論孔隙水壓力與超孔隙水壓力有關的分類

論孔隙水壓力與超孔隙水壓力有關的分類

方玉樹

（后勤工程學院   重慶  400041）

目前，孔隙水壓力與超孔隙水壓力有關的分類有三個方案【1】。

方案一：將孔隙水壓力分為“靜孔隙水壓力”、“超靜孔隙水壓力”和滲流孔隙水壓力。將“靜孔隙水壓力”定義為“在靜止的地下水位以下土中的水壓力”，將“超靜孔隙水壓力”定義為“飽和土體中一點的孔隙水中超過靜水壓力的那一部分”，將“滲流孔隙水壓力”定義為“在滲流場中的孔隙水壓力”。

方案二：將孔隙水壓力分為“靜孔隙水壓力”和“超靜孔隙水壓力”，其中，“靜孔隙水壓力”是“靜止的地下水位以下的孔隙水壓力”，“超靜孔隙水壓力”包括“靜止的地下水位以下的孔隙水壓力”以外的孔隙水壓力（即在滲流場中的孔隙水壓力）。

方案三：將孔隙水壓力分為“靜孔隙水壓力”和“超靜孔隙水壓力”（其中，“靜孔隙水壓力”包括“靜止的地下水以下土體中的孔隙水壓力”和“穩定滲流場土體中的孔隙水壓力”），將“靜孔隙水壓力”定義為“不會引起土體體積變化的孔隙水壓力”，將“超靜孔隙水壓力”定義為“土體有變化趨勢時而產生的孔隙水壓力”或者“由土的體變趨勢引起的孔隙水壓力”。

本文分析這些分類方案存在的問題，提出新的分類方案，并論述了孔隙水壓力類型的變化。

1  方案一存在的問題

1.1  “靜孔隙水壓力”定義混淆了超孔隙水壓力和非超孔隙水壓力的概念

當地下水靜止時，承壓含水層頂面孔隙水壓力不為0，承壓含水層中對應于承壓水頭的孔隙水壓力（即承壓含水層頂面孔隙水壓力）都是超孔隙水壓力。

由此可知，“靜止的地下水位以下土體中的孔隙水壓力”既包括非超孔隙水壓力也包括超孔隙水壓力。因此，不分超孔隙水壓力和非超孔隙水壓力, 將所有“靜止的地下水位以下土體中的孔隙水壓力”都劃入屬于非超孔隙水壓力的“靜孔隙水壓力”的做法混淆了超孔隙水壓力和非超孔隙水壓力的概念。

1.2  “超靜孔隙水壓力”定義未涵蓋負值超孔隙水壓力

該方案將“超靜孔隙水壓力”定義為“飽和土體中一點的孔隙水中超過靜水壓力的那一部分”。因靜水壓力不小于0，根據這個定義，“超靜孔隙水壓力”作為“超過靜水壓力的那一部分”也不小于0。因此，這個定義將本應包括在內的負值超孔隙水壓力排除在外了。

1.3  “滲流孔隙水壓力”類型未區分超孔隙水壓力與非超孔隙水壓力

當地下水流動時，無論滲流是穩定滲流還是非穩定滲流，承壓含水層頂面孔隙水壓力不為0，承壓含水層中對應于承壓水頭的孔隙水壓力（即承壓含水層頂面孔隙水壓力）都是超孔隙水壓力；對地下水處于穩定滲流狀態的無壓含水層，孔隙水壓力都是非超孔隙水壓力。

由此可知，“滲流場土體中的孔隙水壓力”既包括非超孔隙水壓力也包括超孔隙水壓力。因此，將“滲流場土體中的孔隙水壓力”單獨劃為一類，沒有達成區分超孔隙水壓力和非超孔隙水壓力的目標，使分類的意義大減。

2  方案二存在的問題

2.1  種類命名與歸屬混淆了靜孔隙水壓力和動孔隙水壓力的概念

無論是穩定滲流還是非穩定滲流，滲流場都屬于地下水動力學研究的范疇，研究滲流都要用到滲流定律（達西定律）。研究靜止的地下水則用不上滲流定律。處于靜止狀態的地下水無法涵蓋處于滲流狀態的地下水?！办o孔隙水壓力”是動孔隙水壓力的特例，動孔隙水壓力計算方法適用于靜孔隙水壓力，而計算點到水位面距離可做為壓力水頭這種適用于靜孔隙水壓力計算的方法不適用于動孔隙水壓力計算。

從名稱上看，“靜孔隙水壓力”和“超靜孔隙水壓力”都應是指地下水處于靜止狀態時的孔隙水壓力，因此，將“滲流場土體中的孔隙水壓力”劃入“超靜孔隙水壓力””的做法混淆了靜孔隙水壓力和動孔隙水壓力的概念。

2.2  種類命名與歸屬混淆了超孔隙水壓力和非超孔隙水壓力的概念

1.1節和1.3節的分析已經指出，“靜止的地下水位以下土體中的孔隙水壓力”和“滲流場土體中的孔隙水壓力”這兩種孔隙水壓力都既包括非超孔隙水壓力也包括超孔隙水壓力。因此，不分超孔隙水壓力和非超孔隙水壓力, 將所有“靜止的地下水位以下土體中的孔隙水壓力”都劃入屬于非超孔隙水壓力的“靜孔隙水壓力”的做法混淆了超孔隙水壓力和非超孔隙水壓力的概念，將所有“滲流場土體中的孔隙水壓力”都劃入屬于超孔隙水壓力的“超靜孔隙水壓力”的做法也混淆了超孔隙水壓力和非超孔隙水壓力的概念。

3  方案三存在的問題

在對方案三進行分析之前，需將“靜止的地下水以下土體中的孔隙水壓力”更改為“靜止的地下水位面以下土體中的孔隙水壓力”，這是因為“地下水以下”這種說法所指示的位置不明確，容易被誤讀。

與方案二相比，方案三只是將方案二中的“穩定滲流場土體中的孔隙水壓力”從“超靜孔隙水壓力”移至“靜孔隙水壓力”，并對“靜孔隙水壓力”和“超靜孔隙水壓力”進行了定義。

這個分類方案雖然獲得的認可度較高，但存在的問題較多。

3.1  種類命名與歸屬混淆了靜孔隙水壓力和動孔隙水壓力的概念

2.1節已經指出，靜孔隙水壓力是動孔隙水壓力的特例，不能包括動孔隙水壓力。從名稱上看，“靜孔隙水壓力”和“超靜孔隙水壓力””都應是指地下水處于靜止狀態時的孔隙水壓力，因此，不僅將“穩定滲流場土體中的孔隙水壓力”劃入“靜孔隙水壓力”的做法混淆了靜孔隙水壓力和動孔隙水壓力的概念，而且將“非穩定滲流場土體中的孔隙水壓力”劃入“超靜孔隙水壓力”的做法也混淆了靜孔隙水壓力和動孔隙水壓力的概念。

該方案提出者將穩定滲流場土體中的孔隙水壓力劃入“靜孔隙水壓力”的論據是：“在不斷自轉和公轉的地球上，我們仍然認為很多東西是靜止的，在穩定滲流場中的孔隙水壓力不隨時間變化，這也是一種相對的靜止?！边@種說法混淆了不同的參照系。在不斷自轉和公轉的地球上，被我們仍然認為是靜止的那些東西是對所用參照系而言無位置變化的東西。穩定滲流場中水質點的位置一直在變化，正因為水在運動中要克服阻力，水頭才在運動方向上不斷降低而無法象靜水那樣處處相等。因此，穩定滲流場中的孔隙水壓力顯然不能視為靜止的地下水位面以下土體中的孔隙水壓力。

3.2  種類命名與歸屬混淆了超孔隙水壓力和非超孔隙水壓力的概念

1.1節和1.3節的分析已經指出，“靜止的地下水位面以下土體中的孔隙水壓力”、“穩定滲流場土體中的孔隙水壓力”、“非穩定滲流場土體中的孔隙水壓力”這三種孔隙水壓力都既包括非超孔隙水壓力也包括超孔隙水壓力。因此，不分超孔隙水壓力和非超孔隙水壓力, 將所有“靜止的地下水位面以下土體中的孔隙水壓力”和所有“穩定滲流場土體中的孔隙水壓力”都劃入屬于非超孔隙水壓力的“靜孔隙水壓力”的做法混淆了超孔隙水壓力和非超孔隙水壓力的概念，將所有“非穩定滲流場土體中的孔隙水壓力”都劃入屬于超孔隙水壓力的“超靜孔隙水壓力”的做法也混淆了超孔隙水壓力和非超孔隙水壓力的概念。

3.3  “靜孔隙水壓力”定義混淆了超孔隙水壓力和非超孔隙水壓力的概念

根據有效應力原理，飽和土體應力中的孔隙水壓力不是有效應力，只有有效應力才能引起由顆?；蚰z團之間的相對位移造成的體變，因而不存在會引起這種體變的孔隙水壓力，換句話說，不僅“靜孔隙水壓力”是“不會引起土體體積變化的孔隙水壓力”，“超靜孔隙水壓力”也是“不會引起土體體積變化的孔隙水壓力”。將“靜孔隙水壓力”定義為“不會引起土體體積變化的孔隙水壓力”使“超靜孔隙水壓力”與“靜孔隙水壓力”無法區分。

3.4  “超靜孔隙水壓力”定義混淆了超孔隙水壓力和非超孔隙水壓力的概念

根據有效應力原理，顆?；蚰z團之間的相對位移引起的體變是由有效應力引起的，獲得有效應力增量時就有這種體變，未獲得有效應力增量時就無這種體變。換句話說，無論是只有“靜孔隙水壓力”的土體、有“超靜孔隙水壓力”的土體、無孔隙水壓力的土體，都可以有這種體變趨勢，也都可以無這種體變趨勢。將“超靜孔隙水壓力”定義為“土體有變化趨勢時而產生的孔隙水壓力”或者“由土的體變趨勢引起的孔隙水壓力” 使“超靜孔隙水壓力”與“靜孔隙水壓力”無法區分。

4  新分類方案

筆者提出的分類方案是：地下水中某點的壓力水頭是該點以地下水上表面為水位面的壓力水頭與地下水上表面的壓力水頭之和。根據壓力水頭來源的不同，將孔隙水壓力分為?？紫端畨毫统紫端畨毫?，將?？紫端畨毫Χx為孔隙水壓力中與以地下水上表面為水位面的壓力水頭對應的部分，將超孔隙水壓力定義為孔隙水壓力中與地下水上表面的壓力水頭對應的部分。

該分類方案有以下特點：

1.有明確和統一的分類依據。這個分類依據就是壓力水頭來源的不同：是地下水上表面壓力水頭還是以地下水上表面為水位面的壓力水頭。至此，孔隙水壓力與超孔隙水壓力有關的分類可以稱為按壓力水頭來源進行的分類。

2.涵蓋了現場土體和固結試驗用的土樣。

固結試驗用的土樣高度極?。ㄅc附加應力相比，其自重應力可忽略不計），以地下水上表面為水位面的壓力水頭可視為0，故土樣的?？紫端畨毫梢暈?；但對飽和土樣施加荷載使地下水上表面壓力水頭不為0，導致土樣的超孔隙水壓力不為0。

對有地下水的現場土體，因地下水位面以下各深度處以地下水上表面為水位面的壓力水頭大于0，故有?？紫端畨毫?；對承壓含水層，因地下水上表面壓力水頭不為0，故除了有?？紫端畨毫€有超孔隙水壓力；新增荷載而非水位升降使無壓含水層獲得應力增量時，在獲得應力增量的一瞬間，因無壓含水層中地下水上表面壓力水頭不再為0，故除了有?？紫端畨毫σ策€有超孔隙水壓力。

3.涵蓋了正值和負值的超孔隙水壓力。地下水上表面的壓力水頭可正可負。地下水上表面壓力水頭大于0 時，相應孔隙水壓力大于0，故超孔隙水壓力為正值；地下水上表面壓力水頭小于0時，相應孔隙水壓力小于0，故超孔隙水壓力為負值。

4.明確區分了超孔隙水壓力和非超孔隙水壓力。

在確定的條件下，根據本方案，可以明確界定孔隙水壓力是?？紫端畨毫€是由?？紫端畨毫统紫端畨毫M成，對后者，可以明確界定哪部分是?？紫端畨毫?，哪部分是超孔隙水壓力。

5  孔隙水壓力類型的變化

5.1  孔隙水壓力類型隨時間變化

土體所處的時間不同可能使孔隙水壓力類型不同。這是因為地下水上表面壓力水頭的有無是可以隨時間變化的。當隨著時間的增長，地下水上表面壓力水頭從無到有（如：隨著水位的升高，無壓含水層變成承壓含水層）時，超孔隙水壓力從無到有；當隨著時間的增長，地下水上表面壓力水頭從從有到無（如：隨著水位的降低，承壓含水層變成無壓含水層）時，超孔隙水壓力從有到無?；娱_挖、靜荷載、動荷載、蒸發、降水、抽取或回灌地下水、補給排泄條件等這些隨時間變化的因素都可以造成地下水上表面壓力水頭的有無發生變化。

5.2  相鄰的無壓含水層和承壓含水層邊界上的孔隙水壓力類型可以因歸屬的不同而變化但大小不因歸屬的不同而變化

相鄰的無壓含水層和承壓含水層邊界是這兩類含水層的公共部分。當把邊界視為無壓含水層的組成部分時，邊界上的孔隙水壓力類型同無壓含水層的孔隙水壓力類型；當把邊界視為承壓含水層的組成部分時，邊界上的孔隙水壓力類型同承壓含水層的孔隙水壓力類型。

但是，邊界上各點的孔隙水壓力大小不會因把邊界視為無壓含水層的組成部分或視為承壓含水層的組成部分而變化。

無壓含水層和承壓含水層相鄰不僅是一種自然地質現象，也是一種工程地質現象。當墻面、墻底、墻背的地下水形成滲流時，具有較大埋深的重力式擋墻（如水泥土擋墻）的修建就造成無壓含水層和承壓含水層相鄰：墻面和墻背的地下水所在含水層是無壓含水層，墻底地下水所在含水層是承壓含水層（擋墻充當隔水頂板）。

在擋墻抗傾覆穩定性計算中，相關標準都將墻背孔隙水壓力合力視為作用項，但對待墻底孔隙水壓力合力與墻面水壓力合力則有不同規定：有的將墻底孔隙水壓力合力視為作用項，將墻面水壓力合力視為抗力項【2】；有的將墻底孔隙水壓力合力和墻面水壓力合力均視為抗力項（前者為負的抗力項）【3】；有的將墻底孔隙水壓力合力視為負的抗力項，將墻面水壓力合力視為負的作用項【4】。有的學者也反復強調應采用后一種做法【5,6】。

其實這些規定都是不正確的：墻趾既屬于墻面也屬于墻底，墻踵既屬于墻背也屬于墻底。因抗傾覆穩定安全系數不是1而是一個顯著大于1 的數，將墻背、墻底和墻面孔隙水壓力合力三者中的某一個或兩個視為作用項，將另兩個或一個視為抗力項必然造成不同含水層邊界上的孔隙水壓力大小不等。

正確的做法是將墻背、墻底和墻面孔隙水壓力合力三者均視為作用項（其中墻面孔隙水應力合力視為負的作用項）。其實，只要將抗傾覆穩定系數定義為擋墻重度調整系數（它和抗剪強度參數調整系數一樣屬于抗力參數調整系數），就可實現這一點并使與擋墻抗傾覆穩定性有關的各個力的歸屬（是歸入作用項還是歸入抗力項）明確【7】。

在一些學者看來，在擋墻抗傾覆穩定性計算中將墻底孔隙水壓力合力視為負的抗力項，是有效應力原理的應用，因為只有有效應力的變化才引起固結和強度的變化。這里有一個邏輯錯誤即因果關系不成立，因為擋墻抗傾覆穩定性計算不是固結及強度驗算（既不涉及變形指標也不涉及強度指標），并不是有效應力原理的應用領域。

在擋墻抗滑移穩定性計算中將墻底孔隙水壓力合力視為負的抗力項，才是有效應力原理的應用，因為擋墻抗滑移穩定性計算涉及土與擋墻接觸面強度指標，是土與擋墻接觸面強度驗算。在擋墻抗滑移穩定性計算中將墻底孔隙水壓力合力視為負的抗力項而將墻背與墻面孔隙水壓力合力視為作用項（其中墻面孔隙水應力合力視為負的作用項），不會造成不同含水層邊界上的孔隙水壓力大小不等，這是因為：擋墻抗滑移穩定系數是抗剪強度參數調整系數，在擋墻抗滑移穩定性計算中是通過調整土與擋墻接觸面強度參數使土與擋墻接觸面處于極限平衡狀態的。

目前，違反和誤解有效應力原理的現象較為普遍，并不限于本文介紹的情況，對應于有效應力的抗剪強度指標可采用在不固結不排水總應力強度指標與有效應力強度指標之間取值的“統一強度指標”的認識【8~10】和一維固結也可以有Mandel-Cryer效應的認識【11】以及筆者另一篇文章【9】中介紹的對有效應力的幾種錯誤認識都違反了有效應力原理，浮力可以用有效應力原理計算的認識【12】和泥漿浮力大于水是有效應力原理有力證據的認識【13】都是對有效應力原理的誤解。

5.3  當含水層類型不變化時，地下水位升降這個因素不會導致孔隙水壓力類型變化

當地下水位升降使無壓含水層變成承壓含水層或者使承壓含水層變成無壓含水層時，孔隙水壓力類型可以隨之變化。當含水層類型不變化時，地下水位升降這個因素不會導致孔隙水壓力類型變化。

有的學者認為，地下水位面下降瞬間現水位面處的原有“靜孔隙水壓力”轉化為“超靜孔隙水壓力”，地下水位面上升瞬間原水位面處的原有零孔隙水壓力變成了負的“超靜孔隙水壓力”【1】。這種認識獲得很多人的贊同。

考察其推導過程可知，地下水位面下降瞬間現水位面處原有“靜孔隙水壓力”轉化為“超靜孔隙水壓力”的認識是以地下水位面下降瞬間水位下降范圍內的土體仍處于飽和狀態為前提的，地下水位面上升瞬間原水位面處原有零孔隙水壓力變成了負“超靜孔隙水壓力”的認識是以地下水位面上升瞬間水位上升范圍內的土體有效應力無變化為前提的。但是這些前提是不存在的。

水位的下降就是源于水位下降范圍內土體中水量的疏干，水量疏干越多水位下降越多，換句話說，沒有水的疏干就沒有水位的下降，否則違反了質量守恒定律。因此，地下水位面下降瞬間水位下降范圍內的土體仍處于飽和狀態是不可能的，故而地下水位面下降瞬間“超靜孔隙水壓力”是不存在的。

水位的上升一方面導致孔隙水壓力因壓力水頭增大而增大，另一方面導致總應力因水位上升范圍內土重度的增大而增大，但孔隙水壓力增量與總應力增量是不相等的，如：對無粘性土，孔隙水壓力增量為（式中為水重度，為水位上升值），總應力增量為，故孔隙水壓力增量大于總應力增量，即有效應力增量為負值。因此，地下水位面上升瞬間水位上升范圍內的土體有效應力無變化是不可能的，故而地下水位面上升瞬間負的“超靜孔隙水壓力”是不存在的。

地下水位升降瞬間“超靜孔隙水壓力”從無到有這種不正確認識源于對“靜孔隙水壓力”和“超靜孔隙水壓力”的不正確認識,從方案三中“靜孔隙水壓力”和“超靜孔隙水壓力”的定義和“靜孔隙水壓力一般不會引起含水土體的失穩”、“超靜孔隙水壓力則常常是事故與災害的禍首”等說法可以看出這一點。正因為如此，對土的變形和破壞才在超靜孔壓上找原因。根據有效應力原理，只有有效應力增量才能引起新的由顆?；蚰z團之間的相對位移造成的體變，而有效應力增量是總應力增量與孔隙水壓力增量之差。因此，分析這種新的體變的有無、正負（壓縮或膨脹）和大小，必須考察有效應力增量的有無、正負（壓縮或膨脹）和大??；考察有效應力增量，既不能只看總應力增量，也不能只看孔隙水壓力增量，更不能只看?？紫端畨毫υ隽炕虺紫端畨毫υ隽?，必須看總應力增量與孔隙水壓力增量之差。由此可知，總應力增量、孔隙水壓力增量、?？紫端畨毫υ隽亢统紫端畨毫υ隽扛髯耘c變形破壞的關系是沒有規律的。這些定義和說法孤立地看待“靜孔隙水壓力”和“超靜孔隙水壓力”與變形破壞的關系是錯誤的。所有有“超靜孔隙水壓力”的土體發生剪切破壞的例子都是剪切面上隨法向有效應力降低而降低的抗剪強度降至剪應力的結果。我們也可以舉出很多只有“靜孔隙水壓力”的土體和沒有孔隙水壓力的土體發生剪切破壞的例子，當然，這些例子都是剪切面上隨法向有效應力變化的抗剪強度降至剪應力的結果。我們可以說，水常常是誘發土體剪切破壞的因素，那是因為水導致抗剪強度降至剪應力。

6  結論

1.孔隙水壓力與超孔隙水壓力有關的三個分類方案中，方案一的“靜孔隙水壓力”定義混淆了超孔隙水壓力與非超孔隙水壓力的概念，“超靜孔隙水壓力”定義未涵蓋負值超孔隙水壓力，“滲流孔隙水壓力”類型未區分超孔隙水壓力與非超孔隙水壓力；方案二的種類命名與歸屬混淆了靜孔隙水壓力與動孔隙水壓力、超孔隙水壓力與非超孔隙水壓力的概念；方案三的種類命名與歸屬混淆了靜孔隙水壓力與動孔隙水壓力的概念、超孔隙水壓力與非超孔隙水壓力的概念，種類定義混淆了超孔隙水壓力與非超孔隙水壓力的概念。

2.本文的分類方案有明確和統一的分類依據，涵蓋了現場土體和固結試驗用的土樣，涵蓋了正值和負值的超孔隙水壓力，明確區分了超孔隙水壓力和非超孔隙水壓力。

3.孔隙水壓力類型隨時間變化；相鄰的無壓含水層和承壓含水層邊界上的孔隙水壓力類型可以因歸屬的不同而變化但大小不因歸屬的不同而變化；當含水層類型不變化時，地下水位升降這個因素不會導致孔隙水壓力類型變化。

參考文獻

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