土骨架的概念

土骨架的概念

方玉樹

（后勤工程學院，重慶 400041）

1  土骨架的定義

“土骨架是由土顆粒相互接觸形成的構架體，其孔隙中充滿了孔隙流體（液態或氣態）”這個定義不正確：

1. “其孔隙中充滿了孔隙流體（液態或氣態）”這句話應刪除。土骨架是不包括自由水和自由氣體的，如果包括自由水和自由氣體，土骨架就變成了土。

2. “土骨架是由土顆粒相互接觸形成的構架體”這句話概括不了有粘性土（無粘性土之外的土）。有粘性土顆粒之間不接觸，被結合水隔開。對有粘性土，顆粒無法形成骨架，由顆粒和其表面的結合水膜組成的膠團才是接觸的。即使是粘性土中的所謂干土，也有強結合水。

正確的土骨架定義是土中由顆?；蚰z團接觸形成的架構體。

2土骨架和土的區別

土骨架不等于土。土中可以有自由水，土骨架中無自由水。土有滲流和固結現象，土骨架無滲流和固結現象。所以，不能認為“土力學就是研究土骨架的力學特性及其影響因素的學科”。

因土骨架中無自由水、無自由氣體，故土骨架的體積是土骨架中所有顆?；蚰z團的體積之和，因此“土骨架的體積是整個土體的體積”的說法不正確。

土中應力（有效應力和中性應力）所涉及的截面是在顆?；蚰z團之間通過的宏觀上是平面的曲面。因此，土骨架的面積是這個截面上的顆?；蚰z團之間接觸面積率與這個截面面積之積【對飽和土，顆?；蚰z團之間接觸面積率與自由水面積率（即水壓率理論中的水壓率）是互補的，二者之和等于1，水壓率越小，顆?；蚰z團之間接觸面積率越大】。因此“土骨架的面積是整個土體的面積”的說法不正確。

“土骨架的面積是整個土體的面積”的說法也與“有效應力正是作用于單位土骨架面積上的力”的說法矛盾，因為：如果土骨架的面積是整個土體的面積，那么，單位土骨架面積就是單位土面積，作用于單位土骨架面積上的力就是作用在單位土面積上的力，就是總應力而不是有效應力了。

由于土力學研究的是土而不是土骨架，所以，土的有效應力是土的總應力中的有效部分或者說是土的總應力中引起土體變形的那部分應力，土的中性應力（飽和土的孔隙水壓力）是土的總應力中的中性部分（無效部分）或者說是土的總應力中不引起土體變形的那部分應力。

3有粘性土骨架和無粘性土骨架的特點及其意義

有粘性土骨架中的結合水體積是可以變化的。一方面，一部分結合水可以汽化，另一方面，土受力后結合水在顆粒表面上轉移，會造成超過結合水最大厚度的那部分結合水轉化為自由水，繼而排出，這些都導致膠團不能像顆粒那樣維持體積不變，從而導致由膠團構成的骨架不能像顆粒構成的骨架那樣維持體積不變。

結合水的部分汽化和自由水化正是有粘性土產生的次固結比無粘性土明顯、結合水含量越高次固結越明顯的原因。因此，對有粘性土，主固結能用有效應力概念分析，次固結不能用有效應力概念分析。Skempton曾說，有效應力應通過強度或變形等效的原則計算。這些說法對有粘性土而言不夠準確，變形或強度的等效應僅限于主固結而不包括次固結，但次固結是伴隨著主固結的。

按上述土骨架的定義，對水位面以下的飽和有粘性土，當土中無自由水（即土中水全是結合水）時，土骨架的體積等于土的體積，土骨架的面積等于土的面積，土骨架的質量等于土的質量，所以，此時，土骨架的密度等于土的密度（即飽和密度），同時，此時的孔隙水壓力為0，浮力為0，故土的浮重度等于飽和重度，土中有效應力等于總應力。自由水含量越接近于0，孔隙水壓力越接近于0，浮力越接近于0，土的浮重度越接近于飽和重度，土中有效應力越接近于總應力。

對水位面以下的飽和無粘性土，土中水均為自由水，它不是土骨架的組成部分，土骨架的體積總是小于土的體積，土骨架的面積總是小于土的面積，土骨架的質量總是小于土的質量，同時，當顆粒接觸面積率視為0時，此時的孔隙水壓力等于水體水力學上的水壓強，浮力符合阿基米德定律，故土體的浮重度等于飽和重度與水的重度之差，土中有效應力總是小于總應力。

因此，對多個水平土層組成且含有有粘性土層的土體，雖然總應力沿深度的變化是連續的，但孔隙水壓力沿深度的變化是不連續的，有效應力沿深度的變化也隨之不連續。

這就是基坑突涌為何不發生于承壓含水層隔水頂板內部而發生于隔水頂板底面的原因。

滲流方向向上時，對均質土，基于流土臨界方程就是滲流條件下有效應力為0進行推演，流土臨界水力坡度計算式為：

式中為水壓率，隨著骨架中顆?；蚰z團之間接觸面積率的變化而反向變化，骨架中顆?；蚰z團之間接觸面積率由0變化到1時，水壓率由1變化到0。

這就是為何有粘性土相對于細砂、粉砂不易發生流土或者說水力坡度遠遠大于1時很多粘性土還未發生流土的原因。