谈太沙基有效应力原理

2021-11-26王国义

重庆建筑 2021年11期

王国义

（中电建成都建设投资有限公司，四川成都 610212）

0 引言

太沙基有效应力原理[1]自从提出以来，由于有效应力原理在黏性土方面的不适应性，越来越多的专家、学者对其正确性提出质疑，并提出自己的观点，希望能达到“水土分算”与“水土合算”的统一。王洪新[2]把土的孔隙比、界限含水量、颗粒分析等物理参量引入水土压力计算中，提出一个水压力比率，把有效应力强度指标和总应力强度指标统一在一个强度公式中，并且给出了一个“水土分算”和“水土合算”的算法，实现了两者结果之间的过渡。刘发前[3]提出对于单粒结构而言，“土压力”为土颗粒与所吸附结合水对地下结构物的作用，对于近似于絮状的结构，大部分流体水受到土颗粒的吸引，絮状结构的束缚无法形成流动水，有效土压力降低，水压力大打折扣，这就是黏性土中实测水土压力接近于“水土合算”的原因。方玉树[4]提出水压率的概念，在此基础上修正了孔隙水压力、浮力、浮重度等的计算方法。李大鹏等[5]通过引入折减系数，将适用于饱和砂土的狭义有效应力原理扩展到适用于饱和岩石等孔隙发育不充分介质的广义有效应力原理。在广义有效应力的基础上，以水土分算为基础，推导出了水土压力合算与分算的统一计算公式。吴小锋等[6]结合渗透系数的物理意义及试验数据，建立新物理参数水道率与渗透系数的拟合方程，给出了一个可以统一水土分算和合算的算法，实现了水土压力分算和合算结果之间的过渡。以上的专家、学者都认为太沙基有效应力原理不适合黏性土的计算，中和应力中需要对孔隙水压力进行折减才能与实际相符。而支持太沙基有效应力原理的专家、学者对太沙基有效应力原理提出质疑者进行了反驳，并坚持太沙基有效应力原理的正确性。李广信[7-11]对方玉树提出的水压率概念进行了反驳，并提出了自己的观点，坚持有效应力原理的正确性，但对于“水土合算”与太沙基有效应力不相符问题，认为还需进行研究与探讨。太沙基有效应力原理的质疑者提出的公式是根据经验得出的，无理论基础，而太沙基有效应力原理的支持者无法解释水土压力计算中黏性土不适合水土分算的现象。太沙基有效应力原理的质疑者和支持者都不能说服对方，导致争论不断。笔者[12-15]针对岩土水平截面的力平衡原理，通过引入给水度参数，推导出新饱和土有效应力原理公式，实现了水土压力的统一计算。

笔者对李广信（以下简称李先生）的《有效应力原理能够推翻吗》一文（以下简称李文）中的太沙基有效应力原理公式推导、饱和黏土的有效应力原理等内容进行分析，提出太沙基有效应力原理存在的问题，认为采用新饱和土有效应力原理解释更合理。同时，笔者提出如果太沙基有效应力原理被推翻，实际上是理论土力学的一大进步，也是在太沙基有效应力原理上的进步。

1 太沙基有效应力原理与新饱和土有效应力原理

1.1 太沙基有效应力原理

太沙基[1]在《理论土力学》一书中提出了有效应力原理，并对无凝聚性土和凝聚性土进行了分析。

太沙基通过试验观察建立了有效应力原理公式：

式（1）中：

σ——水平截面上的竖直总应力，kPa；

σ′——作用在土骨架上的力在水平截面上的竖直应力，kPa；

μw——孔隙水压力，kPa。

太沙基有效应力原理主要结论如下：一是孔隙水压力是中和应力，中和应力对土体的变形和强度无影响；二是土的有效应力等于总应力减去孔隙水压力；三是土的有效应力控制了土体的变形及强度；四是有效应力原理适用于砂土和黏土。

1.2 新饱和土有效应力原理

式（2）、式（3）、式（4）中：

σ1——水平截面上的竖直总应力，kPa；

σ1′——作用在土骨架上的力在水平截面上的竖直应力，kPa；

μ1——孔隙水压力在水平截面孔隙水通道面积产生的作用力的竖直平均水应力，kPa；

m——岩土给水度；

m1——中和应力系数。

新饱和土有效应力原理中的水应力（中和应力）是孔隙水压力在孔隙水通道面积上产生的作用力在水平截面上的平均水应力，土骨架应力（有效应力）是土骨架之间传递的竖向力（土的浮容重产生的力）在水平面积上的平均应力。

1.3 对比分析

太沙基有效应力原理是通过试验观察建立，不是理论推导出来的；新饱和土有效应力原理是通过水平截面的力或应力平衡原理推导出来的。

太沙基有效应力原理的有效应力是土的浮容重产生的力在水平面积上的平均应力，浮力按照阿基米德定律计算；新饱和土有效应力原理[15]的有效应力是土的浮容重产生的力在水平面积上的平均应力，浮力是在阿基米德定律上的折减，折减到的系数与土的给水度有关。

2 笔者对李文的分析

（1）李文对所取的截面穿过颗粒的有效应力进行了分析，得出如下公式：

式（5）中：

P——饱和土总作用力；

P’——所有颗粒间接触点传递的总竖向力；

A——水平截面总面积；

n——孔隙面积在总面积中的占比；

μ——孔隙水压力。

但李先生认为，“无论如何切割结果是一样的，关键在于接触面积可以忽略及‘有效应力是颗粒间同方向的力被总面积除’。如果将颗粒断面上的应力‘μ+P′/A’定义为有效应力，则会得到P′=0时σ′=μ的错误理论”。

实际上，如果将“P′/A+(1-n)μ”（作用在土骨架上的平均应力）认为是有效应力，那样式（5）与新饱和土有效应力原理式（2）就基本一样了，只是n与m1的意义不同而已。如果将几块碎石放在太平洋11000m海沟中，这时碎石上承受的有效应力是110MPa，碎石强度如果低于110MPa，将被孔隙水压成碎石小颗料，这也证明孔隙水压力可以是有效应力。

（2）李文中对于饱和黏土的有效应力原理进行了分析，指出一些人认为“结合水不能传递孔隙水压力显然是误解。结合水分为强结合水和弱结合水，一般认为，弱结合水的下限是塑限含水率，上限是液限含水率……但是，对于弱结合水，没有证据表明它在水动力特性方面不同于自由水”。

大多数人对太沙基有效应力原理提出质疑，主要是饱和黏性土不符合水土压力计算。李文上述内容存在一定的问题，认为弱结合水的下限是塑限含水率，上限是液限含水率，但弱结合水的多少直接决定了饱和黏土的强度，同时饱和黏土在受压状态下弱结合水是可以转化为自由水的，当饱和黏土所受压力极大时，全部的弱结合水转化为自由水渗出，这实际上也是预压固结的真实原因。

由于以上原因，在计算中，弱结合水不应被计入孔隙水（自由水）范围。因此，新饱和土有效应力原理采用给水度参数计算截面孔隙水通道面积是合理的。

（3）李文中提到“有效应力原理”与李杜文章“一样是一颗树，要撼倒它首先要解决其无数的主根及根系，包括太沙基一维渗流固结理论，比奥固结理论……”就像将“力学”从土力学抽出一样，“土力学”将只剩下“土”了……

太沙基有效应力原理确实在理论土力学中占有重要地位，但太沙基有效应力原理是根，由根推导出其它理论，成为了一棵大树。太沙基有效应力原理被推翻，相关的理论都需要依据新理论重新推导。太沙基有效应力原理是由试验观察得出的，新饱和土有效应力原理是由力的平衡原理推导出来的，因此，新饱和土有效应力原理比太沙基有效应力原理更“理论”一些，同时更能说明理论土力学是力学的一个分支。

3 太沙基有效应力原理被推翻的结果

J.K.Mitchell认为太沙基关于饱和土体的有效应力原理是土力学的“拱心石”[16]。经典土力学中的太沙基一维渗流固结理论、比奥固结理论、土的排水与不排水强度及其指标、渗透变形、地基的预压渗流固结等许多课题，都是建立在有效应力原理基础上的。太沙基的有效应力原理也是土力学能够成为一门独立的力学学科的标志性理论[11]。因此，李先生认为“如果推翻了有效应力原理而不理会这些问题，那么土力学的大厦就倾覆了”。

太沙基对理论土力学的贡献是毋庸置疑的，在太沙基有效应力原理的基础上衍生了多个理论也是事实。但不能因此找各种理由来维持它的现状，就像哥白尼提出“日心说”的三个观点：（1）地球是球形的；（2）地球在运动；（3）太阳是不动的，而且在宇宙中心，地球及其他行星绕太阳做圆周运动。现在看来“日心说”中地球是球形的和太阳是不动的、是宇宙中心都是错误的，但没有任何人质疑哥白尼的贡献。

如果新饱和土有效应力原理正确，将在太沙基有效应力原理的基础上衍生的多个理论直接由新饱和土有效应力原理推导，将很快建立全新的理论土力学体系。太沙基有效应力原理如果能够被推翻，实际上是理论土力学的一大进步。太沙基有效应力原理的建立本身就是由试验观察建立，无理论基础，如果最终判定此原理是不正确的，实际上是太沙基犯了经验主义的错误。希望众多学者以一个科学研究者的严谨态度看待这个问题，判断是通过试验观察建立的太沙基有效应力原理正确，还是由力的平衡原理推导出来的新饱和土有效应力原理正确。

4 新饱和土有效应力原理的更正

笔者[12-15]在以前论文中对新饱土有效应力原理是这样解释的：“新饱和土有效应力原理：σ1=σ1′+μ1。式中：σ1为平面上法向总应力,kPa；σ1′为土骨架的竖直法向有效应力（土骨架重力、土骨架所受水浮力和此水平面孔隙水压力对土骨架切割面产生的竖直向下力的合力在平面上的平均应力）,kPa；μ1为孔隙水压力传递到平面上的竖直平均水应力,kPa。”

通过一年多的研究，发现此解释存在一定的问题，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计算而已。因此，新饱和土有效应力原理解释更正如下：

新饱和土有效应力原理：σ1=σ1′+μ1。式中：σ1为平面上法向总应力,kPa；σ1′为土骨架的竖直法向有效应力（土骨架重力和土骨架所受水浮力的合力在平面上的平均应力）,kPa；μ1为孔隙水压力作用在孔隙水通道面积上的力在平面上的竖直平均水应力，kPa。