段,進(jìn)行求解。門(mén)檻似乎很高,但未必能解決實(shí)際問(wèn)題[3]。

4.3 應(yīng)該用總應(yīng)力模式分析土的壓縮變形及固結(jié)

殷宗澤等[18]指出,飽和土的變形主要受應(yīng)力影響,其本構(gòu)關(guān)系是指應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。非飽和土的變形除了受應(yīng)力影響外,還與土體中水分含量有關(guān),非飽和土的本構(gòu)關(guān)系是指應(yīng)力、水分與應(yīng)變的關(guān)系[18]。既然主導(dǎo)土的壓縮變形及固結(jié)的不是有效應(yīng)力而是總應(yīng)力,所以,飽和土的本構(gòu)關(guān)系應(yīng)該用總應(yīng)力-總應(yīng)變關(guān)系,非飽和土的本構(gòu)關(guān)系應(yīng)該是指總應(yīng)力、水分與總應(yīng)變的關(guān)系。另外,土的變形及固結(jié)常需要較長(zhǎng)時(shí)間,土力學(xué)問(wèn)題經(jīng)常是動(dòng)態(tài)的,所以,本構(gòu)關(guān)系經(jīng)常還應(yīng)包括時(shí)間因素。還有,自然界的溫度變化相差很大,對(duì)土中水及空氣的影響有時(shí)不可忽略,本構(gòu)關(guān)系有時(shí)還應(yīng)包括溫度因素。不管怎樣,總應(yīng)力與總應(yīng)變是常規(guī)試驗(yàn)容易實(shí)現(xiàn)的,用總應(yīng)力模式分析土的壓縮變形及固結(jié),不僅糾正了原來(lái)的錯(cuò)誤,還將加快土力學(xué)研究的速度。

5 結(jié) 論

該文用土力學(xué)的新概念解答了有效應(yīng)力、吸力、經(jīng)典凝聚力、抗剪強(qiáng)度、土的壓縮變形及固結(jié)等等問(wèn)題,得到以下結(jié)論:

a.在抗剪極限狀態(tài),由于顆粒接觸點(diǎn)提供摩擦和咬合抗剪強(qiáng)度、結(jié)合水膜和表面張力收縮膜直接提供凝聚力,所以其對(duì)應(yīng)項(xiàng)是有效應(yīng)力;而自由水和孔隙氣沒(méi)有抗剪強(qiáng)度,所以其對(duì)應(yīng)項(xiàng)不是有效應(yīng)力。在絕對(duì)壓強(qiáng)下,再?zèng)]有負(fù)的土中自由水壓力之說(shuō),但由于收縮膜的表面張力的存在,土中自由水壓力總是小于土中孔隙氣壓力。

b.非飽和土的“吸力”有4項(xiàng),顆粒摩擦或咬合抗拉強(qiáng)度是摩擦力,不是真正的“吸力”,結(jié)合水膜和表面張力收縮膜抗拉強(qiáng)度是真正的吸引力;而水氣不抵大氣壓強(qiáng)抗拉強(qiáng)度也不是真正的“吸力”,是土體中自由水、孔隙氣的浮力(絕對(duì)壓力)不能全部抵消地面(或說(shuō)土樣外表面)大氣壓力所導(dǎo)致的壓緊土樣的力。

c.經(jīng)典凝聚力等價(jià)于初始抗剪強(qiáng)度,包括2部分:真凝聚力——結(jié)合水膜和表面張力收縮膜直接提供的吸引力;初始摩擦抗剪強(qiáng)度——結(jié)合水膜和表面張力收縮膜對(duì)土粒有捆綁作用,水氣不抵大氣壓強(qiáng)抗拉強(qiáng)度的存在,都在土粒接觸點(diǎn)處產(chǎn)生初始法向應(yīng)力,從而產(chǎn)生初始摩擦抗剪強(qiáng)度。

d.天然非飽和土抗剪強(qiáng)度由4部分構(gòu)成:膜、水氣不抵大氣壓強(qiáng)自重應(yīng)力、土自重應(yīng)力、附加重力的抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)。

e.應(yīng)該用總應(yīng)力模式分析土的壓縮變形及固結(jié)。飽和土的本構(gòu)關(guān)系應(yīng)該用總應(yīng)力-總應(yīng)變關(guān)系,非飽和土的本構(gòu)關(guān)系應(yīng)該是總應(yīng)力、水分與總應(yīng)變的關(guān)系。

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Disclose the Mystery of Unsaturated Soil Mechanics With New Concept of Soil Mechanics

MENG Li-ming
(Hainan Cheng An He Xing Building Safety Appraisal Co,Ltd,Haikou 570203,China)

This paper answers effective stress,suction and the classic cohesion,shear strength,compressive deformation and consolidation of soil,and so on with new concept of soil mechanics.In shear limit state,corresponding item of the particle contact point,combined water film and the surface tension contraction film is the effective stress. Under the absolute pressure,and there is no free water in the soil of negative pressure.The unsaturated soil suction has four,including particle friction or occlusion,combined water film,surface tension contraction film,water and gas do not cover the atmospheric pressure tensile strength.Classic cohesion is equivalent to the initial shear strength,there are 2 items,Including true cohesion and initial friction shear strength.Natural unsaturated soil shear strength has 4 items,Including film,water and gas do not cover the atmospheric pressure gravity stress,earth gravity stress,additional gravity to the shear strength.The total stress pattern should be used to analysis compression deformation and consolidation of soil.And unsaturated soil constitutive relation should be the relationship among total stress,moisture and total strain.

the mystery of the suction; combined water film; surface tension contraction film; true cohesion; total stress pattern

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.016

2015-08-10.

蒙理明(1955-),教授級(jí)高工.E-mail:66229258mlm@163.com