【原】谈“太沙基有效应力原理能够推翻吗”

王国义 2021-08-21

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序

原理一谈到“推翻”，与之相关的部分人由于利益、面子、认知水平等多方面对其进行阻挠，导致技术进步缓慢。就向哥白尼的“日心说”（现在看来太阳也不是宇宙的中心）推翻了“地心说”，爱因斯坦的相对论推翻了牛顿的绝对时空观一样，推翻不是全盘否定，而是技术的进步，没有原理论哪有推翻之说，推翻也是建立在原理论之上的推翻。当然，一个新理论的产生需要一定的时间，让与之相关的人去消化、认可，如果原理那么好推翻，那么好理解，向种“萝卜”一样一片片的，技术早就飞速发展了，人类早就能在宇宙间穿越了。推翻是技术的进步，很有可能不久我就将自己的新饱和土有效应力原理推翻，使之更完美。

谈“太沙基有效应力原理能够推翻吗”

王国义

（中电建成都建设投资有限公司四川成都 610212）

摘要：以李广信先生的《有效应力原理能够推翻吗》论文为基础，笔者对李（李广信先生）文中的内容进行了分析，并根据新饱和土有效应力原理提出自己的观点。笔者提出如果新饱和土有效应力原理正确，推翻了太沙基有效应力原理，实际上是理论土力学的一次进步，使理论土力学更“理论”。最后，笔者对自己前几篇论文不恰当的说法进行了更正。希望能对理论土力学的发展和水土压力计算有所帮助。

关键词：有效应力原理；新饱和土有效应力原理；推翻；理论土力学；进步；更正

【中图分类号】TU443 文献标识码：A

Can Terzaghi's effective stress principle

be overturned

Wang Guoyi

（PowerChina Chengdu Construction Investment Co. Ltd, Chengdu, Sichuan 610212)

Abstract: Based on Mr. liguangxin's thesis "can the principle of effective stress be overturned", the author analyzes the contents of Li (Mr. liguangxin) and puts forward his own views according to the principle of effective stress of new saturated soil. The author proposes that if the effective stress principle of new saturated soil is correct, it overturns the effective stress principle of taishaji, which is actually a progress of theoretical soil mechanics, which makes the theoretical soil mechanics more "theoretical". Finally, the author corrected the inappropriate statements of my previous papers. It is hoped that it can be helpful to the development of theoretical soil mechanics and the calculation of soil and water pressure.

Key words: effective stress principle; the effective stress principle of new saturated soil; overthrow; theoretical soil mechanics; progress; corrections.

0 引言

太沙基有效应力原理^[1]自从提出以来，由于有效应力原理在黏性土上的不适应性，越来越多的专家、学者对其正确性提出质疑，并提出自己的观点，希望能达到“水土分算”与“水土合算”的统一。王洪新^[2]把土的孔隙比、界限含水量、颗粒分析等物理参量引入水土压力计算中，提出一个水压力比率，把有效应力强度指标和总应力强度指标统一在一个强度公式中。并且给出了一个“水土分算”和“水土合算”的算法，实现了两者结果之间的过渡；刘发前^[3]提出对于单粒结构而言，“土压力”为土颗粒与所吸附结合水对地下结构物的作用，对于近似于絮状的结构，大部分流体水受到土颗粒的吸引、絮状结构的束缚无法形成流动水，有效土压力降低，水压力大打折扣，这就是黏性土中实测水土压力接近于“水土合算”的原因。方玉树^[4]提出水压率的概念，在此基础上修正了孔隙水压力、浮力、浮重度等的计算方法。李大鹏等^[5]通过引入折减系数，将适用于饱和砂土的狭义有效应力原理扩展到适用于饱和岩石等孔隙发育不充分介质的广义有效应力原理。在广义有效应力的基础上，以水土分算为基础，推导出了水土压力合算与分算的统一计算公式。吴小锋等^[6]结合渗透系数的物理意义及试验数据，建立所提出的新物理参数水道率与渗透系数的拟合方程，给出了一个可以统一水土分算和合算的算法，实现了水土压力分算和合算结果之间的过渡。以上的专家、学者都认为太沙基有效应力原理不适合黏性土的计算，中和应力中需要对孔隙水压力进行折减才能与实际相符。支持太沙基有效应力原理的专家、学者对太沙基有效应力原理提出质疑者进行了反驳，并坚持太沙基有效应力原理的正确性。李广信^[7～11]根据方玉树提出的水压率概念进行了反驳，并提出了自己的观点，坚持有效应力原理的正确性，但对于“水土合算”与太沙基有效应力不相符问题指出还需进行研究与探讨。太沙基有效应力原理的质疑者提出的公式也是根据经验提出来的，无理论基础。太沙基有效应力原理的支持者无法解释水土压力计算中黏性土不适合水土分算。太沙基有效应力原理的质疑者和支持者都不能说服对方，导致争论不断。笔者^[12～15]通过对岩土水平截面的力平衡原理，通过引入给水度参数，推导出新饱和土有效应力原理公式，实现了水土压力的统一计算。

笔者对李广信（以下简称李先生）的《有效应力原理能够推翻吗》（以下简称李文）的太沙基有效应力原理公式推导、饱和粘土的有效应力原理等内容进行分析，提出太沙基有效应力原理存在的问题，采用新饱和土有效应力原理解释更合理。同时，笔者提出如果太沙基有效应力原理被推翻实际上是理论土力学的一大进步，是在太沙基有效应力原理上的进步。

1 太沙基有效应力原理与新饱和土有效应力原理

1.1 太沙基有效应力原理

太沙基^[1]在《理论土力学》一书中提出了有效应力原理，并对无凝聚性土和凝聚性土进行了分析。

太沙基通过试验观察建立了有效应力原理公式：

σ=σ′+μ_w （1）

式（1）中：

σ—水平截面上的竖直总应力，kPa；

σ′--作用在土骨架上的力在水平截面上的竖直应力，kPa；

μ_w—孔隙水压力，kPa。

太沙基有效应力原理主要结论如下：一是孔隙水压力是中和应力，中和应力对土体的变形和强度无影响；二是土的有效应力等于总应力减去孔隙水压力；三是土的有效应力控制了土体的变形及强度；四是有效应力原理适用于砂土和粘土。

1.2 新饱和土有效应力原理

σ₁ =σ₁′+μ₁ （2）

μ₁=μ_w m₁ （3）

m₁=m^2/3 （4）

式（2）、（3）、（4）中：

σ₁—水平截面上的竖直总应力，kPa；

σ₁′--作用在土骨架上的力在水平截面上的竖直应力，kPa；

μ₁—孔隙水作用在水平截面上的竖直平均水应力，kPa；

m—岩土给水度;

m₁—中和应力系数。

新饱和土有效应力原理中的水应力（中和应力）是孔隙水压力产生的作用力在水平截面上的平均水应力，土骨架应力（有效应力）是土骨架之间传递的竖向力（土的浮容重产生的力）在水平面积上的平均应力。

1.3 对比分析

太沙基有效应力原理建立是通过试验观察建立，不是理论推导出来的；新饱和土有效应力原理是通过水平截面的力或应力平衡原理推导出来的。

太沙基有效应力原理的有效应力是土的浮容重产生的力在水平面积上的平均应力，浮力是按照阿基米德定律计算；新饱和土有效应力原理^[15]的有效应力是土的浮容重产生的力在水平面积上的平均应力，浮力是在阿基米德定律上的折减，折减到的系数与土的给水度有关。

2 笔者对李文的分析

1）李文中对所取的截面穿过颗粒的有效应力进行了分析，得出如下公式：

P/A=P’/A+(1-n) μ+ n μ （5）

式（5）中：

P—饱和土总作用力；

P’ —所有颗粒间接触点传递的总竖向力；

A—水平截面总面积；

n—孔隙面积在总面积中的占比；

μ—孔隙水压力。

但李先生认为“无论如何切割结果是一样的，关键在于接触面积可以忽略及”有效应力是颗粒间同方向的力被总面积除“。如果将颗粒断面上的应力”P’/A+(1-n) μ“定义为有效应力，则会得到P’=0时σ′=μ的错误理论。”

实际上如果将“P’/A+(1-n) μ”（作用在土骨架上的平均应力）认为是有效应力，那样式（5）与新饱和土有效应力原理式（2）就基本一样了，只是n与m₁的意义不同而已。如果将几块碎石放在地球最深的太平洋11000m海沟中，这时碎石上承受的有效应力是110MPa，碎石强度如果低于110MPa，将被孔隙水压成碎石小颗料，这也证明孔隙水压力可以是有效应力。

2）李文中对于饱和粘土的有效应力原理进行了分析，指出“一些人认为”结合水不能传递孔隙水压力“。这显然是误解。结合水分为强结合水和弱结合水，一般认为，弱结合水的下限是塑限含水率，上限是液限含水率。……但是，对于弱结合水，没有证据表明它在水动力特性方面不同于自由水。“

大多数人对太沙基有效应力原理提出质疑，主要是饱和黏性土从水土压力计算中不符合。李文中上述内容存在一定的问题，可以认为弱结合水的下限是塑限含水率，上限是液限含水率，但弱结合水的多少直接决定了饱和粘土的强度，同时饱和粘土在受压状态下弱结合水是可以转化为自由水的，当饱和粘土所受压力极大时，全部的弱结合水转化为自由水渗出，这实际上也是预压固结的真实原因。

由于以上原因，在计算中弱结合水不应该计入孔隙水（自由水）范围。因此，新饱和土有效应力原理采用给水度参数计算截面孔隙水通道面积是合理的。

3）李文中“有效应力原理与”李杜文章“一样是一颗树，要撼倒它首先要解决其无数的主根及根系，包括太沙基一维渗流固结理论，比奥固结理论，……，就像将“力学”从土力学抽出一样，“土力学”将中剩下“土了”……”

太沙基有效应力原理确实在理论土力学中占有重要地点，但太沙基有效应力原理是根，由于根的建立推导出其它理论，成为了一棵大树。太沙基有效应力原理被推翻，相关的理论都需要依据新理论重新推导。太沙基有效应力原理是由试验观察建立的，新饱和土有效应力原理是由力的平衡原理推导出来的，因此新饱和土有效应力原理比太沙基有效应力原理更“理论”一些，同时更能说明理论土力学是力学的一个分支。

3 太沙基有效应力原理被推翻的结果

J.K.Mitchell认为太沙基关于饱和土体的有效应力原理是土力学的“拱心石“^[16]。经典土力学中的太沙基一维渗流固结理论，比奥固结理论，土的排水与不排水强度及其指标，渗透变形，地基的预压渗流固结等许多课题，都是建立在有效应力原理基础上的。太沙基的有效应力原理也是土力学能够成为一门独立的力学学科的标志性理论^[11]。因此，李先生认为”如果推翻了有效应力原理而不理会这些问题。那么土力学的大厦就倾覆了。“。

太沙基对理论土力学的贡献是毋庸置疑的，在太沙基有效应力原理的基础上衍生了多个理论也是事实。但不能因此找各种理由来维持它的现状。就向哥白尼提出“日心说”的三个观点：（1）地球是球形的；（2）地球在运动；（3）太阳是不动的，而且在宇宙中心，地球及其他行星绕太阳做圆周运动。现在看来“日心说”中地球是球形的和太阳是不动的、是宇宙中心都是错误的。但没有任何人质疑哥白尼的贡献。

如果新饱和土有效应力原理正确，将在太沙基有效应力原理的基础上衍生的多个理论直接由新饱和土有效应力原理推导，将很快建立全新的理论土力学体系。太沙基有效应力原理如果能够被推翻，实际上是理论土力学的一大进步。太沙基有效应力原理的建立本身就是由试验观察建立，无理论基础，如果最终判定此原理是不正确的，实际上是太沙基犯了经验主义错误。希望众多学者以一个科学研究者的严谨态度看待这个问题，判断是通过试验观察建立的太沙基有效应力原理正确，还是由力的平衡原理推导出来的新饱和土有效应力原理正确。

4 新饱和土有效应力原理的更正

笔者^[12～15]在以前论文中对新饱土有效应力原理是这样解释的：“新饱和土有效应力原理：σ₁ =σ₁′+μ₁。式中: σ₁为平面上法向总应力, kPa; σ₁′为土骨架的竖直法向有效应力（土骨架重力、土骨架所受水浮力和此水平面孔隙水压力对土骨架切割面产生的竖直向下力的合力在平面上的平均应力）, kPa; μ₁为孔隙水压力传递到平面上的竖直平均水应力, kPa。”

通过一年多来的研究，此解释存在一定的问题，土骨架所受作用力只有土骨架重力和土骨架浮力，只是土骨架浮力不能按阿基米德定律计算而已。因此，新饱和土有效应力原理解释更正如下：“新饱和土有效应力原理：σ₁ =σ₁′+μ₁。式中: σ₁为平面上法向总应力, kPa; σ₁′为土骨架的竖直法向有效应力（土骨架重力和土骨架所受水浮力的合力在平面上的平均应力）, kPa; μ₁为孔隙水压力传递到平面上的竖直平均水应力, kPa。”

5 结论与展望

1）太沙基有效应力原理由试验观察建立，无理论基础；新饱和土有效应力原理由力的平衡原理推导，有理论基础。

2）李文中截面切割颗粒推导出的有效应力原理公式与新饱和土有效应力原理公式相同，只是引入的参数有所不同。

3）黏性土中的弱结合水不能传递静水压力，但可决定黏性土的强度，应与土颗粒一起看作土骨架。黏性土在压力作用下弱结合水可以转化为自由水，此时将传递静水压力，应看作孔隙水（自由水）。

4）新饱和土有效应力原理在正确的前提下是可以推翻太沙基有效应力原理的，由太沙基有效应力原理推导出来的相关理论应该由新饱和土有效应力原理重新推导。新的理论将是理论土力学的一大进步，使理论土力学更“理论”。

5）有效应力是土骨架作用力在截面上的平均应力。土骨架作用力是土骨架重力和土骨架所受水浮力的合力。

参考文献（References）：

[1] 美太沙基.理论土力学[J].徐志英.北京：地质出版社，1960 .

[2] 王洪新.水土压力分算与合算的统一算法[J].岩石力学与工程学报，2011,30(5)：1057-1064.

[3] 刘发前.再论“水土合算”与“水土分算”[J].城市道桥与防洪，2016，（1）：173-175.

[4] 方玉树.关于水压率理论与有效应力原理的几个问题[J].重庆建筑，2016，15（45）：39-46.

[5] 李大鹏，唐德高，黄牧，等.基于广义有效应力原理的水土压力统一计算理论[J].水文地质工程地质，2014，41（5）：82-89.