有效應(yīng)力原理是否存在

/有效應(yīng)力原理是否存在?李偉利廣東南海國際建筑設(shè)計有限公司,廣東佛山5２８０00摘要:本文通過學(xué)習(xí)，對有效應(yīng)力原理提出質(zhì)疑，并從本構(gòu)模型、孔隙水壓、滲透固結(jié)、進(jìn)行分析，認(rèn)為:有效應(yīng)力原理從理論到實踐，都存在著巨大缺陷,是經(jīng)不起實踐和檢驗的，有效應(yīng)力原理是不存在的。關(guān)鍵詞：有效應(yīng)力原理;本構(gòu)模型;孔隙水壓力；滲透固結(jié)有效應(yīng)力原理，作為土力學(xué)的核心自誕生的那天起,一直被世界各國地質(zhì)學(xué)家們所推寵。僅管其間，也曾有一些學(xué)者對有效應(yīng)力原理懷疑、并提出批評，卻絲毫沒有影響其原理的應(yīng)用、推廣。如“１9３5年秋,太沙基回到奧地利，而等待他的,卻是對他的土力學(xué)基本原理持懷疑態(tài)度的同僚們的猛烈批評文章。太沙基與付略里希。聯(lián)名發(fā)表了三十三頁的答復(fù)文章,充分地論證了土力學(xué)原理是正確無誤的”[1—26］。

近年來國內(nèi)的一些學(xué)者,對有效應(yīng)力原理也提出了一些看法，卻被認(rèn)為是“有意或者無意推翻或者改寫有效就力原理”［2]。那么;有效應(yīng)力原理究竟有沒有問題？能否作為土力學(xué)的基石?能否引導(dǎo)土力學(xué)朝著正確的方向發(fā)展？是我們巖土人必須面對的問題。確切地說，有效應(yīng)力原理,作為土力學(xué)的基礎(chǔ)理論、引導(dǎo)著土力學(xué)也快接近百年了。它既不象傳統(tǒng)的經(jīng)典理論，象萬有引力那樣、有放之四海而皆準(zhǔn)，不變永恒的魅力；也不象浮力原理（阿基米德.前2８7年—212年)那樣簡單、明了、適用;所更具個性的是“自Ｒoscｏｅ與他的學(xué)生（19５8～196３)創(chuàng)建劍橋模型至今,各國學(xué)者已發(fā)展了數(shù)百個本構(gòu)模型，但得到工程界普遍認(rèn)可的極少，嚴(yán)格地說尚沒有”[３］。而今;更有人把有效應(yīng)力原理應(yīng)用到混凝土、煤層、瀝青路面。繼續(xù)幻想著它、能夠解決更多的問題.難道有效應(yīng)力原理真的那么有效?以我看、就目前地質(zhì)界的普遍認(rèn)可、信賴的基礎(chǔ)上，不斷發(fā)現(xiàn)有效應(yīng)力原理、存在諸多問題和爭議.如果要以審視、質(zhì)疑的眼光、看待有效應(yīng)力原理，那問題可就大多了。規(guī)結(jié)起來可以得出：有效應(yīng)力原理，是不存在的；是不能真實地反映、無粘性飽和土體、應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的;有效應(yīng)力原理，在模型的設(shè)計上有缺陷，環(huán)境條件的假設(shè)、與實際情況差異較大；推理不嚴(yán)謹(jǐn)，表達(dá)式、概念、違背基本的物理學(xué)常識；似是而非的想當(dāng)然、多于理性的實踐;事實上、有效應(yīng)力原理,只講了砂土（無粘性土）在滲透過程中，砂土的自重與浮容重之間的關(guān)系，其實質(zhì)、是地下水的靜力學(xué)問題、是阿基米德定律在地下水運(yùn)動過程中的一般現(xiàn)象。如果把它的作用加以放大,再將這一現(xiàn)象、賦予復(fù)雜的土力學(xué)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、或單純的以此建立土力學(xué)模型,可能是土力學(xué)本構(gòu)模型理論，難有重大突破的重要原因.長此以往,可能對巖土力學(xué)的研究、發(fā)展，造成災(zāi)難性的后果。1有效應(yīng)力原理及力學(xué)模型1．1有效應(yīng)力原理（本節(jié)內(nèi)容由全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會審定公布)科技名詞定義：中文名稱：有效應(yīng)力原理。英文名稱:ｐriｎciｐleofｅffectivestress所屬學(xué)科：水利科技（一級學(xué)科）；巖石力學(xué)、土力學(xué)、巖土工程(二級學(xué)科）;土力學(xué)（水利）（三級學(xué)科）太沙基（K.Terzaghi）早在1９23年就提出了有效應(yīng)力原理的基本概念，闡明了碎散顆粒材料與連續(xù)固體材料在應(yīng)力—－應(yīng)變關(guān)系上的重大區(qū)別，從而使土力學(xué)成為一門獨立學(xué)科的重要標(biāo)志.這是土力學(xué)區(qū)別于其他力學(xué)的一個重要原理.我們知道土是三相體系，對飽和土來說，是二相體系。外荷載作用后，土中應(yīng)力被土骨架和土中的水氣共同承擔(dān)，但是只有通過土顆粒傳遞的有效應(yīng)力才會使土產(chǎn)生變形,具有抗剪強(qiáng)度.而通過孔隙中的水氣傳遞的孔隙壓力對土的強(qiáng)度和變形沒有貢獻(xiàn).這可以通過一個試驗理解：比如有兩土試樣，一個加水超過土表面若干，我們會發(fā)現(xiàn)土樣沒有壓縮；另一個表面放重物，很明顯土樣被壓縮了。盡管這兩個試樣表面都有荷載，但是結(jié)果不同。原因就是前一個是孔隙水壓，后一個是通過顆粒傳遞的,為有效應(yīng)力.就是飽和土的壓縮有個排水過程（孔隙水壓力消散的過程），只有排完水土才壓縮穩(wěn)定。再者在外荷載作用下，土中應(yīng)力被土骨架和土中的水氣共同承擔(dān)，水是沒有摩擦力的,只有土粒間的壓力(有效應(yīng)力)產(chǎn)生摩擦力(摩擦力是土抗剪強(qiáng)度的一部分）Tｅrzagｈi從試驗中觀察到在飽和土體中土的變形及強(qiáng)度與土體中的有效應(yīng)力σ′密切相關(guān)，并建立了有效應(yīng)力原理:σ=σ′+μ式中:σ為平面上法向總應(yīng)力,ｋＰａ；σ′為平面上有效法向應(yīng)力，kPa;μ為孔隙水壓力,ｋＰa.有效應(yīng)力原理闡明了碎散顆粒材料與連續(xù)固體材料在應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系上的重大區(qū)別,有效應(yīng)力原理表示研究平面上的總應(yīng)力、有效應(yīng)力與孔隙水壓力三者之間的關(guān)系:當(dāng)總應(yīng)力保持不變時，孔隙水壓力與有效應(yīng)力可以相互轉(zhuǎn)化，即:有效孔隙水壓力減小等于有效應(yīng)力的等量增加。１。2有效應(yīng)力原理力學(xué)模型及文本參考為了準(zhǔn)確的對有效應(yīng)力原理、進(jìn)行描述。根據(jù)有關(guān)專家的推薦建議,本人采用了黃文熙《土的工程性質(zhì)》北京:水利電力出版社,1９8３年1月第一版,第248-25０頁。和趙明華2０03年《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》武漢理工大學(xué)出版社,第二版2０09年1月第22次印刷出版的版本第63-67頁,兩個版本,以確立對有效應(yīng)力原理描述的權(quán)威性和時效性.下圖1、是楊英華主編的《土力學(xué)》·地質(zhì)出版社·１987年·高等學(xué)校教材，有效應(yīng)力原理，假設(shè)的力學(xué)模型示意圖。圖２、是土的滲透固結(jié)模型圖。Ｆigurｅ1圖1Figure2圖２２對有效應(yīng)力原理質(zhì)疑的討論2．1有效應(yīng)力原理與本構(gòu)模型的探討２．１.１有效應(yīng)力原理及本構(gòu)模型是否存在?有效應(yīng)力原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式：σ=σ'+u;式中，作為有效應(yīng)力的σ＇是自重應(yīng)力與附加應(yīng)力的和。在傳統(tǒng)的土壓力理論均有表述;孔隙水壓力ｕ在飽和的無粘性土中,性質(zhì)與水力學(xué)中的靜水壓,并無本質(zhì)區(qū)別;而總應(yīng)力σ,是有效應(yīng)力與孔隙水壓力之和。那么；總應(yīng)力果真存在嗎?如果式中σ=σ’+ｕ；以重力平衡的形式存在，如：飽和土體中,任一平面上的總重量=巖土顆粒的重量＋水平面以上水質(zhì)體的重量；這種重力平衡是可以理解的。但是;以應(yīng)力平衡的形式出現(xiàn)，就值得商榷了。首先;作為應(yīng)力的應(yīng)力面積，是否確定？作為數(shù)學(xué)等式，運(yùn)算、是否附合數(shù)學(xué)運(yùn)算規(guī)律，這里有必要進(jìn)行分析：①σ'和u,是兩個應(yīng)力面積相差極大的數(shù)。在相加前、作為分母的應(yīng)力面積必須一致、必須先通分，后相加。而有效應(yīng)力原理自誕生的那天到現(xiàn)在,沒有人對此式，以數(shù)學(xué)的形式相加過，卻一直說:σ＇的應(yīng)力面積如何小、而孔隙水的應(yīng)力面積如何大。不管如何大、如何小，作為數(shù)學(xué)等式必須要有個確定的數(shù)。如沒有、那么；此式的存在必須懷疑.②孔隙水壓力，到底與所謂的接觸面面積，有沒有關(guān)系？按有效應(yīng)力原理的說法，是有關(guān)系的，有等式為證:σA＝σsAs+uwAｗ+uɑAɑ；在飽和砂土中“uɑＡɑ"為零［４］P=σsAs＋uwAw+uɑAɑ;[5]那么;也就是說：“Aw”面積的大小、或是多少,能影響孔隙水壓力的大小。這種依靠水力學(xué)為基礎(chǔ)的孔隙水壓理論，不知是要發(fā)展經(jīng)典的水力學(xué),還是要挑戰(zhàn)經(jīng)典的水力學(xué)。因為經(jīng)典的水力學(xué)認(rèn)為：水壓力與水位差相關(guān),從遠(yuǎn)古到今天,人們一直是這么認(rèn)為。并且一直得到實踐的應(yīng)用，一直到現(xiàn)在天天驗證。那么;推寵或認(rèn)為有效應(yīng)力原理正確的學(xué)者,有沒有人能夠作出水（可以流動的水，不是冰)壓力,與接觸面積相關(guān)的試驗？去驗證、象有效應(yīng)力原理那樣，孔隙水壓力必然與接觸面積密切相關(guān)？據(jù)我所知;僅管崇拜有效應(yīng)力原理的學(xué)者很多，但是;至今還沒有一個能夠作出,孔隙水壓力與接觸面積密切相關(guān)試驗。因此；因接觸面積大小而改變水壓力的理論,是不存在的.也就是說等式σ=σ＇+u是不存在的；而有效應(yīng)力原理，也是不存在的.2。１.2有效應(yīng)力原理在模型設(shè)計推理過程中，有相悖于物理學(xué)的基本常識有效應(yīng)力原理的數(shù)學(xué)模型是建立在重力平衡基礎(chǔ)上的，如表達(dá)式:σA=σｓＡs+uｗAw+uɑＡɑ;在飽和砂土中“ｕɑAɑ"為零Ｐ=σsAｓ+uwAw+uɑＡɑ；在物理學(xué)中，力是基本量，而應(yīng)力是導(dǎo)出量，沒有基本量、就沒有導(dǎo)出量;用導(dǎo)出量去建立基本量的平衡關(guān)系,不附合物理學(xué)的基本常識。而這個導(dǎo)出量、卻是從來沒有直接驗證過的量。到現(xiàn)在，沒有人用As、Ａw去驗算有效應(yīng)力、孔隙水壓力。僅管認(rèn)為土粒間的接觸面積非常小、接觸點的作用力非常大，誰也沒有明確過、這些量值到底是多少。也沒有根據(jù)應(yīng)力的量值,還原其作用面積、和施加的作用力。按趙明華主編的《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》的說法,“利用σ’=σ-ｕ返求σ'”［6］。那么“As”、“AＷ"是否也能反求呢？如果不能，又怎樣去建立σＡ=σsAs+uwAｗ的重力平衡等式呢？其實；重力平衡等式σＡ=σsAｓ+uｗAw+uɑAɑ;（在飽和砂土中“uɑＡɑ”為零),僅僅是一個假借重力的平衡。對于應(yīng)力平衡,從來沒有真正意義上的運(yùn)算、驗證過。早在太沙基（K。Tｅrzqｇhi,19２5）之前,人們就確立了三相土體的質(zhì)量平衡等式：把巖土體取出秤重、烘干后再秤重，把前后得到的重量相減、就得出水的質(zhì)量。其質(zhì)量平衡為:土體總質(zhì)量等于土粒質(zhì)量加土體中水的質(zhì)量。這個平衡等式至今、每天頻繁地應(yīng)用,沒有任何人對此懷疑。但應(yīng)力與質(zhì)量、重力有所不同，特別是在應(yīng)力面積、作用力還未搞清楚的情況下、用應(yīng)力去建立重力的平衡等式,是令人質(zhì)疑的.確切的說，有效應(yīng)力原理，其自身的應(yīng)力平衡、還未解決。用無法驗證的導(dǎo)出量，去建立基本量、重力的平衡等式,是不附合一般的邏輯推理規(guī)律的。“根據(jù)粒狀土的試驗工作認(rèn)為ＡS／A一般小于0.03”[7]。到底是多少，憑一個不能驗證的試驗，能否建立附合實際的力學(xué)模型是值的質(zhì)疑的。2.1。3依照有效應(yīng)力原理的力學(xué)模型，我們可作以下假設(shè)：設(shè)A—A,斷面以上為1米厚的無粘性土顆粒單元體(類似于圖１單元飽和土體），當(dāng)水位下降到A—A,斷面附近時，對于第一個尺寸約為５0mｍ的卵石（為便于模擬點荷載受力,假設(shè)的尺寸）顆粒,其重量約為0.1Kｇ,而在其上部1米厚的土層中，約有２0個大小相近的土顆粒,重量為0。1Kg×20=2Ｋｇ,其重力為:2Ｋg×10=20N,即水位以下第一個土顆粒所承受的土體自重力為20N(牛頓)，如果上下兩個土顆粒之間的接觸支承面積為1mｍ2，那么;此時A—A,斷面下第一個卵石體所承受的上部壓力為：20N/mm2，即：20Mpa。這個力基本上達(dá)到了、或超過了通常點荷載所承受的破壞應(yīng)力。需要說明的是,這個單元土體，是在沒有附加應(yīng)力作用時的情況.一般情況下,附加應(yīng)力是自重應(yīng)力的數(shù)倍以上.另外根據(jù)黃文熙教授《土的工程性質(zhì)》一文中有關(guān)有效應(yīng)力原理的描述：“在工程問題所涉及的壓力范圍內(nèi)，ɑ值是極小的，可以認(rèn)為（1—ɑ）→1;但土顆粒接觸面之間的應(yīng)力σs卻非常大,可能等于材料的屈服應(yīng)力”［8]?？梢钥闯?，有效應(yīng)力原理在最初的模型建立時，并不是一個穩(wěn)定的、靜力平衡的力學(xué)模型.而是在一個不穩(wěn)定的、動態(tài)的、不平衡的、動力下的瞬間狀態(tài)。這種模型,是不能夠解決靜力平衡問題的。2.1．4關(guān)于應(yīng)力面積A、Aｓ、Ａｗ的分布和(１—ɑ）→１的討論(ɑ=As/Ａ）。在有效應(yīng)力原理的模型單元中,A為模型單元斷面面積、As為巖土顆粒的粒間接觸面積、Aw是位于粒間接觸點在同一水平面的、孔隙水壓力所對應(yīng)的斷面面積。根據(jù)有效應(yīng)力原理及其后來的研究成果：在飽和砂土中，認(rèn)為Ａs很小、使Aｓ小到很ＡS/A可以略去不計，即（1-AS/A）→1；或（１－ɑ)→1.根據(jù)平衡等式：σＡ=σsＡs+ｕwAw+uɑAɑ；對于飽和砂土中ｕɑAɑ忽略不計，有σA=σsAｓ+uwAｗ。可認(rèn)為對于飽和砂土，總面積A＝As+Ａw;如果As很小、使As小到很AＳ/Ａ可以略去不計,那么可認(rèn)為:Ａ≈Aw;那么對于有效應(yīng)力原理的這種說法，是否成立呢,下面試驗將是一個佐證：根據(jù)巖土顆粒的形型特點、沉積過程中的運(yùn)動、位移，動力、及穩(wěn)定平衡規(guī)律。要達(dá)到諸如有效應(yīng)力原理所假設(shè)的、巖土單元顆粒排例模型圖4的情況、是不可能的。根據(jù)常士驃主編的《工程地質(zhì)手冊》第三版,“理論等粒徑球狀體”[９］模型，進(jìn)行摸擬巖土顆粒排列，證實了圖4的情形，在巖土自然環(huán)境中,是不可能存在的。因為巖土顆粒間的接觸點、是一條高低錯落的曲線，而并非所有的接觸點、都在一條水平線上.顆粒排列的情形、對于圖4任何人都可作這個有趣的實驗、去驗證這個不可能的現(xiàn)象.而驗證的大多數(shù)情況是圖3的情形。因為A—A斷面是一個水平面,必然穿越巖土顆粒體的內(nèi)部截面，而并非沿顆粒間接觸點形成的曲面、斜面。圖3，是在一容器中隨機(jī)不斷地加入玻璃球,摸擬“理論等粒徑球狀體”?？梢钥闯鏊鼈兊呐帕械亩鄶?shù)情況,近似的以摸擬巖土顆粒排列的基本規(guī)律.Figurｅ3圖３Figｕｒｅ4圖４根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù),“理論等粒徑球狀體”，在松散狀態(tài)，其最大孔隙比ｅｍax≈0。91。(工程地質(zhì)手冊第三版第１93頁表３—1－19）也就是說：在這種情況下、巖土顆粒的面積份額約占59％，即便是巖土顆粒因各種情況造成排列的不均勻、局部孔隙較大,將其顆粒的面積份額59%減少一半,則剩余部分0.41+0.59/2×100％≈71％。如果在斷面上、將剩余部分71％都當(dāng)作孔隙部分所占居的面積，那么顆粒部分所占居的面積也還有２9%的份額。這與有效應(yīng)力原理的相關(guān)試驗、得出的約3％相差很大，接近10倍。因此；“在工程問題所涉及的壓力范圍內(nèi),ɑ值是極小的,可以認(rèn)為（1-ɑ）→１”是不能得到實踐驗證的、或是根本再者；還有人認(rèn)為A－A，斷面不是一個水平面、而是一個曲面。引入趙明華《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》“沿ɑ-ɑ截面取脫離體，ɑ-ɑ截面是沿著土顆粒間接觸面截取的曲線狀截面，在此截面上土顆粒接觸面間的作用法向應(yīng)力為σｓ,各土顆粒間接觸面積之和為As，孔隙內(nèi)的水壓力為ｕw，氣體壓力為uɑ，其相應(yīng)的面積為Ａw及Aɑ。由此可建立平衡條件：σA=σsAｓ+ｕｗＡw+uɑAɑ;”［10]與此看法相同的,也包括介玉新、李廣信等學(xué)者［11].在曲面上，高度位置不同、壓力（靜水壓、顆粒自重應(yīng)力）隨之不同、受力面還能否確定.等式：σA=σsAs+uwAw＋ｕɑAɑ；中的A、Aw及Aɑ怎樣確定、計算。曲面上的應(yīng)力方向（法向應(yīng)力)如何確定?是垂直的嗎？能否建立等式σA=σsＡｓ+uwＡw＋uɑAɑ；更是令人質(zhì)疑的.因此；從理論上和實際上,在飽和砂土中，認(rèn)為Ａs很小、使As小到很ＡS/A可以略去不計，即（1—AＳ/Ａ）→1；或(1－ɑ）→１的說法，都是不可能成立的。２.2關(guān)于孔隙水壓、孔隙氣壓的討論２。２為了感性認(rèn)識孔隙水及孔隙水壓、我們可作一試驗，摸擬砂土環(huán)境中孔隙水的一些特點及規(guī)律:試驗1孔隙水產(chǎn)生機(jī)理與孔隙水壓變化特點及規(guī)律在一巖土環(huán)境中，假設(shè)巖土顆粒是不可壓縮變形的(在小于某個壓力范圍，壓縮變形量很小的），我們用玻璃球代替無粘性土顆粒。設(shè)在一個容器中，盛入約1／３的水。此時；空容器盛入水后,容器下半部分被水所占居，并認(rèn)為水體具有最初的水壓力或孔隙水壓力，即：孔隙水壓就是純凈水體的靜水壓力。隨后加入第一個玻璃球時,水壓力上升（即孔隙水壓增加），量值為第一個球體的體積所排開水體的重量、即水位上升的高度差.當(dāng)這個玻璃球體沉入底部、對容器底部產(chǎn)生一個有效壓力，其大小為玻璃球的天然密度減去排開水體的密度。我們不斷的重復(fù)這個過程N(yùn)遍，當(dāng)玻璃球加至N=10０個、或10０0個時，當(dāng)?shù)谝粋€玻璃球的一部分露出水面,此時的孔隙水壓力上升，并等于N=１０00個球體的總體積所排開水體、使水位上升的高度差.如果加上最初沒有加入任何東西、純凈水的水壓力，就是整個水體所具有的孔隙水壓力值。這種隨機(jī)投入的玻璃球在水體中的排列位置，可能有局部密度值大小不均的現(xiàn)象.如果對整體容器進(jìn)行震動，可能使容器內(nèi)的玻璃球的分布密度、趨于均勻，使第一個玻璃露出水面的高度有所減小、或浸沒在水面下。這個過程的孔隙水壓,是１000個球體所排開水體積的重力密度、加最初純凈水的靜水壓。我們在容器內(nèi)玻璃球面上加一個力，這個力不管有多大,如果玻璃球不變形，那么孔隙水壓力是不會發(fā)生變化的.如果玻璃球破碎，不管玻璃碎到多少塊都不會影響所謂的孔隙水的壓力變化.只是破碎瞬間的動力現(xiàn)象、會使水壓力有所波動的現(xiàn)象，但隨著破碎停止而趨于平靜。試驗2靜水壓在滲透過程中形成的孔隙水對持水環(huán)境的影響如果我們先在空容器內(nèi)裝入玻璃球至容器的２／3，然后從外部施以一個高度為H（H≤容器高度的2/3)的靜水壓,由容器底部向容器內(nèi)滲透孔隙水，當(dāng)容器內(nèi)水位與外部供水源水位在同一高度時，處于靜水壓平衡狀態(tài).由于玻璃球個體的結(jié)構(gòu)環(huán)境、處于自重多點支承穩(wěn)定狀態(tài)。靜水壓H產(chǎn)生的壓力值,僅管比個體玻璃球體的自重應(yīng)力大很多,但因承受上部傳遞的應(yīng)力之和仍大于靜水壓H，因此;不會發(fā)生玻璃球體隨水的滲流而移動;如果容器內(nèi)有少量的、小于玻璃球體數(shù)１0倍以下的微小顆粒，沉入容器底部.那么在外部靜水壓滲流作用下、可能發(fā)生微小顆粒的向上懸浮移動，是因為微小顆粒的自身應(yīng)力較小、沒有承受上部顆粒的壓力，且小于滲透水的靜水壓力;要想使容器內(nèi)底部多數(shù)顆粒，隨靜水壓的滲透水流整體移動，那么必須使靜水壓H大于容器底部玻璃球，個體之和的自重應(yīng)力(在地下水位以下，大于玻璃球體的浮容重應(yīng)力）.從上述試驗看出，一個外部的靜水壓，在向無粘性砂土的滲透流動過程中，是尊循水靜力學(xué)和水動力學(xué)的基本規(guī)律的。并得出孔隙水在無粘性砂土中具有以下特點:①孔隙水壓力的性質(zhì)特征與靜水壓的性質(zhì)特征完全一樣，所不同是孔隙水壓力強(qiáng)調(diào)了空間分布的環(huán)境位置而已。②因為巖土體的天然密度大于水的密度,因此在同一水平面上,處于穩(wěn)定狀態(tài)的孔隙水壓力,永遠(yuǎn)小于巖土顆粒的壓力。③孔隙水的運(yùn)動方向及趨勢、永遠(yuǎn)向環(huán)境壓力較小的方向流動。④水具有觸變性、流動性、不可壓縮性、不具抗剪強(qiáng)度，在有水體流動的環(huán)境中、便是開放的環(huán)境,水是不可能與巖土顆粒、共同承擔(dān)外來應(yīng)力的。但會對沉入水體內(nèi)的所有物質(zhì)體、提供相應(yīng)的、排開水體重量的浮力.⑤在水體中，在任何水平面上的水壓力,與所處環(huán)境的水位差值相關(guān)，與水體界面的分布面積無關(guān)，所謂的界面A－A，上的u（ɑ－1)是沒有任何意義的。2.2。2那么在非飽和土體中,土體中的孔隙與大氣相連，孔隙氣壓力、即為大氣壓,非飽和土體中的水體是不連續(xù)的、既便產(chǎn)生了氣體,多數(shù)情況下也是與大氣和為一體，不可能在水位下產(chǎn)生氣泡、并存在獨立的孔隙氣壓。而對于非飽和土體中的結(jié)露水，只可能是被周圍的大氣所包圍,而不可能包圍大氣、并在其內(nèi)部產(chǎn)生一個孔隙氣。那么對于運(yùn)動中的毛管水，在運(yùn)動過程中，有沒有產(chǎn)生孔隙氣的因素和條件?答案也是否定的。因為毛管水、所以形成，是順著毛管上下運(yùn)動,而非水平運(yùn)動。無法對孔隙進(jìn)行封閉、形成獨立的孔隙氣.對于毛管水來說，由于水分子和毛管壁間的引力(粘附作用)、水分子之間彼此相互間的引力（粘結(jié)作用),水將沿管上升、直至向下重力等于粘結(jié)力和粘附力時。在這個過程,水氣接觸，不會有產(chǎn)生氣泡的機(jī)理和條件。如果有、可能是某些氣體被水所溶解、成為水的實體，而不會產(chǎn)生氣泡。多數(shù)情況下,孔隙氣是與大氣連通，成為大氣的一部份,而對巖土體不會產(chǎn)生獨特的作用。在巖土中、孔隙的大小可分為:大孔隙（大于ｌ００um)，有通氣、排水作用,一般大孔隙有水，則屬飽和土體范疇；對于中孔隙（10０-30uｍ）有導(dǎo)水性，毛管水運(yùn)動快；小孔隙（30-3um），有持水性。在中孔隙、小孔隙，孔徑如此小的環(huán)境中,毛管水的毛管壁間的引力和水分子之間彼此相互間的引力，在水的表面張力作用下，能否形成30-100ｕｍ的氣泡,是值得研究的。如此小的氣泡，不知那位地質(zhì)學(xué)家見過.如果沒有見過、而又對其探討孔隙氣壓uɑ、及相應(yīng)的面積為Ａ.；那一定是件十分讓人困惑、而不可理解的事情。另外在非飽和土體中，對于諸如毛管水、或一些已經(jīng)喪失與重力水相聯(lián)系的獨立水體，如結(jié)露水來說，阿基米德定律對其已經(jīng)沒有意意了。如果還對其探討水力坡度、滲透性、孔隙水壓,確有荒唐之極。就好比人們從來不對結(jié)晶水探討滲透性一樣。在飽和土體中,因為在地下水封閉的土體中有礦物體，有機(jī)體等混合相處的環(huán)境中，有產(chǎn)生氣體的因素和條件。或因外來動力原因、隨水流動從外部環(huán)境中來,也可能有一些孔隙氣滯留在飽和的砂土體中。它們大小不一，孔隙氣內(nèi)部壓力不一,存在于飽和砂土體中也只是暫時的,隨著應(yīng)力環(huán)境的改變,隨時移動。如果不在封閉的環(huán)境中，不可能在某個穩(wěn)定部位于巖土體共同承擔(dān)壓力。因此;在非飽和土體的環(huán)境中,有效應(yīng)力原理的模型斷面A-A，只要在地下水位線以上,不管怎樣取、討論孔隙水和孔隙氣的面積分布，壓力關(guān)系，并借重力平衡等式、建立應(yīng)力平衡等式:σ'=σ—［ｕɑ－χ（ｕɑ-uw）]［12］；顯然也是不能成立的。所謂的孔隙氣，本身就是一個假命題：在飽和土體中假設(shè)其存在，又命其作用為“零”；而在非飽和土體中的存在與作用,一沒有說清楚、二沒量化過，其存在、只為了模型的假設(shè)需要,無任何實際意義.2.３對孔隙水與滲透固結(jié)環(huán)境的討論2。3。1孔隙水壓在巖土中的作用是十分有限的在有效應(yīng)力原理對孔隙水壓力的基本描述中，原文:“土的變形及強(qiáng)度性狀與有效應(yīng)力密切相關(guān)，只有通過顆粒接觸點傳遞有應(yīng)力，才能引起土的變形和影響土的強(qiáng)度，而土中任意點的孔隙水壓力和各個方向作用是相等的,因此它只能使土顆粒產(chǎn)生壓縮(由于土顆粒本身的壓縮量是很微小的,在土力學(xué)中可不考慮），而不能使土顆粒產(chǎn)生位移”［13］。試想;在靜力學(xué)環(huán)境中,這個孔隙水壓力，它即不能使土體產(chǎn)生位移,也不能對土粒間產(chǎn)生相互壓縮的效果,且對土粒本身的壓縮量、也是可以忽略的。說明它在土體中作用非常有限(除水位上升或下降過程中產(chǎn)生的浮力變化）。而在飽和土的滲透固結(jié)中,卻認(rèn)為它的作用非常大,以至可以承擔(dān)全部的附加應(yīng)力,即“當(dāng)ｔ＝0時,即活塞頂面驟然受到壓力σz作用的瞬間，水來不及排出,彈簧沒有變形和受力,附加應(yīng)力σz全部由水來承擔(dān)，即ｕ=σz，σ＇=0”[1４］，這種過分地夸大水在無粘性土體中的作用,可能使土力學(xué)誤入岐途,并產(chǎn)生了對土力學(xué)基本原理的懷疑和質(zhì)疑的另一原因。2．3．2有效應(yīng)力原理的應(yīng)力環(huán)境是糊莫糊不清的有效應(yīng)力原理本構(gòu)模型，究竟是靜力學(xué)環(huán)境、還是在動力學(xué)環(huán)境？對于這一問題并非多此一舉。因為在其本構(gòu)模型的最初假設(shè)，是以重力平衡等式基礎(chǔ)上的。如重力平衡等式：σA=σｓAs+uwAw+uɑAɑ按應(yīng)力平衡有σ=σ’＋u在無粘性土的滲透固結(jié)中有“設(shè)其中的彈簧承擔(dān)的壓力為有效應(yīng)力σ’圓筒中的水承擔(dān)的壓力為孔隙水壓力u，按照靜力平衡條件,應(yīng)有：σz=σ’+u（4。47）"［１5]可以說有效應(yīng)力原理的假設(shè)環(huán)境,自始至終、均在靜力學(xué)環(huán)境中的應(yīng)力狀態(tài)。但在其假設(shè)的環(huán)境、試驗的過程，讓人非常迷惑不解；如“土顆粒接觸面之間的應(yīng)力σs卻非常大，可能等于材料的屈服應(yīng)力?！盵16］在一般情況下，材料的變形破壞是力的不平衡所至，并伴隨著動力學(xué)現(xiàn)象,這讓我們對有效應(yīng)力原理的應(yīng)力環(huán)境、產(chǎn)生質(zhì)疑。還有；在飽和土的固結(jié)試驗中，常常有對動力學(xué)現(xiàn)象的描述,引入了時間、瞬間、諸如“壓縮變形速率”［1７]，等動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)現(xiàn)象的表述。更不可思意的是、把巖土的靜力學(xué)模型建立在“彈簧-活塞模型”［18］，這種典型的、不平衡的、動力學(xué)模型基礎(chǔ)之上.在物理學(xué)中、靜力學(xué)與動力學(xué)有著本質(zhì)的區(qū)別；在靜力學(xué)中，是研究力的平衡的、與時間無關(guān)、且沒有加速度。而在動力學(xué)中；力是不平衡的、與時間有關(guān)、是具有加速度的。而在動力學(xué)過程中，因為力的突變,而產(chǎn)生變形、震動、位移。物質(zhì)體的相互運(yùn)動必然產(chǎn)生的摩擦力，順至有一部份力轉(zhuǎn)化為熱量.這些力與能的轉(zhuǎn)化過程，即可形成能量上的損失，這在靜力學(xué)環(huán)境中，是無法測試和計量的。因此；有效應(yīng)力原理的數(shù)學(xué)模型，在不平衡的動力學(xué)環(huán)境中，是很難解決傳統(tǒng)意義上的靜力學(xué)的、應(yīng)力平衡問題的。2.3.３孔隙水在巖土環(huán)境中，是不可能與巖土顆粒共同承擔(dān)壓力的。有效應(yīng)力原理，在飽和土的滲透固結(jié)中認(rèn)為“由于模型中只有固、液兩相介質(zhì)，則對于外力σｚ的作用只能是水與彈簧兩者來共同承擔(dān)?！盵１９]然而；在水靜力學(xué)中，水的基本特征是流動性，觸變性，不具抗剪性、壓縮性的.在土體中無論是飽和、非飽和土體，對于孔隙水來說、都是較為開放的環(huán)境.即土粒中的水受壓后,均會表現(xiàn)為水體的流動性,水位上升或下降的現(xiàn)象。這種水位上升,可因浮力而改變土粒中的應(yīng)力變化。然而；量是很有限的,只會在水位上升或下降后，從浮力增減上表現(xiàn)。是不能與巖土顆粒共同承擔(dān)壓力的。為驗證這一結(jié)論,在圖5中，可進(jìn)行下例試驗進(jìn)行證實。以圖１－單元飽和土體為例：圖中箭頭E、F下、分別設(shè)置兩個測壓計（設(shè)在E處的是在兩個土顆粒之間,設(shè)在F處是與E處在同一水平面上、被水包圍著、懸浮在孔隙水中），用于測量同一水平面的粒間壓力、和孔隙水壓力。當(dāng)附加應(yīng)力為零時，箭頭E下的測壓計讀數(shù)為e，箭頭F下的測壓計讀數(shù)為f。此時；在單元飽和土體頂面加一外力(附加應(yīng)力），當(dāng)σz在σ+時、在E處的測壓計表頭、有非常明顯的偏轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)量為＋，而在F處的測壓計表頭、偏轉(zhuǎn)不明顯、或無偏轉(zhuǎn)。當(dāng)σz由小到大即σ+＋時、在E處的測壓計表頭、壓力增大、繼續(xù)偏轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)量為++，而在F處的測壓計、還是偏轉(zhuǎn)不明顯、或無偏轉(zhuǎn).當(dāng)σz由小到大即σ+++時、在E處的測壓計表頭、壓力增大、繼續(xù)偏轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)量為＋+＋，而在F處的測壓計、表頭依然偏轉(zhuǎn)不明顯、或無偏轉(zhuǎn)。試驗表明，孔隙水壓力除了為浸沒水中的土顆粒提供相應(yīng)的浮力外,是不能與巖土顆粒共同承擔(dān)壓力的.Fiｇure5圖５那么；水在什么樣的情況下、可以承擔(dān)壓力呢?答案只有一個，就是；只有在封閉的環(huán)境中?？梢娫跐B透固結(jié)中的活塞模型、不具備這一條件。因為活門“2”常開(見圖２)，且無閉合功能。因此;孔隙水是不能與巖土顆粒共同承擔(dān)壓力的.不僅是滲透固結(jié)環(huán)境、在樁基礎(chǔ)施工過程中，幾乎每天都在驗證。不論是靜壓樁、還是錘擊樁，在飽和的砂土中，如地下水位在1－5米的孔隙水范圍，成樁過程的壓力一般在50０—1００00Kpａ范圍、由低到高逐漸加大。依照有效應(yīng)力原理的說法,此時;地下水同時承擔(dān)著樁尖的壓應(yīng)力，地下水會隨著土中孔隙噴出地表，我們可看到壯觀的、類似噴泉般的水柱、應(yīng)該比噴泉更壯觀。但是；在我經(jīng)歷的數(shù)百項樁基礎(chǔ)工程中，從來沒有見到、或是聽說過這種情況.按照有效應(yīng)力原理的說法：“由于模型中只有只有固液兩相介質(zhì)，則對于外力σｚ的作用只能是水與彈簧兩者來共同承擔(dān)，σz=σ’+u……當(dāng)t=０時，即活塞頂面驟然受到壓力σz作用的瞬間,水來不及排出……彈簧沒有變形和受力,附加應(yīng)力全部由水來承擔(dān),即:u＝σz,σ'=0；”[20]。以成樁過程的壓力500－10000Kpａ的最小值５００Kpa計算，如接到測壓管上,水可以噴出地表近50米的高度。這種壯觀景象，不知那位地質(zhì)專家見過。2。3.4在有效應(yīng)力原理,滲透固結(jié)試驗?zāi)Ｐ椭?，與飽和土體的環(huán)境條件相差較大，是不能夠摸擬飽和砂土的應(yīng)力應(yīng)變特征的。在飽和土的實際環(huán)境中，四周都是開放的環(huán)境,不僅是孔隙水可以四處擴(kuò)散,且應(yīng)力也可以向周邊傳遞擴(kuò)散，然而;彈簧活塞模型是四周封閉的，人為的去限定孔隙水的滲透方向,這種不真實的應(yīng)力滲透環(huán)境下的試驗，其結(jié)果是很難與實際情況對應(yīng)銜接的。2.3。5在彈簧活塞模型中、沒有“活門”,就不是傳統(tǒng)意義上活塞了。如果說它類似于帕斯卡(BlaｉsｅPascal1623—１６62）的水壓機(jī)模型原理，以印證σｚ全部由孔隙水來承擔(dān)的現(xiàn)象，而在活塞面上,加設(shè)孔隙、又在活塞內(nèi)部，設(shè)有與孔隙水共同承擔(dān)壓力的彈簧,使大小活塞面的壓力永遠(yuǎn)不可能相等。這可說是借用傳統(tǒng)經(jīng)典模型的失敗。這種需求和目標(biāo)的不明確、是不可能上升到理論層面，更不可能解決實際中的問題。2.3．6如；在滲透固結(jié)模型中說“在一個盛滿水的圓桶中,裝一個帶有彈簧的活塞，彈簧表示土的顆粒骨架"［21］?？梢哉J(rèn)為彈簧與活塞面是一體的,而“當(dāng)ｔ=0時，即活塞頂面驟然受到壓力σz作用的瞬間，水來不及排出圖（a)，彈簧沒有變形和受力,附加應(yīng)力σz全部由水來承擔(dān)”［２2］。這分明是說，彈簧和活塞面處于懸空狀態(tài),這種不能自圓其說的模型，中學(xué)生都能驗證是錯誤的。2.3.７在有效應(yīng)力原理的滲透固結(jié)模型中,其假設(shè)前提和試驗過程是自相矛盾的。太沙基在單向固結(jié)理論的基本假設(shè)中假設(shè)了“土粒與水均為不可壓縮體"［23]，但在模型中卻設(shè)置“一個帶有彈簧的活塞，彈簧表示土的顆粒骨架［24],彈簧如果不能壓縮可否稱為彈簧呢？可能因為自相矛盾,又改變說法。假設(shè)“相對于土的孔隙，土顆粒和土中水都是不可壓縮的,因此土的變形僅是孔隙體積壓縮的結(jié)果”［25]，那么所謂“t=0時，……彈簧沒有變形和受力”［26］，也就意味著孔隙水沒有受壓,反而在測管上看到水位上升，附加應(yīng)力全部由水來承擔(dān)，這不僅是自相矛盾,任何人在這個試驗中，得不出其設(shè)想的結(jié)果。２．3.8有效應(yīng)力原理在概念上模糊不清、隨意假借，似呼有意無意地掩蓋著模型的缺陷，造成理解和驗證上的困難和錯覺。如在模型設(shè)計最初，是以飽和的粒狀土為研究對象，一般指飽和的無粘性土,如圖1所示,而到了滲透固結(jié)試驗中,卻以飽和粘性土為試驗對象。然而；飽和無粘性土與飽和粘土不僅從形體上有具大的差別,而且在其滲透性、差別數(shù)十倍、至百倍，兩種性質(zhì)巨大差別的土體，這種前后研究對象不一致，其實質(zhì)是掩蓋模型上的缺陷。以致影響試驗結(jié)果的判斷.2.3。9在圖2或趙明華《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》書中第8９頁,圖４。26；飽和土的滲透固結(jié)模型(b）、（c)中違反了水的靜力學(xué)基本理論，任何人、任何專家都無法摸擬實現(xiàn)的，是根本不存在的現(xiàn)象。如果將有效應(yīng)力原理理論、所謂的孔隙水壓力理論、賦予一個不確定的圍壓,并將其視為剪力，參于到應(yīng)力－應(yīng)變試驗、進(jìn)行分析計算。我不知道其結(jié)果有多少真實性和實用性?？梢哉f、自有效應(yīng)力原理誕生以來、以此理論為基礎(chǔ)的所有壓縮試驗、和各種三軸壓縮試驗，幾乎沒有與真實的實際情況有很好的、對應(yīng)銜接關(guān)系。這似乎是自然對人的主觀意識,一次次的提醒、一次次的警示。若長期漠視，其結(jié)果是不言而喻的。3結(jié)語人類對自然的認(rèn)知是很有限的，但是;對自身要求卻是很高的。本文否認(rèn)有效應(yīng)力原理，并非否定整個土力學(xué)、也并非否定汰沙基的所有理論.只是想、因此；可能對土力學(xué)的發(fā)展更有宜，更能引起人們對土的深入思考。更嚴(yán)謹(jǐn)、更科學(xué)、更理性的態(tài)度,去分析巖土體、應(yīng)力應(yīng)變的因果關(guān)系；更能激發(fā)巖土人對巖土孜孜不倦的研究,對真理務(wù)實的追求。有理由相信,并可以預(yù)見，土力學(xué)并非因此而摧毀，終究會不斷充實、完善.土力學(xué)的明天依然廣闊，前景依然美好.參考文獻(xiàn)/Referenｃeｓ［1]吉見吉昭，姜敦超.１981。太沙基與土力學(xué)。巖土工程學(xué)報．1９8１年０3期.1１4~1１９［2］李廣信。2007。有效應(yīng)力原理能夠推翻嗎.巖土工程界．第十卷.第七期．22~２6［３］龔曉南。2000。21世紀(jì)巖土工程發(fā)展展望。巖土工程學(xué)報．200０