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论静孔隙水压力与超静孔隙水压力

时间:2022-03-04 19:29:52 点击:1968次

作者:李广信

     土力学中的孔隙水压力是一个很重要的概念,也可以说是土力学中的标志性概念。但似乎并没有被清晰地结界定与理解。

孔隙水压力应分为两种还是三种,在不同的教材与专著中就有着不同的说法。有的确定为静孔压与超静孔压两种;有的则分为静、超静和渗流孔隙水压力。静孔隙水压力常常被定义为“在静止的地下水位以下土中的水压力”;超静孔隙水压力被定义为“饱和土体中一点的孔隙水中超过静水压力的那一部分”;渗流孔隙水压力则为“在渗流场中的水压力”。又有人认为除了“静止的地下水位以下的孔压”以外所都是超静孔压,所以将渗流孔压也归入超静孔压。

这些定义过于表观、随意,往往不适于复杂的情况。比如渗流孔压,既有稳定渗流情况,又渗流固结情况,不可一概而论。

实际上,不管何种孔隙水压力其本质都是相同的,都是通过土骨架中连通的孔隙水传递的压力,它们都是一种孔隙水的势能(压力势)的体现,都适用于有效应力原理。那为什么要区分静与超静孔隙水压力呢,这似乎源自于太沙基的饱和土体的渗流固结理论。在这个理论中,由于外部因素在土体中产生了一种孔隙水压力,在有排水条件时,它会消散,同时伴随以土的体积变化,因而这种孔压被称之为“超静孔隙水压力”。

这样,就应定义静孔隙水压力为:不会引起土体体积变化的孔隙水压力;超静孔隙水压力是土体有变化趋势时而产生的孔隙水压力”。  例如我们在一个土体上施加单向压力p,如果土中没有孔隙水,则它就会被压缩,但如果土体是饱和、不排水的,孔隙水就会阻止土的压缩,结果就产生了正的超静孔压u=p。但土体是有被压缩的“趋势”的。

这就把二者的主要区别界定了。因为超静孔压这一概念起源于渗流固结理论,它必将伴随着土的固结变形。

超静孔隙水压力是由于外部作用或者边界条件变化在土体中引起的,在有排水条件时,它将逐渐消散,并在消散过程中伴随土体的体积变化。

那么再看渗流中的孔隙水压力。稳定渗流场中土体中的孔隙水压力应属于静孔隙水压力。“坐地日行八万里”,在不断自转和公转的地球上,我们仍然认为很多东西是静止的,在稳定渗流场中的孔隙水压力,不随时间变化,这也是一种相对的静止。所以可以定义为:静孔隙水压力包括:静止的地下水以下土体中的孔隙水压力和稳定渗流场土体中的孔隙水压力。因为稳定渗流场孔压不变,有效应力也不变,土体没有体积变化的趋势,也就没有超静孔压。

超静孔隙水压力的形成原因是多种多样的。最经常是由于外部荷载引起的;但是扰动与触碰(如饱和松砂与极灵敏性土)、振动(如液化土)与循环荷载,土中地下水位的升降也都可以引起超静孔压,欠固结土的超静孔压是由于沉积时土体本身的自重引起的。所以说是由于外部作用或者边界条件变化”。

大范围地下水位下降会引起大面积地面沉降,反之回灌可以使地面上升。所以地下水升降也会产生超静孔隙水压力。

图片1.png


1所示的是地下水位变化的情况。如果假设地下水的升降是瞬时发生的,当土的渗透系数很小时,在这一瞬时,土体的有效应力和体积都未发生变化。

(a) 水位骤降                                  

在图1(a)中,深度z处的M处下降前的静孔隙水压力为image.png,下降后,固结变形稳定时的孔隙水压力从image.png变为0,设其重度仍为image.png,则有效应力增量image.png。而在下降后的瞬时,静孔隙水压力为0。超静孔隙水压力等于降水前后有效应力之差,即image.png,它会逐渐消散,同时土体被压缩,地面发生沉降。可见下降后的瞬时,image.png这部分孔压由静孔压转变为超静孔压。

(b) 水位上升

在图1(b)中, M处上升前的静和超静孔隙水压力都为0,有效应力为image.pngimage.png为天然重度;水位上升后,固结变形稳定时的静孔隙水压力为image.png,超静孔隙水压力为0,有效应力为image.png;而在水位上升z的瞬时,总应力image.png,有效应力尚未变,仍为image.png,总孔压为二者之差:image.png, 静孔隙水压力为image.png,超静孔隙水压力为变形稳定后与水位上升前的有效应力与之差,也等于总孔压与静孔压之差:image.png,它是负值,其消散后使土体固结回弹。

如上所述,静与超静孔压本质上是没有区别的,有时似乎也难以区分,并且二者也会相互转化。例如地下水位升降,稳定渗流边界条件的变化变为不稳定渗流,都会使静孔压变为超静抗压。例如在不固结不排水三轴试验中,一直不打开排水阀门,image.png,试样的体积也一直不变,这似乎又像是静孔压。所以定义超静孔image.png压为由土的体变趋势引起的孔隙水压力”  被橡皮膜所包裹的土试样,在施加围压后,它有体积收缩的趋势,但无法排水,也无法收缩,结果围压image.png变成了超静孔压u,有效应力未变,这种体缩的趋势未能变成事实。在不排水条件下施加偏差应力image.png后,试样如果有收缩的趋势,会生成正的超静孔隙水压力;在有膨胀(剪胀)的趋势时,会产生负的超静孔隙水压力。

有人问我为什么试样体缩趋势会引起正孔压,体胀趋势会引起负抗压。你可以假设你的口腔就是试样膜,如果你要用吸管喝饮料,你的口腔一定是有一个膨胀的趋势,以使口内的压力小于大气压(即负压),大气压就把饮料压进你的嘴里。如果你想把嘴里的水挤出去,则你要努力收缩口腔,形成正孔压。

静孔隙水压力一般不会引起含水土体的失稳。静止的地下水以下的土只是重度减小了,而具有稳定渗流的土体,既然已经存在稳定渗流,它就应是稳定的。

超静孔隙水压力则常常是事故与灾害的祸首。在图2(a)中,由于加载、振动或者应力循环,超静孔压不断积累,降低了土的有效应力,使摩尔园向左移动,最终与包线相切而破坏。在图(b)中,不排水三轴压缩试验产生的超静孔压,使试样的有效应力路径左移,造成了试样的破坏。

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太沙基提出有效应力原理也主要是基于超静孔隙水压力。据说是有一次太沙基雨天赶路,不留神滑了一跤。他想到牛顿被苹果砸了一下而发现了万有引力的理论,而自己跌这一跤也要有所收获。他坐在那里思考为什么在雨后的饱和黏土上快走会滑倒,而在干的黏土和饱和砂土上不会滑倒?结果发现鞋底很光滑,滑倒时地面的滑痕上有一层水膜。看来是地面不能提供足够的摩擦力;他于是认识到作用在饱和土体上的总应力,由作用在土粒骨架上的有效应力和作用在孔隙水上的孔隙水压力两部分组成。前者会产生摩擦力,提供人前进所需要的反力;后者可承担压力,但不能提供抗剪阻力。人踏在饱和黏土上的瞬时,总应力转化为孔隙水上的压力,可称为超静孔隙水压力,而黏土渗透系数又小,快行一步时间内孔压不会消散而转化为有效应力,因而人快步行走就会滑倒。回去以后他就立即发表了著名的“有效应力原理”。

据说主持过撰修《永乐大典》的明朝第一才子谢缙,年青时在雨后也摔了一跤,引起一群看到的农夫哄堂大笑,于是他坐在那里吟诗一首曰:“春雨贵如油,如油满街流,跌倒谢学士,喜作一群牛。”记得在“文革”时的五七干校,对贫下中农一律要称“老师”。如果敢骂贫下中农是牛,是肯定要被批斗的。与太沙基相比,可以看到我国古代的文人的弱点。他们把心思用在吟诗上,而不去思考自然的规律。结果跌了一交,没有收获,还得罪了一群人。其实只要他认真观察与思考,就会发现为什么一群农民都没有跌倒呢?那是因为农民穿的是草鞋,草鞋很粗糙,有很大的孔隙与通道,超静孔压很快就消散了,摩擦力必然更大。如果这样,以谢缙的聪明,也许比太沙基早500年就提出了有效应力原理。

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状:“月本无光,犹银丸,日耀之乃光耳。光之初生,日在其傍,故光侧而所见才如勾。”在一千多年前,能够认为月光是阳光的反射,月如钩是圆球的侧面投影。不知这是不是最早的天体模型。

俗话说“三句话不离本行”,如果我们善于用土力学的概念去看待人、家庭、社会、国家与国际关系,则超静孔隙水压力有着更深刻和普遍的意义。

三国时期,杰出的知识分子是各路豪强争夺的对象,而他们也都择良木而栖,寻找有实力、有胆略和有发展前途的主子。但知识分子毕竟为儒家思想所浸润熏陶,也要顾及“忠孝节义”等儒家的行为准则,社会和列强间也是如此。这样就会看到那时的一些分裂的人格和行为矛盾的现象。譬如孙权给曹操去信劝曹“早正大位”,当时曹操早已大权在握,“挟天子以令诸侯天子”,称帝已是唾手可得,但曹操见信后大笑“是儿欲使吾居炉火上耶”,就是看透了孙权要使他成为众矢之的计谋,所以他到死也未敢称帝。

当时魏国的司徒王朗随军出战蜀国。在两军阵前他自信满满地扬言“老夫自出,只用一席话,管教诸葛亮拱手而降。”当时的曹魏已经篡夺了西汉而自称帝,可是王朗竟把“识时务者为俊杰”这样的私房话拿到明面上来劝降诸葛亮:“以礼来降,不失封侯之位”。只讲功利,忘了礼仪,结果被诸葛亮抓住了小辫子。诸葛首先指出王郎在西汉时“举孝廉入仕”,是汉朝的“大老元臣”;却依附曹魏“同谋篡位,天地不容,天下之人,愿食汝肉”;随后打出了刘备是汉室中山靖王之后的王牌,自己跻身正统,匡扶炎汉,征讨逆贼,使自己处于道德的制高点上。最后在两军阵前痛骂“皓首匹夫,苍髯老贼”。结果这位长期位列三公,已经76岁的老臣羞愧愤怒,“气满胸膛,大叫一声,撞死于马下”。这是由于孔压升高导致血压升高,中风而死了。

史书上讲诸葛亮“气死周瑜,骂死王郎”,他会把周瑜气得发昏吐血,连叫数声“既生瑜,何生亮?”而亡,可见是将其孔压升高到了极点。

可是所谓“强中自有强中手”,在祁山诸葛打败司马懿,司马闭关不出,诸葛亮派人送去了“巾帼妇人之衣”,信中写道“窟守兔巢,谨避刀箭,与妇人又何异哉”,如果是鲁莽之徒必将会勃然大怒,孔压升高,出来一决雌雄。但老奸巨滑的司马懿佯笑曰“孔明视我为妇人耶”,收下了女人衣裳,并重赏来使。诸葛亮升孔压的计谋失败,很是郁闷,结果自己病死在五丈原。

最近我重读《三国演义》,发现一部三国,是一部管控超静孔压的史书。关羽败走麦城,张飞被部下暗杀,刘备被火烧连营,都是没有控制住骄气、怒气,孔压上升,干了傻事,而三国人物中控制孔压最好的不是诸葛亮而是司马懿,魏帝曹睿死后,曹爽大权在握,司马闭门不出,对曹爽派来的探听消息的人装聋、装傻、装病,哽咽着讲“吾今衰老病笃,死在旦夕矣” 。后来采取突然袭击,夺取了曹魏的政权,三国归晋,一部三国也就结束了,司马笑到了最后。看来一个合格的军事家、政治家也应是一个优秀的土力学专家。

春秋时,齐国的晏婴也是制造孔压的能手。“二桃杀三士”:用两个桃子,巧妙地布局,利用鲁莽之徒的脾气和义气,就杀死了三个骄横的武士。

《西游记》中的猪八戒入赘在高老庄,其实夫妻感情不错,又能劳动:“耕田耙地不用牛具,收割田禾,不用刀杖”。可是岳父就是看不上:“食量又大,一顿要吃三五斗米饭”,要孙悟空“除了根”,可见入赘女婿难当。有一个案例,有一家招赘了一个上门女婿,人话不多,也很老实。可是全家都看不上他,妻子嫌他没出息,没能耐,并常常当众羞辱他,后来这个男人突然爆发,杀妻灭门。沉默的山岗,变成奔腾翻滚冲决一切的泥石流,只需积累足够大的超静孔隙水压力。刑法中有一“激情杀人”的说法,其实就是瞬时超静孔压无法抑制而爆发。水浒中杨志卖刀,没毛大虫牛二非要验证宝刀的“杀人不沾血”,杀鸡也不行,这个无赖伸出脖子要杨志杀了他。由于丢了生辰纲本来就很郁闷的杨志挥刀就杀了这个无赖。这也是自作自受,惹起好汉的超静孔压而丢命的例子。其实在人际关系,在家庭与社会中,宽容、忍让、尊重、温柔、道歉与表扬都是消散与化解超静孔压的有效途径。

在抗战胜利后的一个阶段,人民普遍将国民党和蒋介石视为“正统”。1945年9月3日,蒋介石为纪念抗战胜利而巡视重庆市街,在当日的日记中,他这样写道:“沿途民众其发乎内心之一种情绪,对余所表示敬慕爱戴之精神,狂欢热烈,实非笔墨所能形容。”估计情况和“文化大革命”时,红卫兵对毛的崇拜相似。 1945年抗日战争胜利,那时应该是中国国民党和蒋介石威望最高的时期,中国进人联合国“五强”,蒋介石的声望达到顶点,如果用一句中国成语来说就是——“如日中天”。民众盼望打败日寇以后,能够安居乐业,建设富强的国家。

可是抗战胜利后,国民党的接收大员从重庆纷纷到南京、上海等“敌占区”,搞“五子登科”,分别抢:房子、车子、条子(金条)、票子(钞票)、婊子(女人)。当时有一首民谣:“想中央,盼中央、中央来了更遭殃。”在这种系统性腐败,普遍贪污的情况下,国民党迅速丧失了民心。首先是农民,蒋介石也曾提出来要实行“耕者有其田”,要在收复区学习共产党的做法,可是地主们就群起反对。然后是民族资产阶级,抗战胜利之后发展起来的外国资本和官僚资本,使中国民族企业被挤压无法生存。被豪门把持着在的官僚资本,既得利益集团垄断了经济和资源。普通的市民与百姓受到欺压与盘剥:中华民国万税,恶性通货膨胀。1948年上海的物价指数已涨到战前的三百万倍,法币已如废纸。知识分子和青年学生对蒋介石的态度也经历了一个从拥护到不满的变化过程。随着经济状况恶化及国民党官僚腐败的越演越烈,在各高校中,左倾思想逐渐传播,舆论普遍憎恶国民党贪污腐败。

国民党蒋介石的声望从1945年的如日中天,到1949年狼狈地逃窜到台湾只经过4年。其根本原因就是社会、民众中的超静孔隙水压力迅速积累,民怨沸腾,使图2正的摩尔园最后与强度包线相切,于是“党国”无可挽救地溃败了。

现在我们强调“和谐”,就是要社会中不要产生过大的孔压。一个具有系统性腐败的专制社会,必定会产生很大的贫富差距,法制也很难完善。在人群中集聚起的愤怨的爆发是很可怕的。消散社会的超静孔压就要有“出气筒”,要有必要的机制,靠镇压,靠维稳,靠控制、遣送、羁押上访人员就像关闭三轴试验中的排水阀门一样,只会是超静孔压升高。前苏联的解体也是一种消散苏共多年统治下孔压的方式,但没有发生种族冲突,没有军队武装镇压群众,也没有发展为内战还是万幸的。苏联解体以后的后冷战时代,一个突出的特点就是民族主义、种族主义和教派冲突的加剧,其中孔隙水压力集聚与增长。这有着深厚的历史根源:一些强势集权统治的解体,使外部约束解除;大国集团的利益驱使;统治者用民族主义转移国内矛盾;政客们的蛊惑等是重要原因。国家间也应处理好孔压的消散问题,在美国的纵容下,日本右派政客们不反省,不道歉,使日中、日韩间孔压在不断积累;由于击落俄国战机而发生的俄土间的孔压也有待释放,而不是爆发。一个好的政治家就是会不断地平衡、化解与消散社会与国家间的超静孔压。人类如果不善于化解超静孔隙水压力,轻者会毁灭自己,重者会毁灭人类。


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