对《论土骨架与渗透力》一文的理解与体会

张 良

(朔州市水资办，山西 朔州 036000)

对《论土骨架与渗透力》一文的理解与体会

张 良

(朔州市水资办，山西 朔州 036000)

主要从土力学与渗透力两方面，对《论土骨架与渗透力》一文作了分析，指出三相化学作用下土体孔隙度及土骨架的变化、流体在岩土特性的形成过程中的作用不容忽视，渗透力的计算应以相应的典型体元为研究对象。

土力学，渗透力，典型体元，水力坡度，孔隙度

0 引言

《岩土工程学报》2016年第8期刊登了李广信教授的《论土骨架与渗透力》(以下简称原文)一文。像先生的其他诸多文章一样，在坚持其亦庄亦谐、生动形象的写作风格下，总能给人以新奇亮丽、独树一帜的感觉，好似宋代刘子翚笔下明媚秀丽的南溪，常使人“一步一回顾”。不仅充满了“传道、授业、解惑”的玉壶之心，又每每能给人以“作者未必然，读者何必不然”的启迪。该文对土骨架与土颗粒的关系及渗透力的机理进行了形象生动的论述；强调了土骨架在土力学研究中的重要作用；对渗透力的计算进行了别具一格的推导。并认为土力学就是研究土骨架的力学性质及其影响因素的学科。然而，这样的定义中将土骨架与液相、气相分割开来，似乎仅将液、气相作为土骨架的影响因素而有所不妥；其关于渗透力的计算及个别结论也存在商榷之处。

1 土力学的定义

1.1 现行标准及部分教材中的观点

原文认为：土力学是研究土骨架的力学性质及其影响因素的学科。土骨架是由土颗粒相互接触与联接形成的可以承担与传递有效应力的构架体，其孔隙中充满了孔隙流体(液态或气态)；结合水、毛细水与自由水，一般不列入土骨架，而是与土骨架相互作用的流体，会影响土骨架的力学性质。并倾向于将所有固体颗粒都计入土骨架之中[1]。

GB/T 50279—2014岩土工程基本术语标准认为：土力学是研究土的物理力学性质及土体在荷载、水和温度等因素作用下力学行为的应用学科。渗流力是水流流经土孔隙时，作用于土骨架上的体积力。土骨架是土中固体颗粒构成的格架[2]。陈仲颐等认为：土力学就是利用力学的基本知识辅之以描述碎散体特性的理论所建立的一门学科，是岩土力学的重要组成部分，用以研究土的应力、变形、强度和稳定以及与此有关的工程问题[3]。因此，土力学的定义中应以土体整体为研究对象，内容包括环境安全及工程性状状态下土体中的应力、应变、渗流、强度、稳定等。

1.2 土三相化学作用下孔隙度的变化及其他

孔隙度的变化不仅仅源于上覆应力的变化、物理状态的改变，也受胶结作用、矿物之间的交代作用及重结晶作用等影响而降低；反之，也可以因为颗粒和胶结物的溶解而增加。交代作用导致了一种矿物被另一种矿物替代；重结晶作用导致晶体大小和形状的改变，常常会影响到颗粒大小的改变；溶解作用是一个在特定环境条件下将最可溶矿物去除掉的选择性过程。这种现象在黄土的湿陷变形中常常出现。显然，岩土是由静止相和流动相共同组成的。“静止”即岩土本身的固体部分；“流动”即填充于岩土内部的流体部分。这是一个长期的“穿流系统”，其中的流体在地质时间尺度上持续的被更替。

如上所述，孔隙度、土骨架不是一成不变的，其中的胶结物有时构成于土骨架，有时存在于液相中。基于此，仅将土骨架的力学性质明确作为土力学的研究对象似乎不够完善，割裂了固相、液相和气相所组成的土的有机整体。结合水特别是强结合水，无论是否列入土骨架，只要条件许可，它总会吸附于土颗粒表面，似乎并不完全仅是与土骨架相互作用的流体，也会影响土骨架的力学性质，是自由水影响土骨架力学性质时的过渡带。

2 渗透力的计算

土颗粒对水的渗透力的反作用力Ji原文计算如下：

水的渗透力原文计算如下：

原文认为：由于∑Vsi=Vs，亦即单位体积土体中的全部颗粒固体的体积。 在单位体积土体中，∑Vsi/(1-n)=1.0，则：

j=γwi。

2.1 关于研究单元

地下水动力学中为便于研究，用一种假想水流来代替真实的地下水流。假想水流所占据的空间区域称为渗流区或渗流场(见图1)。显然，渗流区包括空隙和岩石颗粒所占据的全部空间。这一设想的实现，建立在典型体元的概念基础之上。

以孔隙率为例说明如下。假设P是孔隙介质中一微单元，以P为形心取一体积V，则根据孔隙率n的定义有：

其中，VV为V中的孔隙体积。该式表明，若P点位于固体颗粒中心或孔隙中时，并在各自相应的体积条件下，势必会出现孔隙率等于0或1的状况。显然，过小的研究单元不能合理反映土体的孔隙率，亦即不能以单个土颗粒为研究对象来分析土的孔隙率、渗透力等。

当V取至某个体积时，孔隙率趋于某一平衡值n，此时的V称为典型体元(REV)，记为V0(如图2所示)，即典型体元下的孔隙率较为合理的反映了土体相应的物性特征[4]。因此，若不考虑典型体元，而以土骨架中的单一颗粒为研究对象时，孔隙度是个变化的量，渗流也可能处于紊流状态，原文公式求和计算中“1-n”并不能作为常数项提取出来，从而不能继续进行推导。

2.2 关于水力坡度

微观状态下，渗流处于紊流状态，渗流流速为矢量，原文中的单个颗粒的渗透力方向，并不一定与达西状态下渗流流速方向一致，亦即渗流中水力坡度下降的方向并不能说明所有土骨架颗粒所受到的渗透力方向都与之一致，因此水力坡度同样不能在求和计算中提取出来。

各向同性与否是指岩层透水性和水流方向的关系；均质与否是指岩层透水性和空间坐标的关系。在非均质、各向同性的土体中，并不能说明土体中渗流的水力坡度为常数。同样也不能从公式中将之提取出来。

3 其他

原文图13中Ji表示渗透力及其作用方向，而原文图14却表示了颗粒对水的渗透力的反作用力，虽然两者大小相同，但方向相反，似乎区别表示为好；此外，原文以上两式将作用力与反作用力混淆在一起。

4 结语

虽然土力学中土骨架是很重要的概念之一，但流体在岩土特性的形成过程中的作用有时更为重要，且国家标准等已有明确的定义，因此，仅特别明确土骨架为其研究对象的土力学定义略失偏颇。渗流各向同性的土体中，并不一定意味着岩土均质，渗流的水力梯度并不为常量；微观状态下，渗透力的计算不符合渗流连续性原理。渗透力的计算应该以相应的典型体元为研究对象。

[1] 李广信.论土骨架与渗透力[J].岩土工程学报，2016,38(8)：1522-1528.

[2]GB/T50279—2014，岩土工程基本术语标准[S].

[3] 陈仲颐,周景星,王洪瑾.土力学[M].北京：清华大学出版社，1994.

[4] 陈崇希.地下水动力学[M].第5版.北京：地质出版社，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

张 良(1964- )，男，工程师

TU431

A