潘景副+裴毅+王輝+劉青+鐘京濤

摘要：土力學(xué)是大土木工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，把握好其基本原理的教學(xué)內(nèi)容和方法是土力學(xué)課程教學(xué)改革中最重要的部分。本文對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中易產(chǎn)生混淆的幾個(gè)基本概念進(jìn)行了分析和討論，使學(xué)生能更準(zhǔn)確地理解這些概念，對(duì)今后工程實(shí)踐中運(yùn)用相關(guān)知識(shí)來解決巖土工程問題有所幫助。

關(guān)鍵詞：土力學(xué)；教學(xué)實(shí)踐；基本概念

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）23-0203-03

土力學(xué)是土建類、水利類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，它以種類繁多、性質(zhì)復(fù)雜的土體為研究對(duì)象，又以多門力學(xué)課程為基礎(chǔ)，這就決定了其基本概念多、公式多、理論深的特點(diǎn)，老師講解費(fèi)時(shí)費(fèi)力，學(xué)生對(duì)與工程實(shí)踐相關(guān)的概念理解困難，是學(xué)生感到比較難學(xué)的一門課程。如果其中的基本概念名稱不能準(zhǔn)確地反映其所表述的內(nèi)容和意義就會(huì)另外增加本課程的學(xué)習(xí)難度[1]，作為基層的教學(xué)工作者深有體會(huì)。因此，如何把握好土力學(xué)基本原理的教學(xué)內(nèi)容和方法是土力學(xué)改革最重要的部分，為此本文介紹近年來土力學(xué)教學(xué)過程中對(duì)幾個(gè)基本概念的認(rèn)識(shí)。

一、含水量或含水率

這個(gè)指標(biāo)是物理指標(biāo)中最基本的一個(gè)概念，其名稱在現(xiàn)所用教材上都有出現(xiàn)，較老版本的教材使用含水量較多，只是較新版本的教材使用含水率較多，按教材所給的說法，是根據(jù)國(guó)家相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)將含水量改為含水率是為了表述更準(zhǔn)確。本人認(rèn)為此改法的結(jié)果表示不確切，目前應(yīng)用的“含水率”名稱值得商榷，闡述如下：

童小東（2003）認(rèn)為“含水量”用中國(guó)傳統(tǒng)的詞語習(xí)慣，“××量”應(yīng)為一量詞，是有量綱（或單位）的，如“質(zhì)量”（單位為g或kg）、“重量”（單位為N或kN）等。而從土力學(xué)教材中“含水量”的定義看，它是“土中水的質(zhì)量”與“土粒質(zhì)量”這兩個(gè)質(zhì)量之比，是無量綱的。所以從名稱的科學(xué)化、規(guī)范化的角度，筆者認(rèn)為“含水量”的名稱需更改。有的規(guī)范將含水量改稱為“含水率”，從無量綱上與定義是符合了，但筆者認(rèn)為似乎還不確切，因?yàn)椤奥省币话惴从衬诚嚓P(guān)部分占整體的比例（與時(shí)間有關(guān)的名詞排除在外，如速率），如“升學(xué)率”、“效率”、“孔隙率”等，而“含水量”的定義卻是整體中部分與部分的比值，所以稱為“含水率”似也不妥。筆者建議將“含水量”改稱為“含水比”或“水比”（water ratio）似更好一些，亦可與“孔隙比”（void ratio）相比照[3]。

在此補(bǔ)充一點(diǎn)，“含水比”一詞另有所用了，在巖土中“含水比”是指土的天然含水量與液限的比值，用以表示粘性土稠度的指標(biāo)之一。其實(shí)筆者個(gè)人理解：前人在巖土工程中使用“含水量”抑或是“含水率”絕不是要表示土體中水的絕對(duì)含量（質(zhì)量：?jiǎn)挝粸間或kg、重量：?jiǎn)挝粸镹或kN），而是要表達(dá)土中水的相對(duì)含量（%），而因?yàn)楝F(xiàn)在的一些人容易誤解為土體中的絕對(duì)含水量，所以建議將含水量改稱為“含水率”?？傮w而言，“含水量”一詞表示土中相對(duì)含水的多少，即“土中水的質(zhì)量”與“土粒質(zhì)量”這兩個(gè)質(zhì)量之比。所以筆者覺得還是用“相對(duì)含水量”準(zhǔn)確些，只不過前人是為了簡(jiǎn)化，省掉了“相對(duì)”兩個(gè)字。

二、比重、相對(duì)密度、相對(duì)密實(shí)度

這三個(gè)概念中，“相對(duì)密實(shí)度”是用來表示無粘性土的密實(shí)程度的一個(gè)指標(biāo)，定義是無粘性土的最大孔隙比與天然孔隙比之差和最大孔隙比與最小孔隙比之差的比值；而另外十個(gè)概念要表達(dá)的意思基本是相同的，在現(xiàn)所用教材中使用“相對(duì)密度”的較多，只有少數(shù)較老版本的教材中會(huì)用“比重”[4-9]。相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[10]給出的理由是：“比重”一詞的意義很多，且與“權(quán)重”一詞在某些場(chǎng)合下所表達(dá)的意義雷同，容易混淆。“比重”或“相對(duì)密度”概念的定義為：土中固體顆粒的質(zhì)量與同體積4℃時(shí)純水質(zhì)量之比，表達(dá)式為：

d■=■■=■=■=■

其中：ds：為“比重”或“相對(duì)密度”；

ms：土中固體顆粒的質(zhì)量；

vs：與土中固體顆粒同體積4℃時(shí)純水質(zhì)量；

ρ■：土中固體顆粒的密度；

ρ■：4℃時(shí)純水的密度。

根據(jù)上述表達(dá)式可以看出：前半部分的表式形式叫“相對(duì)密度”比較準(zhǔn)確，表示為土中固體顆粒的密度和4℃時(shí)純水的密度的比值；后半部分的表式形式叫“比重”又相對(duì)準(zhǔn)確，表示為土中固體顆粒的質(zhì)量（或重量）和4℃時(shí)純水的質(zhì)量（或重量）的比值。在現(xiàn)所用教材上使用“相對(duì)密度”的較多，只有少數(shù)較老教材中使用“比重”。而筆者本人認(rèn)為兩個(gè)名稱都比較準(zhǔn)確，可以同時(shí)使用，不贊成新規(guī)范或教材中舍去“比重”的說法，因?yàn)榧词惯@樣，仍然徹底擺脫不了“比重”的這種說法，因?yàn)樵谄鋵?shí)驗(yàn)測(cè)定方法中有“比重瓶法”之說。

另外多年沒有更新的國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2]中定義土粒比重為土顆粒的重量與蒸餾水的重量的比值，中定義相對(duì)密度反映無粘性土緊密程度的指標(biāo)，導(dǎo)致有些教材中將“相對(duì)密度”和“相對(duì)密實(shí)度”得以混淆。雖然無粘性土緊密程度和其密度有關(guān)，其大小可以理解為“相對(duì)密度”，但這樣就混淆了二者的真實(shí)意義。另外，因?yàn)楹芏嘟滩闹卸加杏谩翱紫侗取边@個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)反映無粘性土緊密程度，考慮到這種方法不太準(zhǔn)確，用多個(gè)不同條件下的“孔隙比”相互組合而成的“相對(duì)密實(shí)度”更能夠準(zhǔn)確地反映無粘性土緊密程度，所以反映無粘性土緊密程度的指標(biāo)稱為“相對(duì)密實(shí)度”更容易令人信服。

三、有效粒徑d10、限定粒徑d60和中值粒徑d30

土力學(xué)教材[4-9]中為了描述顆粒級(jí)配累計(jì)曲線而定義的“不均勻系數(shù)”和“曲率系數(shù)”中使用了這三個(gè)粒徑，幾乎所有的教材中都沒有解釋其名稱的由來，只給出其表示的是土中小于某粒徑占整個(gè)土體的質(zhì)量比值。僅有文獻(xiàn)[9，11]給出“有效粒徑d10”是與土的透水性相關(guān)，并能夠有效地反映砂土透水性，即這里的“等效”可能指的是滲流等效。筆者認(rèn)為應(yīng)該給這三個(gè)粒徑更詳細(xì)的解譯，例如“中值粒徑d30”大致是d10和d60的中間值，但很多人還是習(xí)慣于十進(jìn)制，容易將其于“平均粒徑d50”混淆；另外沒有給出“限定粒徑d60”的名稱的由來確切含義，筆者在教學(xué)過程中也只能根據(jù)“有效粒徑d10”的由來臆斷“限定粒徑d60”，既然土體中細(xì)小的顆粒和土的滲透性相關(guān)，能決定其滲透性，那么占“限定粒徑d60”可能與土的強(qiáng)度或承載力有關(guān)，希望能借此得到專家的解釋。

四、擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力的概念

擋墻土壓力的計(jì)算是土力學(xué)中非常重要的內(nèi)容，是利用土力學(xué)基本原理解決實(shí)際工程問題的一個(gè)典范。一般的教材[4-9]都是這么定義的：靜止土壓力是指擋土墻和墻后土體二者保持相對(duì)狀態(tài)靜止時(shí)，作用在墻上的土壓力；主動(dòng)土壓力是指當(dāng)擋土墻向離開土體方向偏移至土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，作用在墻上的土壓力；被動(dòng)土壓力是指當(dāng)擋土墻向土體方向偏移至土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，作用在擋土墻上的土壓力。筆者認(rèn)為這樣的定義不能表達(dá)出土壓力中土的主體地位及其主動(dòng)和被動(dòng)的含義，也不能表達(dá)出二者的大小關(guān)系，應(yīng)該改為：主動(dòng)土壓力是指在某條件下，當(dāng)土體主動(dòng)的向擋土墻方向偏移至土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，作用在墻上的土壓力；被動(dòng)土壓力是指在某條件下，當(dāng)土體在外來荷載的作用下被動(dòng)的向偏離擋土墻的方向至土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，作用在擋土墻上的土壓力。請(qǐng)先輩點(diǎn)評(píng)及指正。

五、土體自重應(yīng)力的計(jì)算、有效應(yīng)力原理及其相關(guān)問題

自重應(yīng)力和有效應(yīng)力是分別按照土體中應(yīng)力產(chǎn)生的原因和性質(zhì)進(jìn)行劃分的，前者是指地基中土體自形成以來一直存在且源于土體自身重量的應(yīng)力；后者為外來因素影響（其中建筑物的荷載為主要因素）而在土體中產(chǎn)生的在原有應(yīng)力基礎(chǔ)上的應(yīng)力的增量，這一部分會(huì)導(dǎo)致土體產(chǎn)生壓縮變形或發(fā)生剪切破壞。但Terzaghi老先生提出的有效應(yīng)力原理把有效應(yīng)力被定義為固體顆粒（即土顆粒）間的接觸應(yīng)力在土體截面積上的平均應(yīng)力，其值σ′是總應(yīng)力σ減去孔隙水壓力u所得差值，它控制了土的變形及強(qiáng)度性能。事實(shí)上，有效應(yīng)力原理雖然在物理意義上是明確的，但它僅僅是個(gè)“概念性”的模型，這表現(xiàn)在有效應(yīng)力根本無法測(cè)定，而是量測(cè)總應(yīng)力和孔隙水壓力后的差值[4-9]。

做為土力學(xué)中一里程碑的有效應(yīng)力原理，自從它被提出的那一刻起就倍受人們的關(guān)注，J.K.Mitchell將其喻為土力學(xué)的“拱心石（keystone）”[12]，其重要性由此可見一斑。對(duì)有效應(yīng)力原理及孔隙水壓力等概念的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用應(yīng)貫穿于土的力學(xué)性質(zhì)包括理論、計(jì)算和應(yīng)用的始終，關(guān)系到對(duì)許多難點(diǎn)問題的理解，同時(shí)也在學(xué)術(shù)界引起了大討論，很多學(xué)者參與了討論[13-22]，其中以李廣信教授和陳津民教授最為積極，當(dāng)然也是貢獻(xiàn)最大，基本已達(dá)成共識(shí)：有效應(yīng)力原理是土力學(xué)的基本支柱，大量的理論研究和多年的實(shí)際工程證明其對(duì)于砂土和粘土都是正確和適用的，在一些特殊的土類和情況下，尚有一些問題有待研究。筆者在這里僅就教學(xué)過程中的一些小問題發(fā)表個(gè)人的建議。

1.有效應(yīng)力原理在土力學(xué)中很重要，但一般土力學(xué)教材體系中僅簡(jiǎn)單提一下有效應(yīng)力原理，學(xué)生在接受和理解原理時(shí)，顯得牽強(qiáng)，易出現(xiàn)概念混淆的現(xiàn)象。

2.存在闡述順序不一導(dǎo)致，大部分的教材都是將有效應(yīng)力原理與自重應(yīng)力部分截然分開，甚至間隔很遠(yuǎn)，筆者認(rèn)為教材編排時(shí)應(yīng)該考慮將這兩部分銜接在一起，這樣學(xué)生就更容易理解和掌握自重應(yīng)力中地下水位以下選取有效容重及其有效應(yīng)力的意義。

3.只有較少的土力學(xué)教材對(duì)“孔隙水壓力”進(jìn)行了定義，幾乎都沒對(duì)“超靜孔隙水壓力”進(jìn)行解譯，水利專業(yè)或是學(xué)習(xí)過水力學(xué)或液體力學(xué)的學(xué)生在這方面可能容易理解，對(duì)其他專業(yè)的學(xué)生而言比較難以理解和接受，筆者認(rèn)為在本科階段的飽和土力學(xué)的穩(wěn)定滲流教學(xué)過程中，應(yīng)該對(duì)以上兩個(gè)概念進(jìn)行較詳細(xì)的解譯。

六、結(jié)語

土力學(xué)基本原理的教學(xué)內(nèi)容和方法是土力學(xué)課程改革最重要的部分，本文對(duì)在教學(xué)過程中學(xué)生易產(chǎn)生概念混淆的幾個(gè)基本概念進(jìn)行了分析，旨在使學(xué)生能鞏固和加深對(duì)這些概念的理解和運(yùn)用，對(duì)今后的工程實(shí)踐有所幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱建群，等.土力學(xué)教學(xué)中幾個(gè)基本概念的分析[J].高等建筑教育，2008，17（3）：78-82.

[2]GB/T50279-98，巖土工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1999.

[3]童小東.關(guān)于土力學(xué)中兩個(gè)指標(biāo)名稱的思考[J].地基處理，2003，14（2）：61.

[4]趙明華.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2009.

[5]陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1994.

[6]張伯平，黨進(jìn)謙.土力學(xué)與地基基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[7]徐云博.土力學(xué)與地基基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

[8]陳希哲.土力學(xué)與地基基礎(chǔ)（第四版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[9]高大釗.土力學(xué)與地基基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

[10]GB3102.3-1993力學(xué)的量和單位[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

[11]（日）松岡元著；羅汀，姚仰平.編譯.土力學(xué)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.

[12]J.K.Mitchel.l Fundamentals of Soil Behavior[M].John Wiley & Sons，Inc.，New York，1993.

[13]陳津民.土中的應(yīng)力_錯(cuò)誤的自重應(yīng)力計(jì)算公式[J].巖土工程界，2003，6（9）：22-23.

[14]介玉新，等.有效應(yīng)力原理幾個(gè)問題探討[J].煤炭學(xué)報(bào)，2005，30（2）：202-205.

[15]李廣信.有效應(yīng)力原理能夠推翻嗎[J].巖土工程界，2007，10（7）：22-26.

[16]李廣信.關(guān)于土力學(xué)教材討論的一些體會(huì)——有關(guān)土體的自重應(yīng)力[J].巖土工程界，2008，11（9）：21-22.

[17]方玉樹.土的自重應(yīng)力和有效自重應(yīng)力[J].巖土工程界，2009，12（1）：21-26.

[18]王小群.關(guān)于土力學(xué)中幾個(gè)值得商榷的問題[J].巖土工程界，2009，12（2）：17-19.

[19]李廣信，李學(xué)梅.土力學(xué)中的滲透力與超靜孔隙水壓力[J].巖土工程界，2009，12（4）：11-12.

[20]李廣信.關(guān)于有效應(yīng)力原理的幾個(gè)問題[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（2）：315-320.

[21]李廣信.對(duì)“關(guān)于有效應(yīng)力原理的幾個(gè)問題”討論的答復(fù)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，（03）：574-576.

[22]李廣信.靜孔隙水壓力與超靜孔隙水壓力_兼與陳愈炯先生討論[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34（5）：957-960.

Analysis and Discussion about the Names of Some Basic Concepts of Soil Mechanics Course

PAN Jing-fu1，2，PEI Yi1，2，WANG Hui1，2，LIU Qing2，ZHONG Jing-tao2

（1.College of Engineering，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；

2.Orient Science &Technology College of Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

Abstract：Soil mechanics is an important professional basic course in the big civil engineering specialty.To grasp the basic principle，the teaching contents and methods are the most important part of the curriculum reforms.In this paper，some basic confusing concepts are analyzed and discussed，so that can understand these concepts more accurately during the learning process.All these can help the students to enhance their ability of solving the problems of geotechnical engineering in the future.

Key words：soil mechanics；teaching practice；basic concept