水位骤降工况下粘土的强度问题讨论

根据经典的摩尔库伦土力学理论，粘土的破坏强度可以用有效应力来表达：
A.有效强度=有效粘聚力+法向有效应力*tan(有效内摩擦角)

另外，又可以根据现场原位十字板得到粘土的原位不排水强度：B.Cu

那么假设分析水位骤降的工况的时候，由于粘土的渗透系数较小，当水位下降较快的时候粘土相当于是不透水的，这时候可以得出一个初步结论：粘土内部的孔压几乎还是滞后在高水位时候的高孔压，同时，外部的水位下降造成总应力下降，那么如果按照A.有效强度理论，”有效应力=总应力-孔压“就会很小，从而导致粘土的有效强度也会骤降！这时候可以认为粘土液化了？

可是各种教材和文献都提到，粘土是不会，或者不容易液化的，理由是由于粘土材料会有较高的粘聚力！

对于上述问题我的理解就是：
第一点：A.和B.应该结合一起用，这点在所有教材里面都忽略或者没有提到！就是对于粘土，当采用有效强度的理论时，得到的强度应该不小于原位不排水强度！因为通常粘土可能已经是存在有超固结的现象（不然按照有效强度理论，天然表层的粘土都应该是没有强度的，平常我们遇到的粘土都不会是正常固结的），A。只是为了反映固结对于强度增长的贡献，而B。才是最准确的原位强度值。

第二点：对于水位骤降的工况分析，不能单纯采用A。或者B。来分析，两者都是错误的方法，因为水位骤降影响了孔压的分布，此时总应力法不能反映孔压的变化，显然是不对的；而即使能够得到准确的孔压分布后来采用有效应力法也是不对的，因为没有考虑到粘土的天然固有强度（根据实验做出来的粘土有效粘聚力通常很小，不能反映超固结的影响）

欢迎大家讨论，指正！

linyuesonr	2016-01-20 09:57
补充一张图片 [attachment=297561]

linyuesonr	2016-01-20 10:00
对于表层的粘土，固结不排水强度的Ccu，应该要比原位不排水强度Cu大才能统一有效强度理论和现场试验两者的矛盾

SamSze	2016-01-23 20:48
“外部的水位下降造成总应力下降”，这个前提就值得商榷吧。饱和粘土，水位下降，总应力应该保持不变吧。水位下降之前，总应力是浮容重加水容重乘以深度；下降之后，是饱和容重乘以深度。饱和容重跟浮容重加水容重一样吧？

dsaaamj	2016-01-24 20:16
感觉从微观考虑以目前的技术还不成熟。陈祖煜的《土质边坡稳定分析——原理、方法、程序》里35页的“对坡外水体的处理”倒是有整体的。

yuying1992	2016-01-27 17:03
对于这个问题，我谈谈个人的看法，针对楼主的问题中是粘土，所以水位骤降，土中的水的是不能及时排出的，所以依然应该将其作为不能排水考虑。但是在实际的工程中，要考虑到还是有有一点时间的，所以不能当作完全不能排水，因此用书上的理论计算出来的土的强度与实际有差距！

linyuesonr

2016-01-28 16:49

SamSze:“外部的水位下降造成总应力下降”，这个前提就值得商榷吧。饱和粘土，水位下降，总应力应该保持不变吧。
水位下降之前，总应力是浮容重加水容重乘以深度；下降之后，是饱和容重乘以深度。饱和容重跟浮容重加水容重一样吧？ (2016-01-23 20:48)

水位下降，总应力怎么会不变呢？总应力始终满足受力平衡的，水位下降了总应力自然也下降啦，你所说的“深度”，不也是受水位影响的吗

岩下之议	2016-01-30 08:30
很好的讨论

do_best	2016-02-09 10:31
看不懂！水平有限，倬真肩周

dchlin	2016-02-11 08:15
是个好问题。

强势围观	2016-02-12 20:45
水位下降导致总应力下降，有效应力自然会下降但土体中应力如何重新分布那可就是个难事了，恐怕除了现场试验别的方法哪怕是有限元都不一定可靠吧

zhangheng	2016-02-18 11:24

shiqiao2005	2016-02-20 20:55
强势围观:水位下降导致总应力下降，有效应力自然会下降但土体中应力如何重新分布那可就是个难事了，恐怕除了现场试验别的方法哪怕是有限元都不一定可靠吧 (2016-02-12 20:45) 水位下降，有效应力是增加的吧

yuruiwang

2016-02-22 22:49

有几点提出来供大家讨论：

1.    土体的有效应力原理明确表明了土的强度由有效应力控制；土的不排水强度本质上也由有效应力决定的；

2.    为了便于理解，我们选取土体中一个单元块来解释。按照题主所叙述的工况，水位在下降，题主说的对，周围对土体单元块的总应力下降（水压下降），但是，这时候要注意，土体单元的孔隙水压（pore-water pressure）也变化了，甚至会有负孔隙水压产生（因为土体单元“想”保持平衡(equilibrium)），最后的结果应用有效应力原理（有效应力=总应力-孔压）解释就是：总应力降低，孔压降低（甚至有负孔压产生，取决于水位骤降多少，注意，土体的水压现在不再是静水压分布），最后的结果是有效应力不变，既然有效应力不变，土单元的强度就不变。

3.    有一个非常重要的概念值得澄清：即使是粘土，它的有效粘聚力也是几乎没有的（除了cemented soil,也许翻译做“胶结土“）。我们发现粘土似乎有”粘聚力“是因为有负孔压存在（粘土的颗粒很小，它的air-entry value (进气值) 很大，当我们减小了它的周围应力时，负孔压会产生（或者说吸力，但是这个粘土仍然是饱和土），这样有效应力还是很大，应用有效应力原理可以发现土体的强度还是在那里的，这样土体就不会坍塌，好像“粘”起来了一样）。题主其实也说到了” 实验做出来的粘土有效粘聚力通常很小“。一个简单的例子就是：我们把一块粘土放在水里面去，一会儿我们可以看到，它坍塌了，就是因为负孔隙水压不存在了（因为浸到水里了，然而水压是连续的，土中的水压等于周围的水压），有效应力几乎消失了。可以说，所有的土体除了cemented soil, 有效粘聚力（true cohesion）都等于零。饱和粘土表现出来的粘聚力英文叫做“apparent cohesion”. Apparent cohesion= (pore air pressure – pore water pressure)*tan (effective friction angle). Pore air pressure 通常假设就是零。我们可以发现，如果孔隙水压是负值，apparent cohesion会是正值，就好象粘土有粘聚力一样。相反，饱和沙土是几乎没有这种apparent cohesion的，因为它的颗粒较大（进气值较小），很难有很大的负孔压。一旦负孔压变大，它就变成非饱和土了，有效应力原理不再适用。

5065496.happ	2016-02-23 22:22
楼上的土力学分析很正确，一看就是大神！

hanzengqiang	2016-02-24 16:15

dingbaoyan	2016-02-26 14:51
关于这个问题可以推荐看看邓肯的soil strength and slope stability 一书中专门针对水位下降的论述和三中计算方法。。。。非常详细。。。。

lwz3868	2016-03-07 15:16
不明白啊

huzujun1987	2016-03-11 00:24
最近也刚看土力学，小弟的见解同3楼大哥的见解，就是水位骤降，土体中的孔隙水未能及时排出，短时间内，感觉土体的应力状态未发生变化，随时间的推移，孔隙水才慢慢消退，总应力在下降

wanmei95	2016-03-15 08:33
看不懂！水平有限，倬真肩周

leerer	2016-03-15 09:41
学到了！！！！

wingho2zju	2016-03-22 20:02
看了13楼的见解，似乎明白了1。为什么土的物理力学指标C叫做粘聚力； 2。正常固结的饱和粘土理论上粘聚力为0，而我们实际工程中碰到的饱和粘土粘聚力有一定数值，是因为有应力历史的结果。

wingho2zju	2016-03-24 15:54
顺着这个问题再往下考虑：实际工程中，一般的粘性土层地下水位下降，经过一段时间，会出现一定量的地面沉降，也就是说土层压缩固结，必然有效应力增加，土的抗剪强度提高了。按照13楼第2点的观点，似乎就无法解释了。

yuruiwang

2016-04-02 20:48

你好！非常高兴你提出了这个看法。借此机会也可以对我原来的回答做一些补充。

1. 地下水位下降会导致地面出现沉降，这不仅对粘土适用，对沙土也是一样。有效应力的确增加，土的抗剪强度也因此增加，你的观点我认为是正确的。

2.我的第2点观点需要做一些澄清。这个问题原来的题主他（她）有一个设定或者是假设，那就是他（她）提到的”水位下降的时候粘土相当于是不透水的“（我们先不考虑他（她）这个假定是不是符合实际情况）。您提到的地下水位下降，我的理解是水可以流走，而不是题主所说的”不透水“。因此，假设条件变了。就会出现”无法解释“这样的现象。

3. 多说几句。我的第2点的观点来源是土的三轴实验。三轴实验中，土试样是包裹在不透水的橡皮膜中。其他条件不变，外界围压下降时（围压一般通过水压控制），如果土是粘土，一般就会出现我所说的负孔压。这种情况和题主所说的”不透水“类似。

我很推荐的几本土力学书分享给大家，John Atkinson的 Mechanics of Soils and Foundation (2007) 和 Muir Wood的 Soil Behavior and Critical State Soil Mechanics. 后面一个只有一个版本。前面一个还有1993年的版本。

欢迎继续讨论！

dongxx

2016-04-03 20:20

我认为这不是静力平衡问题，是渗流问题（李广信土力学P90下面，但此处不是稳定渗流）。水位下降瞬时高水位处孔压不变，总应力在这个瞬间是不变的。有效应力瞬时增加是因为与低水位形成水位坡降，形成从高水位向低水位的渗流，有效应力增加量等于渗流压力，将促成原高水位处的黏土排水固结压缩变形。孔压逐渐下降，变形调整，然后总应力逐渐下降，有效应力也逐渐下降。固结过程虽然慢，但存在；渗透力可能很大，造成渗透破坏，譬如大变形和流土。所以感觉这种情况主要是靠变形重新协调应力突变的。

另外，P91例3-1上面那句话，此时的水位下降应该算作荷载或附加应力p=γw*Δh。所以我上面按自重应力分析严格说是不对的。

hederman	2016-04-05 15:59

wingho2zju

2016-04-14 08:57

感谢你的回复。
对于你说的第2点，是否可以这样理解：地下水位下降的情况下，处于地下水位以下的粘土还满足“不透水”的条件，土体处于饱和状态，而地下水位以上的粘土水可以流走，达到排水条件，土体处于非饱和状态，不能用有效应力原理来解释了。
还有一点值得讨论的是：地下水位下降的情况下，出现地面沉降，该部分沉降只是地下水位以上的土体压缩的变形量吗？和地下水位以下的土无关？

lyh538	2018-06-28 17:38

564777697	2019-09-05 09:40

564777697	2019-09-17 17:55

564777697	2019-09-20 08:19

xubo19854341	2019-10-04 19:20

564777697	2019-10-16 08:32

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