静孔隙水压力与超静孔隙水压力-兼与陈愈炯先生讨论

岩 土 工程学报

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静孔隙水压力与超静孔隙水压力

―兼与陈愈炯先生讨论

李广信

(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084〕

摘要：土中的孔隙水压力是土力学的基本概念，也是饱和土体有效应力原理和渗流固结理论的基础。本文认为静止

的地下水中和稳定渗流场中土中孔隙水压力均属于静孔隙水压力，而超静孔隙水压力是由于外部作用或者边界条件变 化在土体中引起的，不同于静孔隙水压力的那部分孔隙水压力，在有排水条件下，它将逐渐消散，并在消散过程中伴 随土体的体积变化。文中也针对一些例子进行了讨论。

关键词：静孔隙水压力；超静孔隙水压力；稳定渗流；有效应力原理中图分类号：丁口43

文献标识码：八

文章编号：1000 -4548(2012)05 - 0957 - 04

作者简介：李广信〔1941 -〕，男，黑龙江宾县人，博士，教授，主要从事土的本构关系等方面的研究。2-瓜迎：

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0引 言

一文（以下简称“陈文”)，很有收获。他将孔隙水压 力分为甲、乙两类，将稳定渗流中的孔压与静止地下 水以下土中的孔压归入甲类，将由荷载引起的孔压归 入乙类，并结合工程问题进行叠加。这对于澄清概念 和正确处理土工问题都是很重要的。

本文对此问题提出一些个人的看法，也针对陈文 进行一些讨论，以期引起同行们的关注，并得到指教 与提高。

孔隙水压力是土力学中的最基本概念之一，饱和 土体的有效应力原理和渗流固结理论都建立在这一概 念的基础之上。在土力学及其相关领域中，人们通常 将其分为静孔隙水压力和超静孔隙水压力，但是对此 也存在着不同的理解。

有人认为除了静止的地下水位以下土中的孔隙水 压力以外的所有其他孔隙水压力均属超静孔隙水压 力，包括稳定渗流场中的孔隙水压力⑴；也有一些人 将孔隙水压力分为静、超静孔隙水压力和渗流中的孔 隙水压力3种⑵；在殷宗泽教授编著的《土工原理》 一书中，他认为静止地下水和稳定渗流情况下的水压 力都是静孔隙水压力，而如水位骤降的不稳定渗流的 水压力，为超静孔隙水压力⑸。

拜读了陈愈炯先生的“孔隙压力的类别及其叠加”

1孔隙水压力

《岩土工程基本术语标准》（^^/^ 50279—98〕⑷

将土中的孔隙水压力分别称为“静水压力”和“超静

基金项目：重点基础研究发展计划〔973〕项目（^^川口^了^^川^) 收稿日期:2011 - 11 -23

958岩土工程学报2012 年

水压力”。按说孔隙水压力也属于水压力，但是在涉及 土中水时，尤其是作为一个国家标准的条目时，不应 省略“孔隙”二字。土力学中在推导有效应力原理中 忽略了颗粒的接触面积⑸；在推导饱和土体的渗流固 结理论时，能够认为土中流出的水量等于土体的体积 变化，都是源于土中水是孔隙水。

陈文中对此都称为“孔隙压力”，省去了 “水”字。 似乎是指讨论的问题中有时土体不一定完全饱和，这 也似无不可。但是文中讨论的也还都是饱和土或者高 饱和度的土，均适用于有效应力原理，因而无论是计 算，还是量测的都应是孔隙水压力。例如8匕瓜讲0打 的孔隙水压力公式：

八以 二 ^十 ―厶0'3乃。 0尽管孔压系数8可能远小于1.0，但式中的仍然是 孔隙水压力。在1^2吗化的有效应力原理中：

0 = 0^ 从

， (^)式中的从也是孔隙水压力⑸。

在土力学中，常常为了方便，它们可以被简称为

“孔压”、“静孔压”与“超静孔压”。

将孔隙水压力分为静与超静两种，常常是人们为 了解决问题的方便，其实二者没有本质上的差别。它 们都是在相互连通的土的孔隙中传递的；都是各向等 压和作用于物体（颗粒〉表面的法向的；也都适用于 有效应力原理。

如果以饱和土中的土骨架作为隔离体，则其平衡 方程可以式0〉、“）两种形式表达4

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⑷

3^ 3^ 3 3^、十、

十30^逆二―/。

3^

3^ 31 31在式0〉中，〜表示的是包括静与超静孔压的孔隙 水压力；在式“）中，从不包括静止地下水中的孔压

X。二者只差一个单位土体的浮力；3^ 131。

超静孔隙水压力概念的建立可能源于1^2明化 的单向渗流固结理论。

2静孔隙水压力

殷宗泽教授认为静孔隙水压力包括静止的地下水

中的土体中的孔隙水压力和稳定渗流场中土体中的孔 隙水压力是很有道理的。“坐地日行八万里”，在总是 不断自转和公转的地球上，我们仍然认为很多东西是 静止的，那么在稳定渗流中的孔隙水压力况/3^0，也 是一种相对的静止。所以可以定义为：静孔隙水压力 是静止的地下水土体中的孔隙水压力和稳定渗流场中 土体中的孔隙水压力。

地球上土以固体颗粒构成骨架，骨架中充满了孔 隙，孔隙中存在孔隙流体，该流体一般是空气与水， 所以土是由三相组成的。孔隙流体可以在自重和外部 作用下产生孔隙压力，孔隙压力包括孔隙水压力与孔 隙气压力，分别表示为〜(常常表示为0

和&。根

据非饱和土力学，基质吸力-‘，可见非饱和土中 的孔隙水压力可以为负值。因而在土力学教材中指出 静止地下水位以上的毛细区土中的孔隙水压力为负 值，其绝对值的大小与其与自由水面的距离成正比⑻。

《岩土工程基本术语标准》（^^/^ 50279—98〉中 对于静孔隙水压力的定义为“给定点与自由水位高程 差引起的水压力。”这对于稳定渗流情况显然不适用。

稳定渗流土体中的孔隙水压力，尽管不同于静止 地下水的情况，但是其3从131 ^ 0，这是静孔压的一个 必要条件，但尚不是充分条件（在三轴不排水试验中， 尽管试样上可能31131 ^ 0，产生的孔压仍然是超静孔 压〉。图2表示的是无限土坡沿坡稳定渗流的情况。

图1无限土坡沿坡稳定渗流的流网与孔隙水压力卩1运.1卩10双玎过过打己^016

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在点2上的静孔隙水压力并不是“与自由水位高 程差引起的水压力”仏根据流网中的等势线，

从 ^ 六 0082 00^

。 〔5〕

在自然界中的隔水层以下承压水中的孔压也属于 静孔隙水压力，它一般与位置更高的透水层连通。

在稳定渗流场中可以通过绘制流网，根据等势线 确定各点的孔压。但是在静地下水中，形成了一个等 势场，各点的势能（重力势+压力势+基质势〉都相 等，势函数与流函数都是常数，因而水不会流动，也 就不存在流线，也就无法确定与其正交的等势线。不 仅竖直线，而是任意一条线都为等势线。应当根据总 势能相等，从重力势确定压力势（或基质势〉。

第5期李广信^静孔隙水压力与超静孔隙水压力一兼与陈愈炯先生讨论959

3超静孔隙水压力

《岩土工程基本术语标准》定义土中的超静孔隙

水压力为:“饱和土体内一点的孔隙水压力中超过静水 压力的那部分水压力”⑷。这是不很准确的，根据

8匕瓜讲02的孔隙水压力公式〔1〉，如果孔压系数 5^1.0，则土样不完全饱和；如果孔压系数2〈0，则会

产生负的孔隙水压力，就不是“超过”静水压力。

《建筑岩土工程勘察基本术语标准》对超静水 压力的释义是“土体中超出静水压力的孔隙水压力， 它由作用于土体荷载的变化而产生，随着排水固结而 消散”。这一定义更全面一些。

一般的土力学教科书（如清华大学《土力学》书）中⑻，定义超静孔隙水压力为：由荷载引起的土 中的孔隙水压力。

因为超静孔隙水压力是太沙基研究渗流固结问题 时提出的概念，因而它与土的体积变化有关，在不可压 缩的多孔介质中，其骨架压缩系数近于0，式（丄） 中的孔压系数請，任何渗流时的压力均属于静水压

力。

因而如下的定义应是可以接受的“超静孔隙水压 力是由于外部作用或者边界条件变化在土体中引起的 不同于静孔隙水压力的那部分孔隙水压力，在有排水 条件下，它将逐渐消散，并在消散过程中伴随土体的 体积变化。”

这样超静孔隙水压力应满足以下两个公式：

―

本0 ，

〜 9 。

值得指出的是，对于静止地下水的情况，式（斗) 中的况丨9 ^ 9^丨9^ ^ 9^丨9 ^0；而对于稳定渗流情况，

9^丨9^、 9^丨9^、 9^丨9可能不全等于0，它们代表了

渗流作用于骨架上3个方向的渗透力。但是在式门)中，〜

:与

9^ 々9^ 十^920，亦即对单位体积饱和

土体，在办时段内，流进的水体积恒等于流出的水体 积，所以土的体积不变。

4几个例子

超静孔隙水压力最经常是由于外部荷载引起的，

但是触动与碰撞(如饱和松砂与极灵敏性土〉、振动(如 液化土〉及土中地下水位升降也可以引起超静孔压。 所以说是由于“外部作用或者边界条件变化”。当年笔 者进行三峡库区沉积砂试验时，试样是一种由葛洲坝 蓄水而在上游沉积的一种极细、极松而又均匀的砂， 干密度只有1.3 ^丨0^3左右。小心翼翼地在橡皮膜内施

加真空制成试样后，用手指轻轻一碰，即由于超静孔

压剧增而液化后瘫倒。

大区域性地下水位下降会引起大面积地面沉降， 反之回灌可以使地面上升。下面的两个例子表示这种 情况，见图2。

如果假设地下水的升降是瞬时发生的，在这一瞬 时，由于土的渗透系数较小，土体的有效应力和体积 都不发生变化。

化）水位下降

在图。中，点似下降前的静孔隙水压力为〜2， 下降后，变形稳定时的静孔隙水压力从。2变为0。 而在下降后的瞬时，静孔隙水压力为0。超静孔隙水

压力为11卞2，它会逐渐消散，同时土体被压缩，地

面发生沉降。

(^)地下水位下降 化）地下水位上升

图2地下水位的升降

4〕水位上升

在图2 (⑴中，点似上升前的静和超静孔隙水压力 都为0，有效应力为X

，7为天然重度；上升后变

形稳定时的静孔隙水压力为〜2，超静孔隙水压力为

0，有效应力为乂 二泠；而在水位上升了 2的瞬时，

总应力二7^2，有效应力不变，仍为X ^ 72，总 孔压为二者之差：〃二7『72，静孔隙水压力为〜2， 超静孔隙水压力为变形稳定后与水位上升前的有效应 力与之差：\"七'-渺’它是负值，其消散后使土体

固结回弹。分析其不同时间的应力状态如表1所示， 表中，&I是饱和重度，7是天然重度，7是浮重度。

表1地下水升降时点从的应力与孔隙水压力

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161 ^1688^168 过 ^01^1 从&飢己己0双打双出'己 1^0^6^6^1 0^ ^10^^^^&16！

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工总应力

有效应 总孔压 静孔压 超静孔压

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时间X力

大

II降前

78&12

7下降

稳定后720

下降瞬时

7升前

7200上

升

稳定后70

上升瞬时

7一 72

(/-72〈0

上述例子主要是对于黏性土，对于砂土，由于渗 透性很大，研究水位升降的瞬时意义不大。

如上所述，在三轴不排水试验中，由于排水阀门紧 闭，使试验过程中孔压不变，因而加丨91 ^ 0。这时产 生的孔压仍然是超静孔压。因为首先，在自然界这种情

960岩土工程学报2012 年

况很少见，是一种人为的因素，一旦打开阀门，就会满 足式〔6〕、门)。正如将一个运动过程“定格” 一样。

陈文中关于两种孔压的叠加很有意义。其实除了 叠加以外，还常常发生相互转化。以图2 (^)的情况 为例说明两种孔压的叠加与转化。

一？—，地面~ 丄.丄9

图3在有地面荷载情况下地下水位的上升

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在图3中，如果『30 ^？3，2=3瓜，如果地下水 位以上土的含水率很高，则严;^尸20 ^^/^3，7~ 二10 匕”/瓜3。在瞬时施加大面积荷载4后，水位也立即上 升到地面，分析其不同时间的应力状态如表2所示。

表2地下水上升时点从的孔隙水压力

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时间总应力02

有效应力 总孔压~^2静孔压^超静孔压“6二“一 “5升前^2+7=90^2=60

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7=0

可见，这时的有效应力一直没变，因而也不会发 生土的体积变化。这是由于由超载7引起的正超静孔 隙水压力与由水位上升产生的负超静孔隙水压力抵 消，使水位上升瞬时的超静孔压为零，从而使上升前 的超静孔压转化为静孔压。值得注意的是，如果在超 载7作用下地基已经固结沉降后再升高地下水位，由 于压缩指数匕远大于回弹指数。，回弹量很小，最 终还是地基沉降。

5讨论与结论

陈文将孔隙水压力分为甲类和乙类，优点是使静

孔隙水压力的概念更容易为人们所接受；但增加了两 个新的术语。本文将其分为静与超静孔隙水压力，其 本质是相同的。

客观世界是处于永恒的运动中的，在自然界中， 真正的静水使不存在的。在具有多层地下水的天然土 层中，不存在完全的不透水层，地下水不可避免地会 发生越层的流动；地下水位也总是不断地升降。所谓 静止的地下水只能是近似的。同样，在土坝的运行期 间，会有几个月库水位相对稳定，可以认为坝身和坝 基中的渗流是稳定渗流。实际上库水位总是变化的， 无时不在升降中。所以静与超静孔隙水压力的划分是

相对的，是为了工程实践的需要而划分的。

本文可以得到如下几点结论：

〔1〕静孔隙水压力可以是静止的地下水中与稳定 渗流场的土中的孔隙水压力。

⑵在静止的地下水情况下，某一点的静孔隙水

压力可以按与其连通的自由水面的距离确定；在稳定 渗流场中，可以根据通过该点的等势线确定。

0〕超静孔隙水压力可能是由于包括外荷载的外 部作用或者边界条件变化在土体中引起的，在有排水 条件下，它将逐渐消散，并在消散过程中伴随土体的

体积变化。

“)静孔隙水压力和超静孔隙水压力都可能存在 正值与负值的情况。

致谢：此文撰写前，曾就一些问题与高大钊教授、殷宗泽教 授和陈祖煜教授讨论，得到他们的指教，深表谢意。参考文献：

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