土骨架：一個可有可無卻容易誤解的概念

土骨架：一個可有可無卻容易誤解的概念

——與一位知名學者對話

方玉樹

（后勤工程學院，重慶 400041）

1.您說土骨架是一個非常重要的概念。我的看法是：土骨架就是土的結構或組織。既然有了土的結構這個概念，就不需要土骨架這個概念了。

重視土骨架概念的還有其他學者。沈珠江先生曾經指出：“引入粒間應力的概念，除了容易引起混亂以外，別無實際意義”。在我看來，過于強調土骨架概念的重要性，除了容易引起混亂以外，也別無實際意義。

2.您說：“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）”。我認為，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氣體的，如果包括自由水和氣體，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”這句話概括不了粘性土。對粘性土，粗粒與細粒之間、粗粒集合體與周圍細粒之間、細粒之間、由靜電吸力形成的細粒集合體之間不接觸，被結合水隔開。單靠顆粒無法形成土骨架（土結構）。由細?；蚣毩＜象w和其表面的結合水膜組成的膠團之間或膠團與粗?；虼至＜象w之間才是接觸的，才能形成土骨架（土結構）。即使是粘性土中的所謂干土，也有強結合水。結合水是造成粘性土結構不同于無粘性土結構的主要原因，靜電吸力與斥力使粘性土結構復雜化和變化。

土骨架應是土中由顆?；蚰z團接觸形成的架構體，也就是土的結構或土的組織。

粘性土骨架（結構）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結構不能像顆粒構成的結構那樣維持體積不變。

結合水的部分汽化和自由水化正是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（也只有在此時），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。

3.您說：“土力學就是研究土骨架的力學特性及其影響因素的學科”。 您這樣說就把土和土骨架（土結構）混淆起來了。土骨架（土結構）不等于土。土中有自由水和氣體，土骨架（土結構）中無自由水和氣體。土有滲流和固結現象，土骨架（土結構）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”。

4.您說：“土骨架的體（面）積是整個土體的體（面）積”。您這樣說就又把土和土骨架（土結構）混淆起來了。因土骨架（土結構）本身無自由水、無氣體，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（土結構）的面積是這個截面上的顆粒（或膠團）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。

您的“土骨架的面積是整個土體的面積”的說法也與您的“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（土結構）的面積是整個土體的面積，那么，單位土骨架（土結構）面積就是單位土面積，作用于單位土骨架（土結構）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（土結構），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。

5.您說：“對于干土，土骨架的密度就是土的干密度”；對于飽和土，“土骨架的浮重度就是土體的浮重度”。這樣豈不是土骨架（土結構）的重度（密度）等于土的重度（密度），土骨架（土結構）就是土了？

6.您說：土的變形決定于土骨架的變形，而“土骨架像一個絲瓜瓤一樣是一個宏觀的整體”。您這樣說給人的印象是：土在變形時顆?；蚰z團接觸點的位置是不變的。

土的變形由顆粒之間的相對位移引起，這種相對位移包括靠攏、離開、各種方向的剪切（對膠團而言，這種相對位移伴隨著結合水膜厚度的變化）。顆粒之間的相對位移難度越大，土的抗變形能力和強度越高（您指導研究生進行的復合地基材料試驗結果與此規律一致）。顆粒之間的相對位移必然造成顆?；蚰z團接觸點的位置發生變化。比如：疏松結構的土在變形后成為密實結構的土時接觸點數量大大增加了，接觸點位置也必然發生很大變化。這是土具有剪脹、剪縮的特性和在有主應力差條件下體積應力引起剪應變的特性的原因。按您的說法，剪脹、剪縮的特性和在有主應力差條件下體積應力引起剪應變的特性是不會有的。

因此，只要強調土的變形由顆粒之間的相對位移引起就好。

總之，土骨架（土結構）+充滿自由水或氣體的孔隙=土。