关于非饱和土的基质吸力和张力吸力的讨论

关于非饱和土的基质吸力和张力吸力的讨论

《非饱和土壤有机碳吸收力和张力吸收力》（以下简称“原文”）引起了张鹏程和唐连生教授的兴趣，并提出了一些问题。作者对两位教授表示赞赏。下文答复中称《关于“非饱和土的基质吸力和张力吸力”的讨论》为《讨论》,称汤连生老师的两篇论文分别为“文一”和“文二”。正像《讨论》所说的那样“学术贵在争鸣”,笔者希望此次讨论能引起更多同行对吸力问题的关注。(1)基质吸力是表面张力的垂直分量表面张力作用在所有水/气界面处。在水封闭状态下,对颗粒有意义的表面张力作用在以O1O2为轴、以y为半径,过点P的圆周上,如原文图2或本文图1所示。显然,表面张力是一个线分布力。文一认为表面张力的垂直分量为基质吸力,笔者认为这一观点是不对的。在原文中,“球形颗粒-封闭水”体系是关于O1O2轴对称的。从原文图2和本文图1可以看出,表面张力系数σ的垂直分量大小为σ×cos(θ+δ),分布在孔隙水与颗粒的搭接线上且指向该搭接圆的圆心。因此,整体而言,垂直分量的合力互相抵消为零,不出现所谓“表面张力的垂直分量”。如果一定要说存在“垂直分量”,那么这个分量必然为零。按照文一提法,由于基质吸力是这个垂直分量,所以必然也为零。但是,按照基质吸力的定义,这显然是不对的。因为,根据文一图1或原文图2有下式(Laplace方程)成立:显然,在水封闭状态下基质吸力不为零。式中第二个曲率取负值,是因为两个曲率中心分别在弯液面的两侧。因此,文一认为基质吸力是表面张力的垂直分量一说是不对的。基质吸力定义为孔隙气压力与孔隙水压力之差,因此,基质吸力在封闭水内部必然是一个球应力张量。而对球形颗粒而言,基质吸力合力的作用方向是颗粒表面外法线方向而不是所谓的垂直方向。因此,基质吸力必然对两颗粒产生拉力,有促使颗粒靠近的趋势。综上所述,认为“基质吸力是表面张力的垂直分量”这一论断是错误的,基质吸力对颗粒碎散材料的有效应力和抗剪强度有贡献是毫无疑问的。正因为如此,非饱和土力学的先驱们Bishop和Fredlund等基于基质吸力理论提出了各自的强度理论,尽管这些理论有不完善之处。至于土的“结构性”对强度的贡献,土力学界早就觉察到了,只是限于目前的科技水平,一时还无法找到适合所有土类的解决方案,这也是今后土力学需要着力解决的关键问题之一。(2)关于“张力吸力”与湿吸力文一中,“湿吸力定义为土颗粒被水分湿润而使水分对土颗粒产生的吸力”。而“张力吸力”定义为表面张力在两球心连线方向上的合力在基质吸力作用范围内的等效分布。张力吸力和基质吸力都由非饱和性引起的,对颗粒产生拉力,且都是面分布力,对有效应力和强度有贡献。文一则认为总吸力由湿吸力和结构吸力决定。另外文一和原文所关心的问题基本一样,但张力吸力与湿吸力的变化规律却无任何相似之处。原文认为,“张力吸力的变化幅度较小,可认为张力吸力近似为一常量”。而文一认为,湿吸力与uw成正比。另外从文一图4看出,当饱和角从一个较大值逐步趋近于零时,湿吸力将趋近于无穷大。这显然与原文图4中张力吸力的变化规律不同。因此,从定义看或是从变化规律看,张力吸力和湿吸力是两个完全不同的概念,又怎么能证明所谓“湿吸力”的合理性与正确性呢?另外,文二认为Ts是表面张力的合成量。其实“这些”表面张力的作用点在以r为半径的圆周上,方向在与文二图2中的“Ts”指向一致的旋转圆台侧面上。显然最终合成的Ts应指向水平方向,而不是如图2所示的“放射喇叭口”。况且将表面张力在两个方向上重复投影得到的分量分别定义,本身就存在“重复计量”问题。关于这点,文献早就提出质疑,汤老师也给出过答复,但笔者仍然坚持与文献基本一致的观点。(3)颗粒碎散材料的结构如前文所述,张力吸力与基质吸力都是面积分布力,有相同的作用面积和相同的作用方向,都是粒间吸引力,对颗粒碎散材料的变形和强度问题有相似的作用效应,且都是由非饱和性引起的,因此将二者进行对比研究并没有什么不妥。另外,文一中的式(3)除式(4)得到:终等于tan(δ+arcsin(y/R))呢?况且,原文中的b是液面底端的高度,与y的物理意义完全不同。(4)饱和土力学中的合吸力这里需要更正一点,《讨论》中有几处将原文中的“合吸力”误写为“总吸力”。总吸力是基质吸力和渗透吸力之和,是基于渗流问题提出的,这个概念在《非饱和土力学》中已有祥述。而原文中的合吸力是指基质吸力与张力吸力之和,这个概念与有效应力和强度问题相协调。在水封闭状态下,基质吸力和张力吸力“占据”的面积是颗粒表面的一部分而不是全部,如图1所示。因此原文提出了等效基质吸力、等效张力吸力以及等效合吸力的概念。将《讨论》中的式(4)与原文中的等效合吸力进行比较(原文图5),而不是与合吸力(原文图4)进行比较,这本身就没有什么可比性,原文图5更无法证明文一中观点的正确性。(5)基质吸力与土体《讨论》中认为“将基质吸力作为非饱和土有效应力或抗剪强度有重要贡献的吸力之一,是错误的”,并列举了两个原因。诚然,基质吸力的片面性早就引起了人们的关注,但基质吸力对有效应力或抗剪强度有重要贡献却是毫无疑问的。基质吸力最初表示土壤吸水能力,但在吸水的同时,对周围土颗粒施加了拉力,这一点《讨论》作者显然没有意识到。下面举例说明这一点:用手指堵住塑料吸管的一端,然后对准吸管另一端吸气,这时塑料吸管“瘪了”,这说明吸水能力能对周围介质产生拉力。基质吸力对周围土体的作用与吸管模型有相似之处(除了基质吸力作用面积是颗粒表面的部分面积而不是全部面积之外)。这个例子也是对“基质吸力是表面张力垂直分量说”的最好反证。因此,基质吸力对土体颗粒间的有效应力和抗剪强度有贡献是毫无疑问的。作为一个面分布力,基质吸力没考虑面积效应,这是基质吸力理论的不足。为此笔者在原文中提出了等效基质吸力的概念。根据原文的研究,在水封闭状态下,随着饱和度的进一步降低,强度基本保持不变或说有小量的增加。原文的结论可以合理解释水封闭状态下的强度问题,即随饱和度进一步降低,基质吸力可以达到数百甚至数千个大气压,而强度却不会按此比例大幅度增长的事实。而基质吸力理论很难解释这一现象。(6)对于参数的证明由于研究对象的复杂性,人们只能一步步接近真理,而不可能穷尽真理。对研究对象的整体认知,由对研究对象方方面面的认知组成。为了认识事物的某个方面,往往需要根据自己的研究目的建立合理的模型以简化研究对象,最后再加以归纳总结得到比较全面的认识。原文的推导和结论是建立在球形颗粒的理想堆积方式基础之上,没有考虑结构性、电化学性等其他因素。正如《讨论》中所说,Fredlund试验是基于砂性土的。我们知道,与黏性土相比,砂土的结构性弱、电化学性不