土力学中的渗透力与超静孔隙水压力_李广信_土力学孔隙比

岩土论坛

土力学中的渗透力与超静孔隙水压力

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李广信李学梅

2



1 渗透力

2008年10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2应当画成如 图122 的形式。其中为对该颗粒的渗透力为颗粒上 的浮力。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。

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1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时作用于静水下  物体上任一点的静水压力为如果基准面 1 选为陈文中讲零静水压的参考点可以是 任选的则物体上任一点的静水压力变为1 而按照陈文出现了超静水压12 在静水中竟然出现了超静水压 

〔收稿日期〕 20090108

力显然不对了。如果将参考点选在在

静水中还会出现负的静水压力这更不合常理。

问题在于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是该点相对于基准线的位置水头 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。

在《岩

土工程基 本术语标 准》50279

3

98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上的水压力并 不是用与自由水位0之差计算的而 是用通过该点的等势线的竖向投影计算的

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岩土论坛

 12 4

如果按照标准定义2。点的静水压力为 那么12是超静水压力吗

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。

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

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

4

过但仍不得要领。

也曾 经与许 多人 讨论 直同应力路径的循环变化都会引起土的体积收缩。相 是使作 者迷惘 的问 题 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。

文献3定义超静孔隙水压力为饱和土体中  一点的孔隙水中超过静水压力的那一部分。

1133

式1是超静孔压的公式从式这 1看 一定义至少存在两处漏洞。当时土并不 10 是饱和土时会产生负的超静孔隙水压 当0 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

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

23

剪应力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。

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

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 以归入静孔隙水压力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

对照陈文的图2和式31亦即土 体中静水压力为负值显然不确

陈文的式65、的体积积分的增量为线 增量

在其图2中并没有说明取的是微单元所

是不准确的。以文中 

参 考 文 献

1 陈津民土中 渗透力的 定义和论 证土工程 界2008岩

1122～2410

2 陈仲颐周景 星王洪 瑾土力 学北京清华 大学 出版

社1994

3 《岩土工程基本术语标准》5027998北京中国

计划出版社1998

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

岩土工程界2005814～177

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