论土颗粒取土骨架

1.土骨架观点的由来、界说与意义

土骨架这一观点源于饱和土体的有用应力道理：土体上的总应力由作用于土骨架上的有用应力和作用于孔隙水上的孔隙水压力负担，此中有用应力决定了土的变形与强度。可表述为：

有别于其他学科，这里提出了“土骨架”这一奇特的观点，此观点的奇特源于土质料的奇特。土是由碎散的颗粒构成的多孔的介质，合则成体，散则无形。颗粒组成骨架是成为土的最根本条件。土骨架是由相互打仗与团结的颗粒组成的构架体，它有负担（有用）应力的本领，它具有土体的全部体（面）积，但不包罗孔隙中的水与气体。

在无重力的广袤的宇宙空间存在有太空灰尘；在污浊的黄河中翻滚着泥浆浊水，此中会包罗有大量的矿物颗粒，它们之间不打仗、不团结，天马行空，各不相谋，没形成骨架，也没有厚德载物的属性。它们不称为土，亦不在土力学的领域。基于此，可以界说为：土力学是研究土骨架学性状及其影响身分的学科。

2.土体、土骨架与土颗粒的重度

因为土骨架具有土体同样的体积，土骨架又不包罗孔隙中的水和睦体，假如纰漏了孔隙中气体的重量，则土体的干重度也就即是土骨架的重度。

土力学中有“浮重度”这一术语，而其他任何学科与工程范畴都没有这一说法，钢材、混凝土、土工合成质料没有所谓的浮重度，木料的浮重度则成为“负重度”。

图1 土体的浮重度与土骨架的浮重度

在图1中的上图，水下饱和土体的浮重度，即是单元体积饱和土体的重量减去单元体积水的浮力（即单元体积水的重量）。亦即

在图1中的下图，水下土骨架的浮重度，即是单元体积土骨架的重量，减去水对单元体积土骨架中的颗粒的浮力，即

因为饱和土体中的孔隙水重力与其浮力抵消，以是土体的浮重度与土骨架的浮重度是相称的。

在某些课本和讲课中，偶然会殽杂“土颗粒”的浮重度与土骨架的浮重度，这是完全差别的两个观点，一个单元体积的土颗粒在水中假如有“浮重度”的话，该当表现为：

GS为颗粒矿物的比重，普通饱和土体与土骨架的浮重度为γ=10kN/m3左右，而所谓土颗粒的浮重度γp’则可到达17kN/m3左右。它实在是构成颗粒的矿物的单元体积重力减去水对它的浮力。

3.有用应力与土骨架

另一个常犯的错误便是讲“作用在土颗粒上的有用应力”。如上所述，依据有用应力道理，有用应力的作用工具是土骨架。图2是该道理推导的常用表示图。

图2有用应力道理推导的表示图

这里有用应力的界说为：

实在它是在MM面的全部颗粒间打仗点力的竖向重量Psvi 之和被MM面的程度投影面积除。可见有用应力是一个商定俗成的、表观的、均匀的、等效的应力，A是土骨架的面积，有用应力是反应颗粒间通报的力，而不是颗粒内自己的应力。

在图3中，如纰漏颗粒的重量，在水下的各向等压水压力作用下，颗粒任何截面上的正应力都即是孔隙水压力σs=u。

在图2中的NN平面，由荷载σ×A引起的，切割的全部颗粒截面上的均匀应力σs=σ×A/[A(1-n)]=σ/(1-n)，明显这弘远于由荷载σ×A引起的有用应力。

图3 在各向等压水压力下的土颗粒

图4 土骨架上的有用应力与弹簧钢丝的应力

图4是太沙基一维凝结理论的物理模子，此中弹簧代表土骨架，在透水活塞上作用以荷载P，在孔隙水中引起超静孔压u，则在土骨架上引起的有用应力为：

但你要盘算组成弹簧的钢丝的最大应力则为：

α为钢丝的横断面，可见σs会比σ’大千百倍。

土体的变形与粉碎时源于颗粒间的滑移、翻滚、嵌入、拔出、打仗点的破裂等，决定的身分是反应颗粒间打仗力的有用应力，与颗粒内部的应力根本无关。

4.渗入渗出力与土骨架

一个禁绝确的说法是所谓“土颗粒上的渗入渗出力”，外貌看起来渗入渗出力便是作用于土颗粒上的推压力与拖曳力。但这只是外貌的征象。

（1）我们都知道渗入渗出力引起的是有用应力，如上所述，有用应力是作用于土骨架上的，存眷作用于颗粒上的“渗入渗出力”，而不思量骨架中颗粒间的相互作用，对土力学毫偶然义。

（2）渗入渗出力是一个别积力，这个别积是土骨架的体积不是土颗粒的体积。作用于单元体积土骨架上的渗入渗出力为

，作用于单元体积土颗粒上的渗入渗出力为：

图5.解说渗入渗出力的表示图

图5是解说渗入渗出力机理的常用的表示图：孔隙水向右流淌，左侧的压力代表颗粒两侧的水压力差，与颗粒相切的力即为“拖曳力”，它们便是孕育发生渗入渗出力的本源。但是这种离开了凝结群体的单独颗粒阐发也就离开了土力学的本意。好比其右侧标识的是j，j原来是单元土骨架体积的渗入渗出力，而这里彷佛是单元体积土颗粒的渗入渗出力。没有相邻颗粒间的作用，这个伶仃的颗粒的渗入渗出力j又是怎么均衡的呢？

图6 土骨架中渗入渗出力表示图

图6因此土骨架为工具阐发渗入渗出力。假设很多六面体的土颗粒组成骨架，其高和长度都是1.0，颗粒宽度为（1-n），间距为n,n是土的孔隙比。如许每个土颗粒在骨架中所占的体积便是1×1×（1-n+n）=1.0 。可见上卑鄙两侧水头差为△h，渗径为1.0，水力坡降i=△h，则单元体积骨架的渗入渗出力j=iγw，此中i(1-n)γw这部门体现为两侧的去世的推压力，而inγw这部门（孔隙部门的压力差）则是流经孔隙水流对颗粒侧壁施加的拖曳力。

以是在土力学中不克不及脱离土骨架这一群体研究颗粒个别，在涉及到土颗粒与渗入渗出力时必然要细致是土骨架中的颗粒，此中是某个别积为Vsi颗粒，它在土骨架中所据有的体积是Vs/i(1-n)，此中Vsi是某个颗粒的体积。好比流土的临界条件是作用于（单元体积）土骨架的向上的渗入渗出力即是土骨架的浮重度，而不是颗粒上的渗入渗出力即是土颗粒的浮重度。

5.个别与群体

大量的颗粒群体形成土骨架才有了土这种聚集体，才有了支持万物的本领。土力学关怀的是这个群体，其颗粒的力学性状该当是工程地质学或修建质料学关怀的题目。在土骨架中颗粒会受到孔隙流体的作用而相互离开，使骨架崩溃。如因为流土而悬起，因为液化而分离，因为冲洗而流淌，因为风暴而迁移。一旦骨架崩溃形成泥石流、沙尘暴而一溃千里，就已经离开了土力学的范畴，进入了流体力学多相流的领域。在多相流中颗粒与流体间也有相互作用的推动与拖曳，但它们成为这种流体的内力，而不是土力学中的渗入渗出力。