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知識(shí)百科

論靜孔隙水壓力與超靜孔隙水壓力

時(shí)間:2022-03-04 19:29:52 點(diǎn)擊:2556次

作者:李廣信

     土力學(xué)中的孔隙水壓力是一個(gè)很重要的概念,也可以說(shuō)是土力學(xué)中的標(biāo)志性概念。但似乎并沒(méi)有被清晰地結(jié)界定與理解。

孔隙水壓力應(yīng)分為兩種還是三種,在不同的教材與專著中就有著不同的說(shuō)法。有的確定為靜孔壓與超靜孔壓兩種;有的則分為靜、超靜和滲流孔隙水壓力。靜孔隙水壓力常常被定義為“在靜止的地下水位以下土中的水壓力”;超靜孔隙水壓力被定義為“飽和土體中一點(diǎn)的孔隙水中超過(guò)靜水壓力的那一部分”;滲流孔隙水壓力則為“在滲流場(chǎng)中的水壓力”。又有人認(rèn)為除了“靜止的地下水位以下的孔壓”以外所都是超靜孔壓,所以將滲流孔壓也歸入超靜孔壓。

這些定義過(guò)于表觀、隨意,往往不適于復(fù)雜的情況。比如滲流孔壓,既有穩(wěn)定滲流情況,又滲流固結(jié)情況,不可一概而論。

實(shí)際上,不管何種孔隙水壓力其本質(zhì)都是相同的,都是通過(guò)土骨架中連通的孔隙水傳遞的壓力,它們都是一種孔隙水的勢(shì)能(壓力勢(shì))的體現(xiàn),都適用于有效應(yīng)力原理。那為什么要區(qū)分靜與超靜孔隙水壓力呢,這似乎源自于太沙基的飽和土體的滲流固結(jié)理論。在這個(gè)理論中,由于外部因素在土體中產(chǎn)生了一種孔隙水壓力,在有排水條件時(shí),它會(huì)消散,同時(shí)伴隨以土的體積變化,因而這種孔壓被稱之為“超靜孔隙水壓力”。

這樣,就應(yīng)定義靜孔隙水壓力為:不會(huì)引起土體體積變化的孔隙水壓力;超靜孔隙水壓力是土體有變化趨勢(shì)時(shí)而產(chǎn)生的孔隙水壓力”。  例如我們?cè)谝粋€(gè)土體上施加單向壓力p,如果土中沒(méi)有孔隙水,則它就會(huì)被壓縮,但如果土體是飽和、不排水的,孔隙水就會(huì)阻止土的壓縮,結(jié)果就產(chǎn)生了正的超靜孔壓u=p。但土體是有被壓縮的“趨勢(shì)”的。

這就把二者的主要區(qū)別界定了。因?yàn)槌o孔壓這一概念起源于滲流固結(jié)理論,它必將伴隨著土的固結(jié)變形。

超靜孔隙水壓力是由于外部作用或者邊界條件變化在土體中引起的,在有排水條件時(shí),它將逐漸消散,并在消散過(guò)程中伴隨土體的體積變化。

那么再看滲流中的孔隙水壓力。穩(wěn)定滲流場(chǎng)中土體中的孔隙水壓力應(yīng)屬于靜孔隙水壓力。“坐地日行八萬(wàn)里”,在不斷自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的地球上,我們?nèi)匀徽J(rèn)為很多東西是靜止的,在穩(wěn)定滲流場(chǎng)中的孔隙水壓力,不隨時(shí)間變化,這也是一種相對(duì)的靜止。所以可以定義為:靜孔隙水壓力包括:靜止的地下水以下土體中的孔隙水壓力和穩(wěn)定滲流場(chǎng)土體中的孔隙水壓力。因?yàn)榉€(wěn)定滲流場(chǎng)孔壓不變,有效應(yīng)力也不變,土體沒(méi)有體積變化的趨勢(shì),也就沒(méi)有超靜孔壓。

超靜孔隙水壓力的形成原因是多種多樣的。最經(jīng)常是由于外部荷載引起的;但是擾動(dòng)與觸碰(如飽和松砂與極靈敏性土)、振動(dòng)(如液化土)與循環(huán)荷載,土中地下水位的升降也都可以引起超靜孔壓,欠固結(jié)土的超靜孔壓是由于沉積時(shí)土體本身的自重引起的。所以說(shuō)是由于外部作用或者邊界條件變化”。

大范圍地下水位下降會(huì)引起大面積地面沉降,反之回灌可以使地面上升。所以地下水升降也會(huì)產(chǎn)生超靜孔隙水壓力。

圖片1.png


1所示的是地下水位變化的情況。如果假設(shè)地下水的升降是瞬時(shí)發(fā)生的,當(dāng)土的滲透系數(shù)很小時(shí),在這一瞬時(shí),土體的有效應(yīng)力和體積都未發(fā)生變化。

(a) 水位驟降                                  

在圖1(a)中,深度z處的M處下降前的靜孔隙水壓力為image.png,下降后,固結(jié)變形穩(wěn)定時(shí)的孔隙水壓力從image.png變?yōu)?/span>0,設(shè)其重度仍為image.png,則有效應(yīng)力增量image.png。而在下降后的瞬時(shí),靜孔隙水壓力為0。超靜孔隙水壓力等于降水前后有效應(yīng)力之差,即image.png,它會(huì)逐漸消散,同時(shí)土體被壓縮,地面發(fā)生沉降??梢?jiàn)下降后的瞬時(shí),image.png這部分孔壓由靜孔壓轉(zhuǎn)變?yōu)槌o孔壓。

(b) 水位上升

在圖1(b)中, M處上升前的靜和超靜孔隙水壓力都為0,有效應(yīng)力為image.png,image.png為天然重度;水位上升后,固結(jié)變形穩(wěn)定時(shí)的靜孔隙水壓力為image.png,超靜孔隙水壓力為0,有效應(yīng)力為image.png;而在水位上升z的瞬時(shí),總應(yīng)力image.png,有效應(yīng)力尚未變,仍為image.png,總孔壓為二者之差:image.png, 靜孔隙水壓力為image.png,超靜孔隙水壓力為變形穩(wěn)定后與水位上升前的有效應(yīng)力與之差,也等于總孔壓與靜孔壓之差:image.png,它是負(fù)值,其消散后使土體固結(jié)回彈。

如上所述,靜與超靜孔壓本質(zhì)上是沒(méi)有區(qū)別的,有時(shí)似乎也難以區(qū)分,并且二者也會(huì)相互轉(zhuǎn)化。例如地下水位升降,穩(wěn)定滲流邊界條件的變化變?yōu)椴环€(wěn)定滲流,都會(huì)使靜孔壓變?yōu)槌o抗壓。例如在不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)中,一直不打開(kāi)排水閥門,image.png,試樣的體積也一直不變,這似乎又像是靜孔壓。所以定義超靜孔image.png壓為由土的體變趨勢(shì)引起的孔隙水壓力”  被橡皮膜所包裹的土試樣,在施加圍壓后,它有體積收縮的趨勢(shì),但無(wú)法排水,也無(wú)法收縮,結(jié)果圍壓image.png變成了超靜孔壓u,有效應(yīng)力未變,這種體縮的趨勢(shì)未能變成事實(shí)。在不排水條件下施加偏差應(yīng)力image.png后,試樣如果有收縮的趨勢(shì),會(huì)生成正的超靜孔隙水壓力;在有膨脹(剪脹)的趨勢(shì)時(shí),會(huì)產(chǎn)生負(fù)的超靜孔隙水壓力。

有人問(wèn)我為什么試樣體縮趨勢(shì)會(huì)引起正孔壓,體脹趨勢(shì)會(huì)引起負(fù)抗壓。你可以假設(shè)你的口腔就是試樣膜,如果你要用吸管喝飲料,你的口腔一定是有一個(gè)膨脹的趨勢(shì),以使口內(nèi)的壓力小于大氣壓(即負(fù)壓),大氣壓就把飲料壓進(jìn)你的嘴里。如果你想把嘴里的水?dāng)D出去,則你要努力收縮口腔,形成正孔壓。

靜孔隙水壓力一般不會(huì)引起含水土體的失穩(wěn)。靜止的地下水以下的土只是重度減小了,而具有穩(wěn)定滲流的土體,既然已經(jīng)存在穩(wěn)定滲流,它就應(yīng)是穩(wěn)定的。

超靜孔隙水壓力則常常是事故與災(zāi)害的禍?zhǔn)?。在圖2(a)中,由于加載、振動(dòng)或者應(yīng)力循環(huán),超靜孔壓不斷積累,降低了土的有效應(yīng)力,使摩爾園向左移動(dòng),最終與包線相切而破壞。在圖(b)中,不排水三軸壓縮試驗(yàn)產(chǎn)生的超靜孔壓,使試樣的有效應(yīng)力路徑左移,造成了試樣的破壞。

TUPIAN2.png


太沙基提出有效應(yīng)力原理也主要是基于超靜孔隙水壓力。據(jù)說(shuō)是有一次太沙基雨天趕路,不留神滑了一跤。他想到牛頓被蘋(píng)果砸了一下而發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力的理論,而自己跌這一跤也要有所收獲。他坐在那里思考為什么在雨后的飽和黏土上快走會(huì)滑倒,而在干的黏土和飽和砂土上不會(huì)滑倒?結(jié)果發(fā)現(xiàn)鞋底很光滑,滑倒時(shí)地面的滑痕上有一層水膜。看來(lái)是地面不能提供足夠的摩擦力;他于是認(rèn)識(shí)到作用在飽和土體上的總應(yīng)力,由作用在土粒骨架上的有效應(yīng)力和作用在孔隙水上的孔隙水壓力兩部分組成。前者會(huì)產(chǎn)生摩擦力,提供人前進(jìn)所需要的反力;后者可承擔(dān)壓力,但不能提供抗剪阻力。人踏在飽和黏土上的瞬時(shí),總應(yīng)力轉(zhuǎn)化為孔隙水上的壓力,可稱為超靜孔隙水壓力,而黏土滲透系數(shù)又小,快行一步時(shí)間內(nèi)孔壓不會(huì)消散而轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力,因而人快步行走就會(huì)滑倒?;厝ヒ院笏土⒓窗l(fā)表了著名的“有效應(yīng)力原理”。

據(jù)說(shuō)主持過(guò)撰修《永樂(lè)大典》的明朝第一才子謝縉,年青時(shí)在雨后也摔了一跤,引起一群看到的農(nóng)夫哄堂大笑,于是他坐在那里吟詩(shī)一首曰:“春雨貴如油,如油滿街流,跌倒謝學(xué)士,喜作一群牛?!庇浀迷凇拔母铩睍r(shí)的五七干校,對(duì)貧下中農(nóng)一律要稱“老師”。如果敢罵貧下中農(nóng)是牛,是肯定要被批斗的。與太沙基相比,可以看到我國(guó)古代的文人的弱點(diǎn)。他們把心思用在吟詩(shī)上,而不去思考自然的規(guī)律。結(jié)果跌了一交,沒(méi)有收獲,還得罪了一群人。其實(shí)只要他認(rèn)真觀察與思考,就會(huì)發(fā)現(xiàn)為什么一群農(nóng)民都沒(méi)有跌倒呢?那是因?yàn)檗r(nóng)民穿的是草鞋,草鞋很粗糙,有很大的孔隙與通道,超靜孔壓很快就消散了,摩擦力必然更大。如果這樣,以謝縉的聰明,也許比太沙基早500年就提出了有效應(yīng)力原理。

在古代文人中,宋朝的沈括是很用心思考的,比如他理解月亮的形狀:“月本無(wú)光,猶銀丸,日耀之乃光耳。光之初生,日在其傍,故光側(cè)而所見(jiàn)才如勾。”在一千多年前,能夠認(rèn)為月光是陽(yáng)光的反射,月如鉤是圓球的側(cè)面投影。不知這是不是最早的天體模型。

俗話說(shuō)“三句話不離本行”,如果我們善于用土力學(xué)的概念去看待人、家庭、社會(huì)、國(guó)家與國(guó)際關(guān)系,則超靜孔隙水壓力有著更深刻和普遍的意義。

三國(guó)時(shí)期,杰出的知識(shí)分子是各路豪強(qiáng)爭(zhēng)奪的對(duì)象,而他們也都擇良木而棲,尋找有實(shí)力、有膽略和有發(fā)展前途的主子。但知識(shí)分子畢竟為儒家思想所浸潤(rùn)熏陶,也要顧及“忠孝節(jié)義”等儒家的行為準(zhǔn)則,社會(huì)和列強(qiáng)間也是如此。這樣就會(huì)看到那時(shí)的一些分裂的人格和行為矛盾的現(xiàn)象。譬如孫權(quán)給曹操去信勸曹“早正大位”,當(dāng)時(shí)曹操早已大權(quán)在握,“挾天子以令諸侯天子”,稱帝已是唾手可得,但曹操見(jiàn)信后大笑“是兒欲使吾居爐火上耶”,就是看透了孫權(quán)要使他成為眾矢之的計(jì)謀,所以他到死也未敢稱帝。

當(dāng)時(shí)魏國(guó)的司徒王朗隨軍出戰(zhàn)蜀國(guó)。在兩軍陣前他自信滿滿地?fù)P言“老夫自出,只用一席話,管教諸葛亮拱手而降?!碑?dāng)時(shí)的曹魏已經(jīng)篡奪了西漢而自稱帝,可是王朗竟把“識(shí)時(shí)務(wù)者為俊杰”這樣的私房話拿到明面上來(lái)勸降諸葛亮:“以禮來(lái)降,不失封侯之位”。只講功利,忘了禮儀,結(jié)果被諸葛亮抓住了小辮子。諸葛首先指出王郎在西漢時(shí)“舉孝廉入仕”,是漢朝的“大老元臣”;卻依附曹魏“同謀篡位,天地不容,天下之人,愿食汝肉”;隨后打出了劉備是漢室中山靖王之后的王牌,自己躋身正統(tǒng),匡扶炎漢,征討逆賊,使自己處于道德的制高點(diǎn)上。最后在兩軍陣前痛罵“皓首匹夫,蒼髯老賊”。結(jié)果這位長(zhǎng)期位列三公,已經(jīng)76歲的老臣羞愧憤怒,“氣滿胸膛,大叫一聲,撞死于馬下”。這是由于孔壓升高導(dǎo)致血壓升高,中風(fēng)而死了。

史書(shū)上講諸葛亮“氣死周瑜,罵死王郎”,他會(huì)把周瑜氣得發(fā)昏吐血,連叫數(shù)聲“既生瑜,何生亮?”而亡,可見(jiàn)是將其孔壓升高到了極點(diǎn)。

可是所謂“強(qiáng)中自有強(qiáng)中手”,在祁山諸葛打敗司馬懿,司馬閉關(guān)不出,諸葛亮派人送去了“巾幗婦人之衣”,信中寫(xiě)道“窟守兔巢,謹(jǐn)避刀箭,與婦人又何異哉”,如果是魯莽之徒必將會(huì)勃然大怒,孔壓升高,出來(lái)一決雌雄。但老奸巨滑的司馬懿佯笑曰“孔明視我為婦人耶”,收下了女人衣裳,并重賞來(lái)使。諸葛亮升孔壓的計(jì)謀失敗,很是郁悶,結(jié)果自己病死在五丈原。

最近我重讀《三國(guó)演義》,發(fā)現(xiàn)一部三國(guó),是一部管控超靜孔壓的史書(shū)。關(guān)羽敗走麥城,張飛被部下暗殺,劉備被火燒連營(yíng),都是沒(méi)有控制住驕氣、怒氣,孔壓上升,干了傻事,而三國(guó)人物中控制孔壓最好的不是諸葛亮而是司馬懿,魏帝曹睿死后,曹爽大權(quán)在握,司馬閉門不出,對(duì)曹爽派來(lái)的探聽(tīng)消息的人裝聾、裝傻、裝病,哽咽著講“吾今衰老病篤,死在旦夕矣” 。后來(lái)采取突然襲擊,奪取了曹魏的政權(quán),三國(guó)歸晉,一部三國(guó)也就結(jié)束了,司馬笑到了最后。看來(lái)一個(gè)合格的軍事家、政治家也應(yīng)是一個(gè)優(yōu)秀的土力學(xué)專家。

春秋時(shí),齊國(guó)的晏嬰也是制造孔壓的能手。“二桃殺三士”:用兩個(gè)桃子,巧妙地布局,利用魯莽之徒的脾氣和義氣,就殺死了三個(gè)驕橫的武士。

《西游記》中的豬八戒入贅在高老莊,其實(shí)夫妻感情不錯(cuò),又能勞動(dòng):“耕田耙地不用牛具,收割田禾,不用刀杖”??墒窃栏妇褪强床簧希骸笆沉坑执螅活D要吃三五斗米飯”,要孫悟空“除了根”,可見(jiàn)入贅女婿難當(dāng)。有一個(gè)案例,有一家招贅了一個(gè)上門女婿,人話不多,也很老實(shí)??墒侨叶伎床簧纤拮酉铀麤](méi)出息,沒(méi)能耐,并常常當(dāng)眾羞辱他,后來(lái)這個(gè)男人突然爆發(fā),殺妻滅門。沉默的山崗,變成奔騰翻滾沖決一切的泥石流,只需積累足夠大的超靜孔隙水壓力。刑法中有一“激情殺人”的說(shuō)法,其實(shí)就是瞬時(shí)超靜孔壓無(wú)法抑制而爆發(fā)。水滸中楊志賣刀,沒(méi)毛大蟲(chóng)牛二非要驗(yàn)證寶刀的“殺人不沾血”,殺雞也不行,這個(gè)無(wú)賴伸出脖子要楊志殺了他。由于丟了生辰綱本來(lái)就很郁悶的楊志揮刀就殺了這個(gè)無(wú)賴。這也是自作自受,惹起好漢的超靜孔壓而丟命的例子。其實(shí)在人際關(guān)系,在家庭與社會(huì)中,寬容、忍讓、尊重、溫柔、道歉與表?yè)P(yáng)都是消散與化解超靜孔壓的有效途徑。

在抗戰(zhàn)勝利后的一個(gè)階段,人民普遍將國(guó)民黨和蔣介石視為“正統(tǒng)”。1945年9月3日,蔣介石為紀(jì)念抗戰(zhàn)勝利而巡視重慶市街,在當(dāng)日的日記中,他這樣寫(xiě)道:“沿途民眾其發(fā)乎內(nèi)心之一種情緒,對(duì)余所表示敬慕愛(ài)戴之精神,狂歡熱烈,實(shí)非筆墨所能形容。”估計(jì)情況和“文化大革命”時(shí),紅衛(wèi)兵對(duì)毛的崇拜相似。 1945年抗日戰(zhàn)爭(zhēng)勝利,那時(shí)應(yīng)該是中國(guó)國(guó)民黨和蔣介石威望最高的時(shí)期,中國(guó)進(jìn)人聯(lián)合國(guó)“五強(qiáng)”,蔣介石的聲望達(dá)到頂點(diǎn),如果用一句中國(guó)成語(yǔ)來(lái)說(shuō)就是——“如日中天”。民眾盼望打敗日寇以后,能夠安居樂(lè)業(yè),建設(shè)富強(qiáng)的國(guó)家。

可是抗戰(zhàn)勝利后,國(guó)民黨的接收大員從重慶紛紛到南京、上海等“敵占區(qū)”,搞“五子登科”,分別搶:房子、車子、條子(金條)、票子(鈔票)、婊子(女人)。當(dāng)時(shí)有一首民謠:“想中央,盼中央、中央來(lái)了更遭殃?!痹谶@種系統(tǒng)性腐敗,普遍貪污的情況下,國(guó)民黨迅速喪失了民心。首先是農(nóng)民,蔣介石也曾提出來(lái)要實(shí)行“耕者有其田”,要在收復(fù)區(qū)學(xué)習(xí)共產(chǎn)黨的做法,可是地主們就群起反對(duì)。然后是民族資產(chǎn)階級(jí),抗戰(zhàn)勝利之后發(fā)展起來(lái)的外國(guó)資本和官僚資本,使中國(guó)民族企業(yè)被擠壓無(wú)法生存。被豪門把持著在的官僚資本,既得利益集團(tuán)壟斷了經(jīng)濟(jì)和資源。普通的市民與百姓受到欺壓與盤(pán)剝:中華民國(guó)萬(wàn)稅,惡性通貨膨脹。1948年上海的物價(jià)指數(shù)已漲到戰(zhàn)前的三百萬(wàn)倍,法幣已如廢紙。知識(shí)分子和青年學(xué)生對(duì)蔣介石的態(tài)度也經(jīng)歷了一個(gè)從擁護(hù)到不滿的變化過(guò)程。隨著經(jīng)濟(jì)狀況惡化及國(guó)民黨官僚腐敗的越演越烈,在各高校中,左傾思想逐漸傳播,輿論普遍憎惡國(guó)民黨貪污腐敗。

國(guó)民黨蔣介石的聲望從1945年的如日中天,到1949年狼狽地逃竄到臺(tái)灣只經(jīng)過(guò)4年。其根本原因就是社會(huì)、民眾中的超靜孔隙水壓力迅速積累,民怨沸騰,使圖2正的摩爾園最后與強(qiáng)度包線相切,于是“黨國(guó)”無(wú)可挽救地潰敗了。

現(xiàn)在我們強(qiáng)調(diào)“和諧”,就是要社會(huì)中不要產(chǎn)生過(guò)大的孔壓。一個(gè)具有系統(tǒng)性腐敗的專制社會(huì),必定會(huì)產(chǎn)生很大的貧富差距,法制也很難完善。在人群中集聚起的憤怨的爆發(fā)是很可怕的。消散社會(huì)的超靜孔壓就要有“出氣筒”,要有必要的機(jī)制,靠鎮(zhèn)壓,靠維穩(wěn),靠控制、遣送、羈押上訪人員就像關(guān)閉三軸試驗(yàn)中的排水閥門一樣,只會(huì)是超靜孔壓升高。前蘇聯(lián)的解體也是一種消散蘇共多年統(tǒng)治下孔壓的方式,但沒(méi)有發(fā)生種族沖突,沒(méi)有軍隊(duì)武裝鎮(zhèn)壓群眾,也沒(méi)有發(fā)展為內(nèi)戰(zhàn)還是萬(wàn)幸的。蘇聯(lián)解體以后的后冷戰(zhàn)時(shí)代,一個(gè)突出的特點(diǎn)就是民族主義、種族主義和教派沖突的加劇,其中孔隙水壓力集聚與增長(zhǎng)。這有著深厚的歷史根源:一些強(qiáng)勢(shì)集權(quán)統(tǒng)治的解體,使外部約束解除;大國(guó)集團(tuán)的利益驅(qū)使;統(tǒng)治者用民族主義轉(zhuǎn)移國(guó)內(nèi)矛盾;政客們的蠱惑等是重要原因。國(guó)家間也應(yīng)處理好孔壓的消散問(wèn)題,在美國(guó)的縱容下,日本右派政客們不反省,不道歉,使日中、日韓間孔壓在不斷積累;由于擊落俄國(guó)戰(zhàn)機(jī)而發(fā)生的俄土間的孔壓也有待釋放,而不是爆發(fā)。一個(gè)好的政治家就是會(huì)不斷地平衡、化解與消散社會(huì)與國(guó)家間的超靜孔壓。人類如果不善于化解超靜孔隙水壓力,輕者會(huì)毀滅自己,重者會(huì)毀滅人類。


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