新饱和土有效应力原理不恰当说法的更正

笔者优化了太沙基有效应力原理已经有一年多了,陆续推出几篇论文。但在研究过程中,关于有效应力的说法存在一定的问题,现给予更正,希望能将此理论更加完善。

1、有效应力说法更正的内容

在《饱和土有效应力原理下的水土压力分算和合算的统一计算》一文中有效应力是这样解释的:“根据上述论述,饱和土应力公式可定义为饱和土有效应力原理,是在太沙基有效应力原理基础上的优化。现对其定义并进行解释。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。”在《再谈新饱和土应力原理与水土压力的统一计算》和《有效应力原理再分析与琼州海峡隧道盾构平衡压力计算探讨》论文中有效应力也有类似说法(如下图)

其中,土骨架的竖直法向有效应力σ1′的说法:“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)”是不正确的。 笔者在《谈太沙基有效应力原理的是是非非》和《新饱和土有效应力原理下的地下建筑浮力计算》论文中已经进行了更正(如下图)。

2、有效应力说法更正的原因

去年研究有效应力时,笔者总认为“有效应力的产生是土骨架重力、土骨架体积所受浮力与孔隙水压力对土骨架切割面产生的竖直向下力的合力在水平截面上的平均应力”。但在深入研究时发现土骨架体积所受浮力与孔隙水压力对土骨架切割面产生的竖直向下力的合力实际上就是土骨架所受浮力。如下图。

如上图,对水平截面上的一个土颗粒进行分析,A1面积下方是不受孔隙水压力的,阴影3体积是无浮力的,只有孔隙水压力对阴影3部分向下的作用力。虽然土骨架体积所受浮力与孔隙水压力对土骨架切割面产生的竖直向下力的合力与土骨架浮力值是相等的,但这种说法是不对的。因为,土骨架体积所受浮力将阴影3体积的浮力计算在内,减去孔隙水压力对土骨架切割面产生的竖直向下力正好抵消,但被切割土颗粒上部周围的孔隙水压力不会与切割面的孔隙水压力相等。因此,在实际中这种情况是不存在的(尤其是粘土中所谓的“土颗粒”体积会很大)。

综上所述,土骨架除重力外,实际上只有浮力,浮力是孔隙水压力差产生的合力(未被切割的土颗粒浮力与阴影1和阴影2体积的浮力合减去孔隙水压力对阴影2的向下作用力)。

3、土骨架浮力的计算(引用《新饱和土有效应力原理下的地下建筑浮力计算》)

如上图可知,土骨架浮力是在阿基米德定律上的折减,与给水度参数有关。

4、总结

新饱和土有效应力原理由力的平衡原理推导出来,中和应力与太沙基有效应力原理中的中和应力不同,推导出来的有效应力相应不同,导致土骨架的浮力也不同。这是一个系统推导过程。希望此次更正让更多的人理解此理论。

当然,有的专家、学者提出弱结合水是否传递静水压力还处于讨论阶段,未形成统一意见。但从弱结合水定义来分析,它受土颗粒引力的影响,不能自由流动,也可以理解为弱结合水的重力与土颗粒和水颗粒之间的引力相平衡,不能自由流动不应该列入重力水范围。实际上弱结合水量的多少直接影响的是土骨架的静止侧压力系数,从这一描述来看也不应将弱结合水列入重力水范围。当饱和岩土受压弱结合水转化为自由水(重力水)时,饱和岩土的给水度发生变化,中和应力系数要相应发生变化。

当然,中和应力系数可能存在争论,但根据力的平衡原理推导出来的新饱和土有效应力原理公式应该是正确的。纵观岩土相关参数,利用给水度参数推导m1值相对来说最准确。

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