王洪新

（上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海 200065）

1 引 言

為了證明水土合算的合理性，最好是把水土合算和分算統(tǒng)一在一個(gè)理論中，并且為半透水的黏質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土找到一個(gè)介于兩者之間的算法，為此，筆者提出了一個(gè)有自洽性的理論。出乎意料的是，該理論一發(fā)表就引起了較多反響[6]，使學(xué)術(shù)界開(kāi)始重新思考水土分、合算問(wèn)題。本文中，筆者回顧了該理論的提出過(guò)程，并且對(duì)其中幾個(gè)問(wèn)題給出自己的意見(jiàn)供學(xué)術(shù)界參考。

2 水土壓力分算與合算的爭(zhēng)議

2.1 水土分算與合算爭(zhēng)議的由來(lái)

水土分算與合算的爭(zhēng)議由來(lái)已久，早期主要圍繞魏汝龍與陳愈炯的討論展開(kāi)[7－8]，諸多巖土知名學(xué)者，包括沈珠江、李廣信、龔曉南等都參與了這次討論，使得該問(wèn)題尤為引人關(guān)注，一些人甚至認(rèn)為討論的結(jié)果已有定論。筆者認(rèn)為，方玉樹(shù)與李廣信兩位教授關(guān)于此問(wèn)題的討論[9－10]最能擊中要害與核心。下面先簡(jiǎn)略描述一下他們爭(zhēng)論的具體問(wèn)題。

基坑的圍護(hù)承受的主、被動(dòng)土水壓力原則上應(yīng)按式（1）計(jì)算：

式（3）采用三軸試驗(yàn)的固結(jié)不排水剪強(qiáng)度指標(biāo)，或者用直剪試驗(yàn)的固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)，為國(guó)內(nèi)所謂的“水土分算”方法。顯然，這樣計(jì)算的土水壓力肯定會(huì)與實(shí)際監(jiān)測(cè)情況有出入。但總的說(shuō)來(lái)，砂性土?xí)r采用上述方法基本符合監(jiān)測(cè)結(jié)果。對(duì)于黏土地層，按分算方法計(jì)算的主動(dòng)土壓力偏大很多，被動(dòng)區(qū)土壓力則偏小?；诠こ探?jīng)驗(yàn)，黏性土地層多采用下式計(jì)算水土壓力：

所以，嚴(yán)格意義上的水土分算和合算應(yīng)是式（1）或式（2）、（4），而國(guó)內(nèi)流行的水土分算和合算計(jì)算方法是式（3）、（5）。

盡管開(kāi)挖引起的孔壓Δu難以準(zhǔn)確地確定，但在砂土地層中Δu很快就消散了，所以式（2）計(jì)算的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)比較接近。對(duì)于黏性土地層，工程界普遍基本接受水土合算，但學(xué)術(shù)界認(rèn)為水土合算違背有效應(yīng)力原理，而且會(huì)偏于不安全，但具體如何計(jì)算黏性土地層的水土壓力也有不同意見(jiàn)，大多學(xué)者堅(jiān)持水土分算的學(xué)者建議應(yīng)用式（3）計(jì)算。然而，在黏土地層基坑設(shè)計(jì)過(guò)程中工程經(jīng)驗(yàn)普遍反映采用式（3）會(huì)造成圍護(hù)插入比過(guò)大和配筋率過(guò)高問(wèn)題，而采用式（5）水土合算方法更接近工程實(shí)際。有學(xué)者認(rèn)為，黏性土采用水土分算計(jì)算值偏大是因?yàn)闆](méi)有采用有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)所致，如果采用了有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算結(jié)果應(yīng)該與合算結(jié)果接近。下面分析將說(shuō)明這種說(shuō)法并不合理。

上述分析表明，盡管看似違背有效應(yīng)力原理，采用式（4）、（5）的水土合算方法計(jì)算黏性土的水土壓力，既方便又與工程實(shí)際接近，有其合理性。

《意見(jiàn)稿》提到，快遞運(yùn)單已注明為生鮮產(chǎn)品、貴重物品、易碎品、代收貨款等需要當(dāng)面交接的快件，不得使用智能快件箱收寄或者投遞，智能快件箱使用企業(yè)與用戶另有約定的除外?？旒霈F(xiàn)外包裝明顯破損、重量與快遞運(yùn)單記載明顯不符等異常情況的，不得使用智能快件箱投遞快件。

2.2 水土壓力統(tǒng)一計(jì)算方法提出的初衷

學(xué)者們對(duì)水土合算充滿異議并沒(méi)有妨礙其在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。所以，在理論上為水土合算建立基礎(chǔ)就成為基坑設(shè)計(jì)與研究的一個(gè)重要任務(wù)。另外，上海地區(qū)往往存在非常厚的粉質(zhì)黏土和黏質(zhì)粉土層，這種土層以②3和③2為代表。土層有一定透水性，但黏性顆粒含量有時(shí)很高；土層埋深也較淺，在基坑設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常遇到。如果承認(rèn)砂土適用水土分算，黏土適用水土合算，那么，對(duì)于這類(lèi)土層顯然應(yīng)對(duì)應(yīng)一個(gè)介于二者之間的算法。否則，遇到此類(lèi)土層時(shí)一定要采用水土分算，這樣勢(shì)必會(huì)造成基坑設(shè)計(jì)時(shí)偏于保守。姚秦[11]提出了一個(gè)算法，對(duì)于介于砂土和黏土之間的土層用一個(gè)系數(shù)進(jìn)行內(nèi)插以解決兩種算法間跳躍問(wèn)題。筆者首先受到了這篇文章的啟發(fā)，試圖通過(guò)引入一個(gè)系數(shù)回避負(fù)孔壓計(jì)算問(wèn)題，嘗試把水土分算與合算統(tǒng)一在一個(gè)理論框架中。遺憾的是，姚秦的內(nèi)插方法沒(méi)有物理意義。恰恰在這時(shí)，筆者讀到了方玉樹(shù)與李廣信在《巖土工程界》上發(fā)表的系列討論文章[9－10]，受到了兩位教授討論時(shí)所持觀點(diǎn)的啟發(fā)，提出了水土壓力統(tǒng)一計(jì)算方法。

3 土水壓力統(tǒng)一計(jì)算方法的初步形式

由于研究課題的差異，盡管參考了方玉樹(shù)的文章，筆者的理論與方玉樹(shù)教授理論有很大不同。為了避免出于誤解而產(chǎn)生的爭(zhēng)論，筆者沒(méi)有過(guò)多地糾纏于對(duì)機(jī)制的分析，而是直接處理基坑設(shè)計(jì)時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載取值問(wèn)題，該問(wèn)題在基坑設(shè)計(jì)時(shí)有很大的實(shí)用價(jià)值。選擇有實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題一直是筆者的研究特色。經(jīng)過(guò)幾次嘗試，筆者用4篇論文[2,12－14]來(lái)論述土水壓力統(tǒng)一計(jì)算方法。

最早時(shí)，在地下與地表齊平情況下筆者給出的主、被動(dòng)土水壓力計(jì)算結(jié)果：

引入內(nèi)插系數(shù)ξ是為了在ξ=0、1時(shí)分別過(guò)渡水土合算和分算狀態(tài)，但要實(shí)現(xiàn)真正的過(guò)渡，還必須實(shí)現(xiàn)在ξ=0、1時(shí)，讓土體強(qiáng)度分別為總應(yīng)力強(qiáng)度和有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。這樣，還必須給出一個(gè)能夠在ξ從0～1變化時(shí)對(duì)土體強(qiáng)度進(jìn)行內(nèi)插的公式。為此，必須把有效應(yīng)力原理表述成

只要ξ從0過(guò)渡到1，式（6）就可以從水土合算連續(xù)過(guò)渡到水土分算。不過(guò)，筆者覺(jué)得統(tǒng)一強(qiáng)度的問(wèn)題還沒(méi)有很好地解決，式（8）形式尚具備一定對(duì)稱(chēng)性，式（9）因?yàn)閺?qiáng)度指標(biāo)中出現(xiàn)土體重度項(xiàng)使其顯得非常不協(xié)調(diào)。所以，在后來(lái)的文章中筆者仍建議采用式（8）。

4 關(guān)于ξ 物理含義的關(guān)鍵性工作及土水壓力統(tǒng)一計(jì)算方法的進(jìn)一步形式

應(yīng)用式（11）時(shí)，式（8）、（9）的統(tǒng)一強(qiáng)度指標(biāo)要用面積量sξ替代式中的ξ計(jì)算。而最終的水土壓力計(jì)算需要采用2個(gè)獨(dú)立的參數(shù)vξ、sξ，而面積量sξ似乎應(yīng)與起始水力梯度ib存在下面關(guān)系：

這樣，筆者的理論基本解決了方、李兩位教授討論時(shí)涉及的幾個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題，比如，系數(shù)ξ是體積量還是面積量，ξ如何確定以及如果吸附孔隙水土顆粒距離非常遠(yuǎn)時(shí)的力學(xué)表述等問(wèn)題。

5 水土壓力統(tǒng)一計(jì)算理論誘發(fā)的思考

5.1 考慮土的吸附性對(duì)有效應(yīng)力原理表述的影響

如果認(rèn)為被土顆粒吸附水與自由水力學(xué)性質(zhì)不同，則一定暗含對(duì)有效應(yīng)力原理表述的調(diào)整。在計(jì)算土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，有效應(yīng)力原理應(yīng)被表述成：

這種對(duì)有效應(yīng)力原理的調(diào)整是不言而喻的，因?yàn)槿绻俣ㄎ剿牧W(xué)性質(zhì)與自由水不同，則吸附水可以看成是土顆粒的一部分。這樣，假想的土顆粒接觸方式與傳統(tǒng)土力學(xué)勢(shì)必不同，則本質(zhì)上有效應(yīng)力原理無(wú)論從概念還是從計(jì)算結(jié)果上都被調(diào)整了。如果按方玉樹(shù)教授理論，只要針對(duì)有吸附性的土，由于把孔隙中可以自由流動(dòng)水所占體積與孔隙水總體積之比定義為ξ，有效應(yīng)力原理形式永遠(yuǎn)是式（7）。這樣，對(duì)于有吸附性的黏性土，ξ永遠(yuǎn)小于 1。那么，無(wú)論是孔隙比多大的黏性土有效應(yīng)力都過(guò)渡不到傳統(tǒng)土力學(xué)形式，這一點(diǎn)也是方、李兩位教授討論的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。

5.2 有效應(yīng)力原理調(diào)整對(duì)土力學(xué)體系的影響

在文獻(xiàn)[13]中，筆者提出了一種土水壓力統(tǒng)一計(jì)算理論的證明。通常證明是用若干看似合理的、簡(jiǎn)單的公理證明一組看起來(lái)并不顯然的定理。而在傳統(tǒng)土力學(xué)中，有效應(yīng)力原理類(lèi)似歐幾里德幾何中的公理，公理是不能被證明的，但公理變化將意味著另一組可以自洽的定理。如果假設(shè)土中吸附水與自由水的力學(xué)性質(zhì)不同，有效應(yīng)力原理形式勢(shì)必變化，是否應(yīng)該思考一下相應(yīng)的土力學(xué)表述會(huì)會(huì)有哪些變化？應(yīng)該說(shuō)，土中水問(wèn)題是土力學(xué)的核心問(wèn)題。不可能無(wú)限縮小至微觀世界去觀察和監(jiān)測(cè)土中水的狀態(tài)和變化，只能通過(guò)宏觀的可以測(cè)量的現(xiàn)象去推測(cè)和理解微觀世界。但是，宏觀現(xiàn)象中顯示黏性土確實(shí)與砂性土存在諸多區(qū)別，例如，黏性土的滲透性存在起始水力梯度、黏性土有塑性、黏性土的孔壓消散很慢、黏性土在可以用水土合算來(lái)計(jì)算基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的水土壓力，這些現(xiàn)象都與土中水有關(guān)，而黏性土與砂性土最大的不同之處就是黏土中有一部分孔隙水被土顆粒強(qiáng)烈吸附。如果假定這部分被強(qiáng)烈吸附的水與土顆粒共同作用，自由水受重力作用后對(duì)與吸附水共同作用的“土水顆粒共同體”產(chǎn)生浮力，如果吸附水彼此連通改變了有效應(yīng)力原理形式，那么仿照歐幾里德幾何學(xué)一樣的公理化體系，將會(huì)推導(dǎo)出另一套土力學(xué)。這種土力學(xué)體系中有效應(yīng)力原理、浮重度、滲流力及固結(jié)理論等與土中水有關(guān)的概念都與傳統(tǒng)土力學(xué)有區(qū)別[14]。如果一些結(jié)論能夠統(tǒng)一解釋一些現(xiàn)象，甚至能夠預(yù)言一些新現(xiàn)象，這樣的土力學(xué)體系也是值得研究的。應(yīng)該指出的是，在文獻(xiàn)[9]中已經(jīng)有了上述理念的一些萌芽。

6 結(jié) 語(yǔ)

為解決基坑計(jì)算時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)上荷載取值的水土分算與合算的爭(zhēng)議，筆者提出了一個(gè)系統(tǒng)的水土壓力計(jì)算方法，試圖把水土合算與分算統(tǒng)一在一個(gè)理論框架中，以期找到一種半透水地層的水土壓力算法。應(yīng)該指出的是，筆者提出的理論只是基于假設(shè)演繹的結(jié)果，目前，惟一能夠做到的是，依據(jù)該理論可以統(tǒng)一認(rèn)識(shí)黏性土的塑限、滲透性、起始水力梯度及水土壓力合算。該理論看起來(lái)有一定的合理性，但系統(tǒng)的試驗(yàn)工作沒(méi)有開(kāi)展，如果系統(tǒng)的有說(shuō)明力的試驗(yàn)證據(jù)被提供，且可以重復(fù)的話，該理論確實(shí)對(duì)土力學(xué)發(fā)展是有意義的。如果這種情形果真發(fā)生，不應(yīng)該忘記“方、李論戰(zhàn)”中兩位教授的貢獻(xiàn)。但是，如果該理論被試驗(yàn)所證偽，則關(guān)于該算法的理論部分必須被拋棄，而該算法作為一個(gè)實(shí)用方法仍然可以被規(guī)范所采用。

[1] 王春波, 丁文其, 喬亞飛. 硬化土本構(gòu)模型在FLAC3D中的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014, 33(1):199－208.WANG Chun-bo, DING Wen-qi, QIAO Ya-fei.Development and application of hardening soil constitutive model in FLAC3D[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(1): 199－208.

[2] 王洪新, 周松. 基坑設(shè)計(jì)的桿系-荷載-彈簧模型的荷載取值以及變形和穩(wěn)定性分析的若干問(wèn)題和研究建議[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2013, 32(11): 2349－2358.WANG Hong-xin, ZHOU Song. Several issues on deformation and stability analysis of bar-load-spring model of foundation pit design and some recommendations[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(11): 2349－2358.

[3] 楊學(xué)林. 基坑工程設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)中應(yīng)關(guān)注的若干問(wèn)題[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2012, 31(11): 2327－2333.YANG Xue-lin. Several issues in design, construction and monitoring of foundation pits[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(11): 2327－2333.

[4] 李大勇, 呂愛(ài)鐘, 曾慶軍. 內(nèi)撐式基坑工程周?chē)叵鹿芫€的性狀分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004, 23(4):682－687.LI Da-yong, LU Ai-zhong, ZONG Qing-jun. Behavior analysis of buried pipeline response to nearby excavation pit with braced retaining structure[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(4): 682－687.

[5] 張愛(ài)軍, 莫海鴻, 李?lèi)?ài)國(guó), 等. 基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基影響的兩階段分析方法[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2013,32(增刊 1): 2746－2750.ZHANG Ai-jun, MO Hai-hong, LI Ai-guo, et al.Two-stage analysis method for behavior of adjacent piles due to foundation pit excavation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(Supp.1):2746－2750.

[6] 李大鵬, 薛宇龍. 對(duì)“水土壓力統(tǒng)一計(jì)算理論的證明及水土共同作用下的壓力計(jì)算”的討論[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2013, 32(12): 2590－2591.LI Da-peng, XUE Yu-long. Discussion on “Verification of unified calculation theory of water and earth pressures and calculation of pressure under interaction of water and earth”[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(12): 2590－2591.

[7] 魏汝龍.總應(yīng)力法計(jì)算土壓力的幾個(gè)問(wèn)題[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 1995,17(6):120－125.

[8] 陳愈炯, 溫彥鋒. 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水土壓力[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 1999, 21(2): 139－143.CHEN Yu-jiong, WEN Yan-feng. Water and earth pressures on the supporting structure around a foundation pit[J]. Chinese Jounal of Geotechnical Engineering,1999, 21(2): 139－143.

[9] 方玉樹(shù). 基于水壓率討論土中孔隙水壓力及有關(guān)問(wèn)題[J].巖土工程界, 2007, 10(5): 21－26.

[10] 李廣信．對(duì)“基于水壓率討論土中孔隙水壓力及有關(guān)問(wèn)題”一文的討論. 巖土工程界, 2007, 10(9): 22－24.

[11] 姚秦. 基坑工程的水土壓力混合算法[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2001, 20(1): 134－135.YAO Qin. Earth pressure calculation considering soil-water jointly on excavation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2001, 20(1): 134－135.

[12] 王洪新. 水土壓力分算與合算的統(tǒng)一算法[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2011, 30(5): 1057－1064.WANG Hong-xin. Unified method of separate and combined calculation of water and earth pressures[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011, 30(5): 1057－1064.

[13] 王洪新. 水土壓力統(tǒng)一計(jì)算理論的證明及水土共同作用下的壓力計(jì)算[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué), 2012, 31(2):392－398.WANG Hong-xin. Verification of unified calculation theory of water and earth pressures and calculation of pressure under interaction of water and earth[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012,31(2): 392－398.

[14] 王洪新. 考慮土對(duì)水吸附性的滲流破壞理論與應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2013, 32(3): 562－571.WANG Hong-xin. Seepage failure theory considering water-soil adsorption and its engineering application[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013, 32(3): 562－571.

[15] 徐日慶, 張慶賀, 劉鑫, 等. 考慮滲透性的水–土壓力計(jì)算方法[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2012, 34(5): 961－964.XU Riqing, ZHANG Qinghe, LIU Xin, et al. Methods for calculating soil-water pressure considering permeability[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012,34(5): 961－964.