關于土壓力計算的若干問題討論

陳國楨（2020 年 5 月 12 日）

                     

1.巖土工程中的數學計算問題

在地質學中，數學計算的理論，方法和模型一直是十分艱難的事情。

據說，恩格斯不承認地質學是一門科學。就是因為地質學中的很多問題不能用數學的語言來解釋，或者說不能有效的建立一種數學模型解決地質學問題。和其他自然科學的發展一樣，經過人類工業化幾百年來的發展。大部分學科都有極大的發展，地質學也得到了極大的發展和進步，地質學中的運用數學方法解決問題和建立數學模型的努力始終沒有停步。

地質學細分到巖土工程分支，我們如何認識巖土工程中的數學理論問題呢？首先，我們認為數學可以解決巖土工程的許多問題，沒有數學計算就沒有巖土工程。

運用數學解決巖土工程的意義是：根據巖土工程的基本理論，運用現代數學方法解決巖土工程中的定量或半定量問題。

比如

分析土的性質問題，就是運用物理力學原理，

通過儀器對土的顆粒組成進行定名；

通過定量分析確定土的壓縮性、滲透性；

通過數學計算確定土的承載力和地基基礎強度等；

這些就是數學在巖土工程中的完美運用。誰說這些不科學呢？巖土工程中應用數學計算出來的結果，成為設計的依據。

數學計算是一組嚴格的數值，可以精確到毫米。但是這些數據的運用不是絕對嚴格的，在施工中的應用有時會產生一些偏差。

這些偏差產生的原因是：第一為原始數據采集中的偏差；其次是是計算條件設置的限定，但最根本的還是自然界地質情況的復雜性所致。

由此可以這樣的理解：巖土工程中的數值計算是定量的部分，巖土工程數值的應用是定性的部分，這是一種組合運用的工作方法。

                     

2.土壓力計算的基本意義

土的有效應力原理是土力學理論中最重要的概念之一，無論是研究土的強度或變形，有效應力的概念總是貫穿始終的。

土的組成與其他物質那種連續固體材料有著顯著的不同?？梢哉f有效應力原理的提出和應用闡明了碎散顆粒材料與連續固體材料在應力關系上的重大區別，是使土力學成為一門獨立學科的重要標志。

有效應力原理的基本概念：一般處于地下水水位以下的土層或土中的含水量超過土能夠容納的程度即為和狀，飽和土是由固體顆粒構成的骨架和充滿其間的水組成的兩相體，受外力后由兩種應力形式承擔:一種是粒間應力受力由土骨架承擔，由顆粒之間的接觸傳遞；另一種是孔隙水壓力：受力由孔隙水承擔，由連通的孔隙水傳遞。有效應力原理要點：飽和土。

太沙基首次將有效應力原理內容歸納為兩點：飽和土體內任一平面上受到的總應力可分為有效應力和孔隙水壓力兩部分。這樣就明確了土的變形（壓縮）與強度的變化都取決于有效應力的變化。

首先，我們承認太沙基計算法是經典土力學方法。也是一種用數學計算土壓力的方法。在實際運用中產生的兩種結果。砂性土比較符合實際，粘性土與實際有不符的。造成這種差異的原因是土的結構不同，簡單地說，自然界的土層基本上都含水，粘性土中的水是水和土結合在一起的，砂性土水是各自分開的。這種狀態用統一公式計算，當然會產生計算結果不一樣。所以水土分開計算也好，水土分開也好都是一種計算方法問題。不是錯與對的問題。簡單的說：土的有效應力等于總應力減去孔隙水壓力；土的有效應力控制了土的變形。

地基土破壞形式有三種：即整體剪切破壞（一般發生在密實砂土中）、局部剪切破壞（一般發生在中等密砂中）和刺入破壞（一般發生在松砂中）。

太沙基關于飽和土的有效應力原理及基于有效應力原理的固結理論很好地解釋了海洋粘土受壓后長時間緩慢沉降及強度逐漸增長的內在原因及規律。自從太沙基明確了孔隙水壓力和有效應力的概念之后，才使土力學對許多自然界復雜現象的研究得以深入。并發展成為獨立的學科。大量的實踐已證明了有效應力原理的正確性。

水土壓力計算問題主要爭議是：水土分算符合有效應力原理，但是僅在砂性土時與現場實測接近；粘性土采用水土合算與實測較為接近，但相當于對水壓力進行了折減，不符合有效應力原理。許多學者對此進行了解釋。實際上，水土分算與合算存在許多問題沒有解決。

在基坑穩定性和變形計算時，往往水土分算不能通過，但合算后可以達到規范要求。具體地說就是粘性土和砂性可以分開計算，但是對于混合土層就困難了。像砂和粘土的夾層，介于水土分算和水土合算之間的算法。要么把這類土分算使結果過于保守，要么合算使結果偏于不安全。對于這類透水性并不是很強的土，計算時應如何建立與土層性質有關的算法？ 

有學者提出建立一個系數值，把土的孔隙比、界限含水量、顆粒分析等物理力學參數引入到土水壓力計算。確定土顆粒物理指標計算 ξ，就要把土中的水和土作為一個整體的物質形態，構造一套計算體系統一水土分算與合算 2 種算法?？梢圆捎谜承酝恋乃芟?p w 和塑性指數 p I 來估算 0w 。一般認為塑限 p w 就是土中弱結合水含水量的上限，所以獲得一種較為簡便的近似算法。

根據土體顆粒分析成果近似估算出 ξ 值，建立介于砂性土與黏性土之間土的過渡算法。這是以界限含水量為基礎估算 ξ 值的思路；另外，通過土體滲透系數試驗確定 ξ。土體黏粒成分越多，吸附水就越多，土中吸附水占據的比例就越大，滲透系數與孔隙比關系曲線向 e 軸正向平移量就越大。土的滲透系數與孔隙比直接相關，孔隙比越大土的滲透系數越大。

                     

3.對水土壓力計算的再認識及建議

（1）土壓力計算的本質問題

水土壓力計算說到底就是巖土工程的數學模型如何建立和運用問題。 

水土壓力計算是一種方法的問題，水土分算與合算不是錯與對的問題。數學模型是為工程目標服務的，地質情況越復雜，模型的適應性就越局限。對土水二相結構，σ =σ′+μ，肯定正確。但分算或合算要看土層里水土關系，還要區分原始的或改造過的。

先說原始的地層。重要的不是孔隙中水的分布，而是孔隙的連通性，實驗室測量的是滲透率。如果滲透率很高，水應力會與土應力相當，自然可以合算，可能算水應力更方便。如果滲透率極低，也不需要分算，把μ看成近似于 0 就行。

還有一種情況是兩者差別不大，合算的誤差在可接受范圍之內。關鍵是當水應力的影響不可忽視又與土層應力差別較大時，分算可能更正確。還有土層里的水可分為結合水（包括結晶水和絡合水）、束縛水和自由水。結合水是土層不可分割的一部分，束縛水是困在不連通孔隙里的水，在原始狀態下，都按土層應力算，沒有影響。自由水是可流動的，其應力傳遞與滲透率相關。土層的不均一性是另一個問題。

總之，考慮問題越細，模型就越復雜，通用性也越差。太沙基數學公式具有廣泛的通用性，因此這個模型就是理想型、標準型的。當你把它運用到局部的、具體的某一個點上，也許就是非標準的地層狀況，計算的結果就會有差異。對這種差異要認識到它是正常的，而不是公式錯誤造成的。這也是一個對巖土工程的認識問題。再說施工中地層的被破壞被改造問題，如盾構作業，可以看做是完全重組，礦山坑道影響就小。這時，要根據計算范圍內土層結構的變化選擇合適的模型?？梢哉f是專用的了，沒有可比性。

（2）個人建議：

1）王國義和蔣宗全兩位專家寫的《太沙基有效應力原理理論分析與水土壓力分算、合算的統一計算》一文，內容很好，對經典問題的思考非常認真，是一篇很好的文章。這種認真研究問題的態度和工作精神非?？少F。（以下簡稱（太沙基文））

2）（太沙基文）將建立一種數學公式解決水土壓力計算問題，歸根到底還是一個合算問題。因此不建議提推翻太沙基理論。

3）（太沙基文）推導一種新的計算方法，最好在實際工地進行試驗，并且選擇有典型意義的巖土地層進行驗證，取得有效的數據進行統計，使文章的論點得到工程實踐案例支撐。

完

以上都是一家之言，留言區才是主場。

你有什么看法？歡迎留言回復探討。