水土壓力統(tǒng)一計算理論的提出和發(fā)展

王洪新

（上海城建市政工程（集團）有限公司，上海 200065）

1 引 言

為了證明水土合算的合理性，最好是把水土合算和分算統(tǒng)一在一個理論中，并且為半透水的黏質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土找到一個介于兩者之間的算法，為此，筆者提出了一個有自洽性的理論。出乎意料的是，該理論一發(fā)表就引起了較多反響[6]，使學術(shù)界開始重新思考水土分、合算問題。本文中，筆者回顧了該理論的提出過程，并且對其中幾個問題給出自己的意見供學術(shù)界參考。

2 水土壓力分算與合算的爭議

2.1 水土分算與合算爭議的由來

水土分算與合算的爭議由來已久，早期主要圍繞魏汝龍與陳愈炯的討論展開[7－8]，諸多巖土知名學者，包括沈珠江、李廣信、龔曉南等都參與了這次討論，使得該問題尤為引人關注，一些人甚至認為討論的結(jié)果已有定論。筆者認為，方玉樹與李廣信兩位教授關于此問題的討論[9－10]最能擊中要害與核心。下面先簡略描述一下他們爭論的具體問題。

基坑的圍護承受的主、被動土水壓力原則上應按式（1）計算：

式（3）采用三軸試驗的固結(jié)不排水剪強度指標，或者用直剪試驗的固結(jié)快剪強度指標，為國內(nèi)所謂的“水土分算”方法。顯然，這樣計算的土水壓力肯定會與實際監(jiān)測情況有出入。但總的說來，砂性土時采用上述方法基本符合監(jiān)測結(jié)果。對于黏土地層，按分算方法計算的主動土壓力偏大很多，被動區(qū)土壓力則偏小?；诠こ探?jīng)驗，黏性土地層多采用下式計算水土壓力：

所以，嚴格意義上的水土分算和合算應是式（1）或式（2）、（4），而國內(nèi)流行的水土分算和合算計算方法是式（3）、（5）。

盡管開挖引起的孔壓Δu難以準確地確定，但在砂土地層中Δu很快就消散了，所以式（2）計算的結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測比較接近。對于黏性土地層，工程界普遍基本接受水土合算，但學術(shù)界認為水土合算違背有效應力原理，而且會偏于不安全，但具體如何計算黏性土地層的水土壓力也有不同意見，大多學者堅持水土分算的學者建議應用式（3）計算。然而，在黏土地層基坑設計過程中工程經(jīng)驗普遍反映采用式（3）會造成圍護插入比過大和配筋率過高問題，而采用式（5）水土合算方法更接近工程實際。有學者認為，黏性土采用水土分算計算值偏大是因為沒有采用有效應力強度指標所致，如果采用了有效應力強度指標計算結(jié)果應該與合算結(jié)果接近。下面分析將說明這種說法并不合理。

上述分析表明，盡管看似違背有效應力原理，采用式（4）、（5）的水土合算方法計算黏性土的水土壓力，既方便又與工程實際接近，有其合理性。

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2.2 水土壓力統(tǒng)一計算方法提出的初衷

學者們對水土合算充滿異議并沒有妨礙其在實際工程設計中被廣泛應用。所以，在理論上為水土合算建立基礎就成為基坑設計與研究的一個重要任務。另外，上海地區(qū)往往存在非常厚的粉質(zhì)黏土和黏質(zhì)粉土層，這種土層以②3和③2為代表。土層有一定透水性，但黏性顆粒含量有時很高；土層埋深也較淺，在基坑設計時經(jīng)常遇到。如果承認砂土適用水土分算，黏土適用水土合算，那么，對于這類土層顯然應對應一個介于二者之間的算法。否則，遇到此類土層時一定要采用水土分算，這樣勢必會造成基坑設計時偏于保守。姚秦[11]提出了一個算法，對于介于砂土和黏土之間的土層用一個系數(shù)進行內(nèi)插以解決兩種算法間跳躍問題。筆者首先受到了這篇文章的啟發(fā)，試圖通過引入一個系數(shù)回避負孔壓計算問題，嘗試把水土分算與合算統(tǒng)一在一個理論框架中。遺憾的是，姚秦的內(nèi)插方法沒有物理意義。恰恰在這時，筆者讀到了方玉樹與李廣信在《巖土工程界》上發(fā)表的系列討論文章[9－10]，受到了兩位教授討論時所持觀點的啟發(fā)，提出了水土壓力統(tǒng)一計算方法。

3 土水壓力統(tǒng)一計算方法的初步形式

由于研究課題的差異，盡管參考了方玉樹的文章，筆者的理論與方玉樹教授理論有很大不同。為了避免出于誤解而產(chǎn)生的爭論，筆者沒有過多地糾纏于對機制的分析，而是直接處理基坑設計時圍護結(jié)構(gòu)上的荷載取值問題，該問題在基坑設計時有很大的實用價值。選擇有實用價值的問題一直是筆者的研究特色。經(jīng)過幾次嘗試，筆者用4篇論文[2,12－14]來論述土水壓力統(tǒng)一計算方法。

最早時，在地下與地表齊平情況下筆者給出的主、被動土水壓力計算結(jié)果：

引入內(nèi)插系數(shù)ξ是為了在ξ=0、1時分別過渡水土合算和分算狀態(tài)，但要實現(xiàn)真正的過渡，還必須實現(xiàn)在ξ=0、1時，讓土體強度分別為總應力強度和有效應力強度指標。這樣，還必須給出一個能夠在ξ從0～1變化時對土體強度進行內(nèi)插的公式。為此，必須把有效應力原理表述成

只要ξ從0過渡到1，式（6）就可以從水土合算連續(xù)過渡到水土分算。不過，筆者覺得統(tǒng)一強度的問題還沒有很好地解決，式（8）形式尚具備一定對稱性，式（9）因為強度指標中出現(xiàn)土體重度項使其顯得非常不協(xié)調(diào)。所以，在后來的文章中筆者仍建議采用式（8）。

4 關于ξ 物理含義的關鍵性工作及土水壓力統(tǒng)一計算方法的進一步形式

應用式（11）時，式（8）、（9）的統(tǒng)一強度指標要用面積量sξ替代式中的ξ計算。而最終的水土壓力計算需要采用2個獨立的參數(shù)vξ、sξ，而面積量sξ似乎應與起始水力梯度ib存在下面關系：

這樣，筆者的理論基本解決了方、李兩位教授討論時涉及的幾個焦點問題，比如，系數(shù)ξ是體積量還是面積量，ξ如何確定以及如果吸附孔隙水土顆粒距離非常遠時的力學表述等問題。

5 水土壓力統(tǒng)一計算理論誘發(fā)的思考

5.1 考慮土的吸附性對有效應力原理表述的影響

如果認為被土顆粒吸附水與自由水力學性質(zhì)不同，則一定暗含對有效應力原理表述的調(diào)整。在計算土的抗剪強度時，有效應力原理應被表述成：

這種對有效應力原理的調(diào)整是不言而喻的，因為如果假定吸附水的力學性質(zhì)與自由水不同，則吸附水可以看成是土顆粒的一部分。這樣，假想的土顆粒接觸方式與傳統(tǒng)土力學勢必不同，則本質(zhì)上有效應力原理無論從概念還是從計算結(jié)果上都被調(diào)整了。如果按方玉樹教授理論，只要針對有吸附性的土，由于把孔隙中可以自由流動水所占體積與孔隙水總體積之比定義為ξ，有效應力原理形式永遠是式（7）。這樣，對于有吸附性的黏性土，ξ永遠小于 1。那么，無論是孔隙比多大的黏性土有效應力都過渡不到傳統(tǒng)土力學形式，這一點也是方、李兩位教授討論的焦點問題之一。

5.2 有效應力原理調(diào)整對土力學體系的影響

在文獻[13]中，筆者提出了一種土水壓力統(tǒng)一計算理論的證明。通常證明是用若干看似合理的、簡單的公理證明一組看起來并不顯然的定理。而在傳統(tǒng)土力學中，有效應力原理類似歐幾里德幾何中的公理，公理是不能被證明的，但公理變化將意味著另一組可以自洽的定理。如果假設土中吸附水與自由水的力學性質(zhì)不同，有效應力原理形式勢必變化，是否應該思考一下相應的土力學表述會會有哪些變化？應該說，土中水問題是土力學的核心問題。不可能無限縮小至微觀世界去觀察和監(jiān)測土中水的狀態(tài)和變化，只能通過宏觀的可以測量的現(xiàn)象去推測和理解微觀世界。但是，宏觀現(xiàn)象中顯示黏性土確實與砂性土存在諸多區(qū)別，例如，黏性土的滲透性存在起始水力梯度、黏性土有塑性、黏性土的孔壓消散很慢、黏性土在可以用水土合算來計算基坑圍護結(jié)構(gòu)上的水土壓力，這些現(xiàn)象都與土中水有關，而黏性土與砂性土最大的不同之處就是黏土中有一部分孔隙水被土顆粒強烈吸附。如果假定這部分被強烈吸附的水與土顆粒共同作用，自由水受重力作用后對與吸附水共同作用的“土水顆粒共同體”產(chǎn)生浮力，如果吸附水彼此連通改變了有效應力原理形式，那么仿照歐幾里德幾何學一樣的公理化體系，將會推導出另一套土力學。這種土力學體系中有效應力原理、浮重度、滲流力及固結(jié)理論等與土中水有關的概念都與傳統(tǒng)土力學有區(qū)別[14]。如果一些結(jié)論能夠統(tǒng)一解釋一些現(xiàn)象，甚至能夠預言一些新現(xiàn)象，這樣的土力學體系也是值得研究的。應該指出的是，在文獻[9]中已經(jīng)有了上述理念的一些萌芽。

6 結(jié) 語

為解決基坑計算時圍護結(jié)構(gòu)上荷載取值的水土分算與合算的爭議，筆者提出了一個系統(tǒng)的水土壓力計算方法，試圖把水土合算與分算統(tǒng)一在一個理論框架中，以期找到一種半透水地層的水土壓力算法。應該指出的是，筆者提出的理論只是基于假設演繹的結(jié)果，目前，惟一能夠做到的是，依據(jù)該理論可以統(tǒng)一認識黏性土的塑限、滲透性、起始水力梯度及水土壓力合算。該理論看起來有一定的合理性，但系統(tǒng)的試驗工作沒有開展，如果系統(tǒng)的有說明力的試驗證據(jù)被提供，且可以重復的話，該理論確實對土力學發(fā)展是有意義的。如果這種情形果真發(fā)生，不應該忘記“方、李論戰(zhàn)”中兩位教授的貢獻。但是，如果該理論被試驗所證偽，則關于該算法的理論部分必須被拋棄，而該算法作為一個實用方法仍然可以被規(guī)范所采用。

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