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1、萋 主 壬 堡 一 兰 一 舅 ! 土力学 中的渗 透 力与超静 孔 隙水压 力 李广信 ， 李学梅 ( 1 清华大学水利水电工程系， 北京1 0 0 0 8 4 ； 2 北京市第三建筑工程有限公司， 北京1 0 0 0 4 4 ) 1 渗透力 2 0 0 8年 1 0期陈津 民先生的“ 土中渗透力的定义 和论证” 1 一文( 以下简称“ 陈文” ) 所指的渗透力不 只是水流对土颗粒的切向作用力 ， 也包括其对颗粒的 部分法向水压力 ， 是正确的， 在概念上也是很重要的。 这样 ， 文献 2 中的图 22 2应 当画成如 图 1 的形式 。其 中 ，为对该颗粒 的渗透力 ， 为颗粒上 的浮力。
2、由于沿渗流方 向的水压力减小 ， 渗透力包 括 了水的法 向压力在渗流方向的分力之差和切向拖 曳力在渗流方向的分力。而浮力等于颗粒表面对应 于位置水头的水压力合力 ( 也就是颗粒所排除那部 分水 的重量) 。 _ 三 水流 方 向 图 1 渗透力示意图 这样 ， 渗透力是水作用于土骨架上的推动力和 拖曳力 ， 其反作用力是土骨架对于渗透水流的阻力。 2 静 孔隙水压 力 在陈文 中， 将法向水压力分解为两部分 ： 静水压 与超静水压 ， 其 中静水压产生浮力 ， 并且定义静水压 为 ： = z ， 其中 是相对于某一基准线( 陈文称为 “ 零静水压 的参考点” ) 的竖向距离 。从陈文 的图
3、2 看 ， 作者显然是将位置水头 ( 或者重力势) 与压力水 头( 或者压力势 ) 混淆 了。 图 2中， 当基准面选为 00时 ， 作用于静水下 物体A上任一点的静水压力为 = ， ； 如果基准面 选为 0 一 0 ( 陈文中讲“ 零静水压的参考点” 可以是 “ 任选” 的) ， 则物体A上任一点的静水压力变为 = z ， 而按照陈文 ， 出现了超静水压 u = = ( h+ z )一 z = h ， 在静水中竟然出现了超静水压 收稿 日期 2 0 0 9一 O l一 0 8 力 ， 显然不对了。如果将参考点选在 0 一0 以下， 在 静水中还会出现负的“ 静水压力” ， 这更不合常理。 问
4、题在于 ， 在复杂的水力条件下 ， 不存在 ， 也难 以确定一个统 一的“ 零静水压 的参 考点” 。图 2中 的 一 是该点相对于 00基 准线的位置水头 ， 一 是其重力势。所以在前文 中笔者讲 ： “ 浮力的数 值等 于颗 粒表 面 对应 于 位 置水 头 的水 压 力 的 合 力 ” ， 或者说是对应于重力势的水压力合力。在图 2 中的静水中， 由于重力势 +压力势 =常数 ， 所以也可 以说浮力等于作用于物体上各点 的( 静 ) 压力势 的合 力 。但是这在有渗流的条件下就不合适了( 见图3 ) 。 一 图2 静水压力与“ 参考点” 无关 图3 沿坡稳定渗流情况下点A的水压力 在 岩
5、 土工程 基本术语 标准( G B T 5 0 2 7 9 9 8 ) 中， 孔隙水压力被定义为： “ 土体中某点孔隙 水承受 的压力 ” ， 这是 可以接受 的。而静水 压力则 被定义为 ： “ 给定点 与 自由水位差引起的压力 ” ， 这 就不是很准确了， 与陈文 中的定义有相似之处 。但 陈文中注意到“ 有渗流时 ， “=0 ( 亦 即 自由水位 ) 的 点不在同一水平面上” ， 因而“ 只有任选一个作为零 静水压的参考点” 。如上所述 ， 这也是错误的。 图3 表示的是一个有沿坡渗流的无限土坡， 它没 有一个水平的“ 自由水位” ， 作用于点 A上的水压力并 不是用与自由水位( = 0
6、 ) 之差 A B计算的 “= h ， 而 是用通过该点的等势线 A C的竖向投影 A D计算的 = GEOTECHNI CAL ENGI NEERl NG W ORLD V o 1 1 2 No 4 h c o s 2 c 。如果按照“ 标准” 定义 l 点 的静水压力为 Y h ， 那么 A u =( 1 一c o s 2 a ) Y w h是超静水压力吗? 3 超静 孔隙水压 力 关于静孔隙水压力与超静孔隙水压力的定义一 直是使 作者迷 惘 的问题l 4 J ， 也 曾经与许 多人讨 论 过， 但仍不得要领。 文献 3 定义超静孑 L 隙水压力为 ： “ 饱和土体 中 一点的孔隙水中超过
7、静水压力的那一部分 。 ” t u=B A o - 3+A A( o r 1一or 3 ) ( 1 ) 式( 1 )是超静孔压的 S k e mp t o n公式， 从式( 1 ) 看， 这 一定义至少存 在两处漏洞。当 B1 0时 ， 土并不 是 “ 饱和” 土 ； 当A 0时， 会产生负的超静孔隙水压 力， 它就不是“ 超过” 而是“ 低于” 静水压力的部分。 笔者定义静孔 隙水 压力与超静孔 隙水 压力如 下， 并与同行们切磋 ： ( 1 )静孔隙水压力是“ 由水的 自重产生的孔 隙 水压力” ， 这样 ， 图 2 、 3表示 的情况都可 以归入静孔 隙水压力。亦即包括 了静水和一般渗流
8、的情况。 ( 2 )超静孔隙水压力可 以定义为“ 由土的变形 趋势引起的孔隙水压力” ， 亦 即土体本应发生应变 ， 但由于排水受阻 ， 土 中产生孔隙水压力 ， 使作用于土 骨架上的有效应力发生变化 ， 从而限制其变形。可 以有如下情况 ： ( a )土 中的压缩应力引起的超静孔隙水压力 在各向等压应力和一侧 限压缩应力条件下 ， 土 骨架有压缩 的趋势 ， 但在饱和土不排水条件下 ， 由于 土颗粒和孔 隙水均不可压缩 ， 整个土体的体积不变 ， 土骨架上有效应力不能变化 ， 增加 的总应力全部转 变为超静孔隙水压力， 亦即 ： t u=A p= t o - 3 ( 2 ) ( b )剪应力
9、引起的超静孔隙水压 如果剪应力会引起土骨架 的剪缩 ， 在不排水饱 和土体中， 由于不允许总体积收缩 ， 只有产生正的超 静孔隙水压力 ， 以减少有效应力 ， 从而保持土体的体 积不变 ； 在剪胀 的情况下 ， 会产生负的超静孔隙水压 力 ， 增加有效应力 ， 强迫土的体积不胀。 ( c )饱和细松砂 的振动液化 在干砂和充分排水时 ， 振动会使松砂 的颗粒在 自重作用下跌落 到更 “ 稳定 ” 的位置 ， 从 而体积 收 缩。在饱和松砂中， 砂的体缩必定伴随孔隙水的排 出， 由于水的粘滞性 ， 土 中水无法在振动 的瞬时排出 而实现体缩 ， 这就需要产生正孔压 ， 使砂粒无法靠 自 1 2
10、重下沉。因而正超静孔隙水压力要平衡土骨架的自 重( 浮容重) ， 使砂土颗粒处于悬浮状态。 ( d )在各种循环荷载下 试验表明， 在排水条件下 ， 不同应力路径上单调 的应力增减 、 主应力方向周期变化 、 平面上沿着不 同应力路径的循环变化都会引起土的体积收缩 。相 应的 ， 在不排水条件下则引起正的超静孔隙水压力。 在饱和度较高 的非饱和土情况下土的变形趋势 也会引起与上述情况类似的超静孔隙水压力。 由于超静孔隙水压力是 由土的变形趋势引起 的， 所以它常常会伴随着土的渗流固结 ， 如果充分排 水 ， 最后土体还是会发生应有的全部变形 ， 亦即完成 主固结。所以与超静孔隙水压力有关的问题
11、常常需 要 固结理论与土的应力应变数学模型耦合来解决。 静孔隙水压力及其变化也会 引起土 的变形 ， 但这种 变形常被忽略， 也不涉及渗流固结理论。 4 结语 静与超静两种孔 隙水压力 在本质上是相同的， 它们都可用通过该点 的测管水 头来衡量 ， 在有限元 计算中也常常不加 区别 。 孔隙水压力与所选 的基准面( 参考点 ) 无关 ， 与 基准面有关的只是位置水头( 或者重力势) 。 本文给出 的静与超静两种孔 隙水压力定义表 明， 静止地下水中和一般渗流 中的孔 隙水压力都可 以归人静孔隙水压力 ； 产生渗流 固结的水压力为超 静孔隙水压力。 另外 ， 对陈文还有一些不解 ： ( a )对
12、照陈文的图 2和式 ( 3 ) ， = z ， 亦即土 体中静水压力为负值 ， 显然不确 ； ( b )陈文的式( 5 ) 、 ( 6 ) 的体积积分 的增量为线 增量 出， d r ； ( c )在其 图2中， 并没有说明取 的是微单元 ， 所 以文中 ： 二 是不准确的。 dZ L 参考文献 1 陈津民土 中渗 透力的定义 和论证 J 岩土工程 界 ， 2 0 0 8 ， 1 1 fl O)： 2 22 4 2 陈仲颐 ， 周 景星 ， 王洪瑾土力学 M 北 京 ： 清华 大学 出版 社 1 9 9 4 3 岩土工程基本术语标准 ( GB T 5 0 2 7 9 9 8 ) s 北京 ： 中国 计划出版社 1 9 9 8 4 李广信土体 、 土骨架 、 土中应力及其他 ， 兼与陈津民先生讨论 J 岩 土工程界 ， 2 0 0 5， 8 ( 7 ) ： 1 41 7
