2015-10-20 15:26 来源：中国岩土网 阅读：21
土力学中有一个常用的概念，即土骨架，但多数教材与教师没有讲清何谓“土骨架”，它与土的颗粒有什么关系。一些人似乎认为土骨架就是土颗粒，这对吗？
论土的颗粒与土骨架
李广信
土力学中有一个常用的概念，即土骨架，但多数教材与教师没有讲清何谓“土骨架”，它与土的颗粒有什么关系。一些人似乎认为土骨架就是土颗粒，这对吗？
其实土骨架与土颗粒的关系就像钢丝网与钢丝的关系一样，是完全不同的概念。正确的理解应当是：土骨架是由土颗粒相互接触形成的构架体，其孔隙中充满了孔隙流体（液态或气态）。土骨架据有整个土体的体（面）积。
土骨架像一个丝瓜瓤一样是一个宏观的整体。或者恐怖一点说，就像一个人的骨架，比如白骨精披一张皮，就是一个人：一个美女，一个老太婆，或者一个老大爷。所以对于干土，土骨架的密度就是土的干密度；而土颗粒的密度等于颗粒矿物的比重乘以的纯水的密度，即土骨架的密度等于，而土颗粒的密则等于，见图1.
把一个单位体积的土骨架放入水中，亦即在饱和土中，土骨架的重量扣除土骨架中的颗粒的浮力后 ，可见土骨架的浮重度就是土体的浮重度 。
图1 饱和图三相换算草图
应当注意的是，在以土骨架为隔离体时，不能计入其中包含的孔隙水、气。我们知道渗透力j是渗透水流作用于单位体积土骨架上的力。在有向上的渗流时，取单位体积的土骨架为隔离体，其竖向的平衡条件是
从此可以推导出流土的临界水力坡降为：
可见在饱和土中，单位体积土骨架的重量为而不是，也不是。
其实在土力学中，土的变形、强度、渗流特性都决定于土骨架的变形、强度和结构特性。而土颗粒的变形几乎可以忽略；土颗粒的强度为组成颗粒的矿物的强度，远高于土的强度；颗粒也是不透水的。因而有效应力原理认为：影响土体变形与强度的是作用于土骨架上的有效应力，而有效应力正是作用于单位土骨架面积上的力。
土骨架与土颗粒在很多情况下所起的作用是不同的。我指导研究生作过模拟碎石桩复合地基的试验，见图2。这是把直径为20mm的碎石柱放在直径为100mm的黏性土试样中心，组成大三轴复合试样，研究碎石桩复合地基承载力提高的原理。
这个试验的顶帽下部有一圆形橡皮膜，膜后是一个充水的压力室，控制碎石柱与整个试样有相同的应变，同时量测碎石柱上的竖向应力。
图2 碎石桩复合地基模拟试验
图3表示的是试验测得的5种不同的应力应变关系曲线：①是复合试样中碎石的应力应变曲线，②是与复合试样同密度,同围压纯碎石试样的曲线，③是与复合试样同密度纯黏性土试样的曲线，④是复合试样中黏土的曲线，⑤是平均重度与复合试样相同的碎石颗粒＋纯黏土混合试样的曲线。
这里有一个奇怪的现象，那就是混合试样的曲线⑤既低于复合试样中黏土的曲线④，也低于纯黏土试样的曲线③。对于之一现象我们探讨了很久，后来发现这是有道理的。
图3 不同的应力应变关系曲线
(a) 混合试样 ⑤ (b) 复合试样②与④ (c)纯黏土试样③
图3 三种试样的比较
在图3(b)中，复合试样中的碎石柱干密度为=1.67g/m3，黏土的干密度为=1.52g/m3，复合试样的平均干密度为=1.544g/m3；在图(c)中，纯黏土的干密度为=1.52g/m3；而在图(a)中，混合试样的平均干密度是=1.544g/m3，但由于碎石呈颗粒状“悬浮”在黏土中，颗粒的密度等于颗粒的比重，即单个颗粒的=2.67g/m3，这样算下来黏土的干密度只有=1.42g/m3，由于碎石颗粒悬浮在黏土的基质中，试样的强度由黏土决定，并且其干密度远小于=1.52g/m3，所以图(a)的强度最低就不可避免了。见图4。
图4 混合试样与复合试样中的干密度
这就发现一个有意义的现象，即复合试样中碎石形成骨架，使复合试样抗剪强度远高于同密度的纯黏土，结果是复合试样的强度提高，而在混合试样中，碎石颗粒呈单粒被黏土所包围，没有形成骨架，对整体强度没有贡献，并且拖累得黏土干密度减小，致使强度最低。
这种现象与战争中的相似，队伍与作为单兵的战士是不同的。以一个以连排班成建制的队伍，具有战斗力，所谓“建制”就是骨架。而散兵游勇就形不成战斗力。
南北朝时的淝水之战，前秦皇帝苻坚统帅大军号称百万，到达长江北岸，踌躇满志，自信地说：“滚滚江水，投鞭可断”。而东晋的谢安、谢玄等只以8万兵马在南岸迎敌。他们要求苻坚兵马稍稍后退，以便东晋人马过江决战，结果，骄傲的秦军大兵后退，待东晋过江后两军列阵决战。可是晋军过江立即发起攻击，处于后退中的秦军猝不及防，又赶上大将符融由于在混乱中战马失蹄而被杀，朱序大喊“秦兵败矣！”队伍大乱，成为一群散兵。由土骨架溃散为一堆土颗粒，毫无战斗力，“八公山下，草木皆兵”讲的就是这场战役，其实百万兵马中不少是互相踩踏而亡。可见土骨架与土颗粒的巨大差别。
孙悟空棒打白骨精三次，可是都没有把其骨架打散，结果是自己在被念了一通紧箍咒之后，被赶到回了花果山。美国世贸大厦在20世纪70年代初雄踞世界第一高楼，911被撞，钢结构散架后变成一堆建筑垃圾。可见骨架之重要。
可以这么认为：“土力学就是研究土骨架的力学特性及其影响因素的学科”。在土中，颗粒以骨架形态存在，其孔隙中充满液、气相流体，这才叫作土。土是由固、液、气三相介质组成的，但由三相介质组成的却不一定是土。如果在外部因素作用下土骨架溃散为单个颗粒，例如流土、管涌、液化、流沙、流滑，成了泥石流或沙尘暴，那就是流体力学中的多相流和泥沙动力学研究的领域，与土力学无关了。
沈括在《梦溪笔谈》中讲到“流沙”：“人多不晓湴河之义”，“予尝过无定河，度活沙，人马履之，百步之外皆动，澒澒然如人行幕上。其下足处虽甚紧，若遇其一陷，则人马硚车，应时皆没。至有数百人平陷无孑遗者。或谓：此即流沙也。”“湴字亦书作埿，按古文，埿，深泥也。”
沈括是古代知识分子中比较关心自然知识的，更可贵的是他在这里涉及到一个重要的土力学问题，那就是土骨架与土颗粒的区别。这种土骨架溃散可能有几种形式。
流滑 是饱和松散的细砂在扰动下“静态液化”的现象。在三峡工程的科研阶段，由于葛洲坝建成后的库区淤积，在三峡坝址附加淤积了一层极细极松的粉细砂，其干密度只有1.3~1.4g/cm3。我们在室内对其进行三轴试验，小心翼翼地施加一定的真空制成试样，可是用手指轻轻一碰试样的橡皮膜，试样马上化为一滩泥水，真所谓是“一触即溃”。这种现象称为流滑，英文中成为quick，倒是很形象的。
高灵敏度土的扰动破坏 图5(a)表示的是一种高灵敏度土，其原状三轴试样可承受11kg的砝码，在烧杯中搅拌扰动后就变成了泥浆。在北欧就有大面积的高灵敏性土。这些海相淤积的软黏土，在大约20000年前冰河期被压在3000米冰层以下，以后冰层退去，淤积土露出地面，上部形成硬壳层。随后它们被雨水淋洗，盐分减少，阳离子浓度降低，絮凝结构破坏，一旦受到扰动，例如河流冲刷，在很短时间内大面积流动破坏。我曾经看过整个录像，在十几分钟内，地面迅速泥化，树木房屋随之流走，真是触目惊心。如图5(b)所示。
图5 高灵敏度土
上个世纪60年代，我在黑龙江省的松花江支流漂河滩负责修闸挖基坑，当地老百姓讲，这里会“鼓稀泥”，不能挖坑，我想学土力学时，老师就没讲过什么“鼓稀泥”，结果很容易就挖了3米深的基坑。可第二天到现场一看，粗细不等的泥流沿着坑壁缓缓流下，里面已经是半坑泥浆了，这就是可怕的高灵敏度土。
可是沈括所说的“流沙”“活沙”似乎并不是砂土的流滑或液化。倒像是一种欠固结土——沼泽土。那就是表面一层草皮或者塔头，人行其上忽忽悠悠的“澒澒然如人行幕上”，一旦失足或者踏破表面硬壳层，下面是无底的淤泥。这是一些彼此还没有完全接触的极细的悬浮颗粒，远没有形成骨架。在前述的漂河踏查时，我们就走过这些“漂浮”的“塔头”，也常常失足，所幸当时下面淤泥中的冰层还没有化通，没有坠入深渊。所谓的“湴河“与“埿，深泥也。”恐怕就是如此。凡是骨架的溃散，都伴以高超静孔隙水压力，实际上是有效应力的丧失。
一个国家掌管一方土地，自有其规则与骨架，人民和社会也是平和与安定的。美帝国主义总是要把自己的制度与意志强加于人。先是伊拉克，后是利比亚、阿富汗、叙利亚，结果是那里民不聊生，哀鸿遍野，满目疮痍。现在那些的难民冲击着欧盟。看到难民潮，就让人想到了泥石流（图6）；那种无序的、盲目的、具有巨大破坏力的可怕的浊流流动着，冲击着人类的秩序。本来是一方土地，一方山河，一旦失去了骨架就变为残破与苦难。
文化大风浪汹涌，百万红卫兵如潮水般涌向各地，摧毁一切秩序与骨架。记得在“”的66年8.24，西门接待站，上访人如潮涌，不时抬来的“黑五类”尸体。然后这一浪潮冲向全国，哈尔滨亚洲最大的教堂、孔府的碑石、清华的二校门都被摧毁。一个国家的骨架的溃散真是灾难。
图6 泥石流
穆斯林以朝拜麦加为荣幸，我想既是朝拜总是应祈福的，不知何故，那里却年年踩踏，年年亡命。成千上万的信徒围着一个什么东西在有序的转，不知何故突然失控变成了无序的人流，于是也就如泥石流一样翻滚着、挤压着，一些倒霉蛋就没命了。所以我倾向于投靠佛教或者道教，到深山老林独自，免得被踩踏之苦。下载本文
