王國義，蔣宗全

(中電建成都建設(shè)投資有限公司，四川 成都 610212)

1 概述

太沙基有效應(yīng)力原理[1]自從提出以來，由于有效應(yīng)力原理在黏性土上的不適應(yīng)性，越來越多的專家、學(xué)者對其正確性提出質(zhì)疑，并提出自己的觀點，希望能達(dá)到“水土分算”與“水土合算”的統(tǒng)一計算。支持太沙基有效應(yīng)力原理的專家、學(xué)者對太沙基有效應(yīng)力原理提出質(zhì)疑者進(jìn)行了反駁，并堅持太沙基有效應(yīng)力原理的正確性。太沙基有效應(yīng)力原理的質(zhì)疑者和支持者都不能說服對方，導(dǎo)致爭論不斷。王國義等[2-5]通過對巖土水平截面的力平衡原理進(jìn)行分析，引入巖土給水度參數(shù)，推導(dǎo)出一個新的有效應(yīng)力原理公式，實現(xiàn)了水土壓力的統(tǒng)一計算。

通過對深海巖土的有效應(yīng)力進(jìn)行分析，提出孔隙水壓力的一部分或全部也是有效應(yīng)力的一部分或全部，這也是深海巖土無土骨架只有一個個土顆粒的原因。通過試驗分析，飽和黏性土中的自由水可傳遞靜水壓力，弱結(jié)合水不傳遞靜水壓力。當(dāng)飽和黏性土中壓力較大時，無壓狀態(tài)下的弱結(jié)合水將轉(zhuǎn)化為自由水，弱結(jié)合水含量降低，甚至無弱結(jié)合水，自由水含量增加。

2 新有效應(yīng)力原理

王國義等定義了土骨架中的一種“土顆?！保簩⒉荒軅鬟f靜水壓力的強結(jié)合水、弱結(jié)水等的水顆粒與土顆粒組成的內(nèi)部無孔隙水相通的不規(guī)則體看作“土顆粒”。這樣土骨架由一個個的真正土顆粒和一個個的“土顆粒”組成。通過對飽和巖土的水平截面進(jìn)行分析，通過力平衡原理推導(dǎo)出一個新有效應(yīng)力原理公式：

(1)

μ1=μ水m1

(2)

m1=m2/3

(3)

新有效應(yīng)力原理中的水應(yīng)力(中和應(yīng)力)是孔隙水壓力產(chǎn)生的作用力在水平截面上的平均水應(yīng)力，土骨架應(yīng)力(有效應(yīng)力)是土骨架之間傳遞的豎向力(土的浮容重產(chǎn)生的力)在水平面積上的平均應(yīng)力。

通過新有效應(yīng)力原理可計算飽和巖土靜止側(cè)向水土壓力。設(shè)基坑側(cè)向水土總壓力為σ總，靜止土壓力側(cè)向系數(shù)為k0，則：

(4)

由于不同飽和巖土有不同的給水度值，砂的給水度值相對較大，黏性土的給水度值很小。由式(4)可知在同種條件下不同巖土計算出來的側(cè)向水土壓力不同，比“水土分算”值小，比“水土合算”值大，與現(xiàn)場實際情況更相符。此新飽和土有效應(yīng)力原理公式如果正確，實現(xiàn)了水土壓力的統(tǒng)一計算。實際上按力平衡原理推導(dǎo)出來的公式也適用于非飽和巖土和所有宏觀上均質(zhì)的材料(如飽和巖石、混凝土等)。

3 飽和巖土截面有效應(yīng)力分析

現(xiàn)對有效應(yīng)力原理的有效應(yīng)力進(jìn)行分析。如圖1所示，假設(shè)海深h為11 000 m，海水容重γ水為10.4 kN/m3,深海下是裂隙砂巖，抗壓強度P為10 MPa，給水度m為0.05，飽和容重γ飽和為25 kN/m3?，F(xiàn)對深海下埋深h1為1 m的砂巖的有效應(yīng)力進(jìn)行分析。設(shè)ab水平截面面積A為1 m2。

1)新有效應(yīng)力原理的有效應(yīng)力:

σ1=(γ水hA+γ飽和h1A)/A=γ水h+γ飽和h1=

10.4×11 000+25×1=114 425 kPa。

μ1=μ水m2/3=γ水(h+h1)m2/3=

10.4×(11 000+1)×0.052/3=15 528 kPa。

由式(1)可知：

(5)

2)太沙基有效應(yīng)力原理的有效應(yīng)力。

根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理公式可知：

σ=σ′+μ水

(6)

其中，σ為水平截面上的豎直總應(yīng)力，kPa；σ′為作用在土骨架上的力在水平截面上的豎直應(yīng)力，kPa；μ水為孔隙水壓力，kPa。

σ=σ1=114 425 kPa。

μ水=γ水(h+h1)=10.4×(11 000+1)=114 410.4 kPa。

由式(6)可知：

σ′=σ-μ水=14.6 kPa

(7)

4 飽和巖土單個“土顆?！庇行?yīng)力分析

以上是對飽和巖土的截面進(jìn)行有效應(yīng)力分析，現(xiàn)對截面ab上被切割的單個“土顆粒”的有效應(yīng)力進(jìn)行分析。如圖2所示，設(shè)單個“土顆?！北磺懈?，切割面為cd，面積為A1，土骨架作用在“土顆?！鄙系呢Q直傳遞和截面cd上方單個“土顆?！敝亓Φ暮狭镕。由于“土顆粒”直徑小，未被切割的“土顆粒”各個受力面所受孔隙水壓力為μ水。設(shè)孔隙水壓力對截面cd上的作用力為F水,截面cd上的有效應(yīng)力為σ土′，截面cd上的總作用力為F總，總應(yīng)力為σ土。

通過豎直作用力平衡原理可知：

F水=μ水A1

(8)

F總=F+F水

(9)

F總/A1=(F+F水)/A1

(10)

σ土=σ土′=F/A1+μ水

(11)

由力平衡原理推導(dǎo)出來的式(11)可知，當(dāng)分析單個“土顆?！钡挠行?yīng)力時，孔隙水壓力全部是有效應(yīng)力。當(dāng)F值為0時，孔隙水壓力就是此單個“土顆?！钡目倯?yīng)力，也是有效應(yīng)力。因此，由于分析對象不同，飽和巖土孔隙水壓力一部分或全部是有效應(yīng)力的一部分或全部。

5 黏性土結(jié)合水與自由水之間的關(guān)系

低于液限的塑性黏性土在常壓下是無水滲出的(如圖3所示)，說明在此條件下是無自由水(重力水)的，如果有自由水，應(yīng)該滲出才對。

但當(dāng)對塑性黏性土加壓時，產(chǎn)生自由水水壓(如圖4所示)，如果排水，將有水滲出，隨著壓力的增大，滲出的水量越多，此時滲出的水應(yīng)該是自由水。此試驗可以證明黏性土在加壓狀態(tài)下弱結(jié)合水是可以轉(zhuǎn)化為自由水的，隨著壓力的增加，弱結(jié)合水逐漸減少，甚至可達(dá)到無弱結(jié)合水的情況。黏性土中弱結(jié)合水的含量實際上決定了黏性土的強度。因此，可通過對飽和黏性土加壓至指定壓力，最終滲出的自由水量與原飽和黏性土的體積比就是此壓力下的飽和黏性土的給水度。

綜上所述，當(dāng)在有壓狀態(tài)下黏性土中的弱結(jié)合水可轉(zhuǎn)化為自由水，轉(zhuǎn)化的自由水要傳遞靜水壓力。

6 結(jié)語

1)引入巖土給水度參數(shù)，通過力平衡原理，推導(dǎo)出了新有效應(yīng)力原理，實現(xiàn)了水土壓力的統(tǒng)一計算。

2)作用在土骨架上的力(土顆粒傳遞力和孔隙水壓力作用力)產(chǎn)生的應(yīng)力是有效應(yīng)力，有效應(yīng)力增加可直接造成巖土變形。

3)由于分析對象不同，孔隙水壓力的一部分或全部是有效應(yīng)力的一部分或全部。

4)在加壓狀態(tài)下常壓下的弱結(jié)合水可轉(zhuǎn)化為傳遞靜水壓力的自由水。

5)通過對飽和黏性土加壓至指定壓力，最終滲出的自由水量與原飽和黏性土的體積比就是此壓力下的飽和黏性土的給水度。