摘要：對李廣信先生趣味性講解土力學的若干事例進行了討論，認為：在講解土力學過程中有條件時將土力學若干概念與自然界、日常生活和社會活動中的一些事情和現象或自編的類似寓言的故事聯系起來是有益的，但不能脫離了科學性，否則將適得其反;如果例子雖有趣但很不恰當，則不如棄之不用。

　　關鍵詞：土力學;教學;趣味講解;李廣信;超孔隙水壓力

　　0引言

　　2006年《土力學教育與教學——第一屆全國土力學教學研討會論文集》刊登了我國著名巖土工程學者李廣信先生“趣味土力學”一文(以下稱李文)，該文將土力學若干概念與自然界、日常生活和社會活動中的一些事情和現象或自編的類似寓言的故事聯系起來，對土力學進行趣味性講解。

　　此文后來收入李先生《巖土工程20講——巖壇漫話》(以下稱《20講》)一書，作為第2講。關于此書，已故院士張在明先生在書序中稱贊道：這本書“亦莊亦諧”，“寓莊于諧”，“使其所涉及的基本概念和理論變得生動鮮活”，體現了作者“本深而末茂，實大而聲宏”、“師其意而不師其辭”的深厚功力。作為該書中最有趣的一講，李文按理是最能彰顯該書這種特色的，但筆者對李文中大多數土力學議題的論述有不同看法。

　　1關于“太沙基跌倒與有效應力原理的發現”

　　李先生說，人在飽和黏土上快走會滑倒，而在干黏土和飽和砂土上不會滑倒，是因為：黏土滲透系數小，快行一步時間內，由總應力轉化而來的超孔隙水壓力不會消散。李先生自編的寓言說：太沙基經此一事發現了有效應力原理;一個中國文人在同樣的經歷中卻只是感到很沒面子，講了一些怪話(這里不予復述)。由此他總結說：“看來中國人跌倒時不顧屁股，不動腦子，先顧面子。”筆者認為，這種說法是不正確的。

　　(1)干黏土也可以是飽和黏土(即使有裂紋，裂紋也可以充水)。李先生自己就曾介紹他指導研究生用塑限為23%的飽和黏土做的試驗：該試驗給出了固結壓力與飽和含水率的5組數據，最后2組數據的含水率均已低于塑限[1]。也就是說，這個試驗獲得了飽和的干黏土。因此，要進行比較，需將文中的飽和黏土改為飽和軟黏土。

　　(2)人在飽和軟黏土上快走會滑倒，而在干黏土和飽和砂土上不會滑倒的原因主要是鞋與土接觸面摩擦系數(可簡稱鞋底摩擦系數，性質類似于基底摩擦系數)不同：飽和軟黏土的鞋底摩擦系數明顯低于干黏土和飽和砂土的鞋底摩擦系數。飽和軟黏土中黏粒表面有弱結合水膜，鞋與土接觸主要是鞋與弱結合水接觸;干黏土中黏粒表面基本上只有強結合水膜，鞋與土接觸主要是鞋與強結合水接觸;飽和砂土中顆粒周圍無結合水膜，鞋與土接觸主要是鞋與顆粒接觸。因此，飽和軟黏土的鞋底摩擦系數明顯低于干黏土和飽和砂土的鞋底摩擦系數。

　　不同土的固結快慢是從大的時間尺度來說的，人在土面上快走時一只腳從著地到離地只是一瞬間，如果注意到砂土的滲透系數僅是1.0×10-5m/s至1.5×10-3m/s，那么，在這一瞬間不同土中的超孔隙水壓力是差不多的，即使有差異也遠遠不及鞋底摩擦系數的差異。

　　(3)根據上述，太沙基從在飽和黏土上快走會滑倒的事例中并不能獲得有效應力原理的靈感，這樣，在李先生的寓言中另一個文人(中國文人)的表現就失去了用來與太沙基的表現作對比的基礎。因此，這則寓言并沒有學術意義。

　　(4)李先生在《20講》一書之第1講(“巖土工程的若干哲學思考”)中強調過東方哲學思想和科學體系的先進性以及巖土工程與中醫的相似性，在《20講》一書之第2講的這個議題中，又用“中國人跌倒時不顧屁股，不動腦子，先顧面子”的總結語，強調寬泛意義上的中國人(不是某個或某些具體人物)的落后。這是自相矛盾的。

　　(5)在寓言中做國別或人種的優劣對比是不應該的，在寓言中或寓言后得出寬泛意義上的某國人落后的結論更不應該。

　　2關于“看臺的倒塌與地基的沉降”

　　李先生在他自編的一個看臺倒塌的故事中，借太沙基之口總結道：“只要不是地基液化，地基不會突然沉降。”這種說法是不正確的。

　　瞬時荷載作用在地基上，地基表面會有瞬時沉降。即使地基由飽和軟黏土構成從而地基表面固結沉降和次固結沉降顯著，在瞬時荷載作用下地基表面也會有不能忽略的初始沉降，初始沉降屬于瞬時彈性變形。1955年斯開普敦與潘克等研究了英國倫敦和美國芝加哥兩大城市6座建筑物實測沉降之后，發現黏性土地基上建筑物的初始沉降占建筑物總沉降的比例相當可觀[2]。

　　3關于“驢子學土力學的好處”

　　李先生在兩個驢子馱鹽和棉花過河的寓言中借覆于砂土層(其中水位面低于砂土層頂面)之上飽和黏土底面的豎向有效應力計算方法(它是飽和黏土層以浮重度計算的有效自重應力與其豎直向下的單位水平面積滲透力之和)，解釋馱棉花的驢出水后艱難站起且爬不上岸的原因。筆者認為，驢子馱棉花過河的歷程就是驢子負重受水的影響而變化的過程。

　　棉花入水前，驢子負重是干棉花的重力;棉花入水后因水浸入其中而飽和，但受水的浮力作用，驢子負重是飽和棉花的浮重(受棉花低滲透性的影響，棉花入水初期，驢子負重由干棉花的浮重逐漸變為飽和棉花的浮重);出水后棉花所受河水的浮力消失了，驢子負重是棉花飽和重，因此驢子站起來很艱難;受棉花低透水性特別是高吸水性的影響，驢子爬岸過程中負重幾乎還是飽和重，因此驢子已爬不上岸。李先生的解釋存在的問題是：

　　(1)給出的黏土底面的豎向有效應力計算方法沒有提及透水性和吸水性，沒有清楚解釋驢子“寧可馱砂也絕不馱棉花”的體會，也沒有清楚解釋驢子為何爬不上岸。根據李先生的方法，一旦飽和棉花中的水在自重作用下形成的滲流結束，驢子就可以和棉花入水前一樣輕裝前行了。這是不可能的，因為棉花有高吸水性，其所吸收的水分很大一部分需要經由外界因素引起的氣化才能逐漸消失。

　　(2)給出的黏土底面的豎向有效應力計算方法錯誤且使總應力與有效應力的關系復雜化了。根據有效應力原理，既然黏土底面的孔隙水壓力為0，黏土底面的豎向有效應力自然就是李先生所說的單位底面積的飽和重，何必繞一大圈用屬于周邊水壓力組合力性質的浮力和滲透力去推導呢?實際上，按水壓率理論，李先生計算的單位底面積浮重(γ’H)和滲透力(γwH)還是錯誤的。

　　(3)李先生借驢子之口給出的“飽和的棉花產生的有效應力

　　都靠我的四條可憐的驢腿承擔”的說法不僅多余，而且錯誤，因為：①在背部露出水面，棉花不再受到浮力時，驢子負重就是棉花飽和重，這時沒有必要討論有效應力問題，因此用計算黏土底面豎向有效應力的方式來反映棉花的有效應力是多余的;②有效應力是單位面積上的有效力，驢子承擔的棉花荷載是飽和棉花的全部重力，而不是單位底面積上的棉花重力;③“飽和的棉花產生的有效應力”包括從頂到底的各個點，除底面壓力這個接觸壓力外，其余各點的壓力都不是由驢子承擔的。4關于“飛起的鴿子和液化的砂土”李先生以師生問答形式借學生之口講到：砂土液化瞬時“顆粒的浮重度產生了超靜孔隙水壓力”。筆者認為，這種說法是不恰當的。

　　(1)在土力學中，浮重度概念是用于土而不是用于土顆粒的。(2)浮重度是單位體積土的重力與所受浮力之差，它怎么能產生超孔隙水壓力呢?砂土液化中的超孔隙水壓力是由振動引起的。

　　5關于“土的級配的問答”

　　土的級配是土中不同大小顆粒的組成情況。不同的級配有不同的用途。在講解土力學的某個知識點時，舉土以外的例子是為了幫助讀者更好地理解這個知識點，不應為了舉例而舉例，脫離這個目的的舉例則是無益的且浪費了他人的時間。李先生用不同人的年齡、性別、身材、服飾和社會屬性在不同情況下的搭配來講解土的級配，沒有抓住不同大小顆粒這個要點，把清晰的土的級配概念和用途講糊涂了。

　　他說到了一群身材如酒桶般的官員中搭配幾個身穿鮮艷服裝的窈窕少女，也說到了軍隊中不同年齡段軍人的搭配，卻沒有說這些搭配與土的級配概念與用途有何關聯，當然他也無法說出他們之間的關聯，因為這些搭配與土的級配概念與用途的關聯根本就不存在。6關于“沙灘上的觀察”李先生在解釋潮濕的砂有假粘聚力時說道：“由于毛細壓力為負孔壓，則砂粒間有效應力為正，會產生抗剪強度，稱為假粘聚力。”

　　筆者認為這種說法存在兩個問題：(1)正的有效應力和抗剪強度不是潮濕的砂所獨有，干砂和水下砂也有正的有效應力，也有抗剪強度。根據“由于毛細壓力為負孔壓，則砂粒間有效應力為正”的說法，如果沒有毛細壓力，砂粒間就沒有正的有效力了，這顯然是錯誤的。(2)應力(無論是總應力還是有效應力)是對土體而言的，“砂粒間有效應力”的提法是錯誤的。正確的說法是“砂粒間有效力增量為正”。

　　7關于“土的強度”

　　(1)李先生說：“由于土是由散碎的顆粒組成的，顆粒間的摩擦力是其強度的主要部分。”筆者認為，這種說法是片面的。一般地說，土是由顆粒、水和氣體組成的三相體系。對于純的黏土，顆粒間一般不接觸，顆粒表面有結合水膜，公共結合水將相鄰顆粒聯系在一起，顆粒間無摩擦力，土的強度由剪切面上各膠團間摩擦力和各膠團間粘聚力組成。李先生的說法也與該小節中他本人提到的不固結不排水時內摩擦角為0而粘聚力大于0的說法矛盾。

　　(2)李先生還說：“土的強度實際上是土骨架的強度而不是土顆粒的強度。只與有效應力有關。亦即在1萬米深的海底，砂石顆粒受到100MPa的壓力，但有效應力為0，也不會破壞。”筆者認為，這些說法是有問題的。

　　①土的抗剪強度不僅與土的有效內摩擦角和有效粘聚力有關，還與剪切面上的有效應力有關。按有效應力原理，土中有效應力是土中總應力與土中中性應力之差。土骨架本身是無自由水的，所以土骨架中傳遞的力都是有效力。但飽和土是可以有自由水的，非滲流引起的孔隙水壓力將導致土中有效應力減小。因此，土的強度不是土骨架的強度。

　　②有效應力原理建立在顆粒和水不被壓縮的基礎上，顆粒的破壞不是有效應力原理管轄的范圍，說有效應力應該針對土而不是顆粒。當說“有效應力為0”時，分析的對象應是包含海底顆粒在內的海底處的一層水且將其視為土(但它不是土)。對這層“土”而言，總應力與中性應力相等(均是海底水壓強)，因此有效應力為0。對顆粒說有效應力為0的話是荒謬的，顆粒受水壓作用和受其他介質的相同分布的壓力作用時，效果是一樣的。

　　③有效應力是否為0不是土中一點是否不破壞的判斷依據，土中一點是否發生剪切破壞取決于剪應力是否達到抗剪強度。地表水平且處于自重應力狀態的土體中的一點，雖然不同方向的有效應力均大于0，但不會發生剪切破壞。④砂石顆粒受到來自海水的高達100MPa的壓力不會破壞，不是因為別的，而是因為：作用在砂石顆粒上的壓力雖然很大但壓力差小到微乎其微，小到完全可以忽略不計。實際上，這種極其微小的壓力差在極高圍壓條件下更難使顆粒變形破壞，作用在砂石顆粒上的海水壓力只能使其體積減小，但因砂石顆粒體積壓縮模量極大，砂石顆粒的體積減小量也極小。

　　8關于“為什么雨雪后路面撒砂”

　　(1)對于下雨后在土路上撒一層砂可避免滑倒和車輛事故一事，李先生解釋道：這是因為“砂土的滲透系數很高，撒砂以后，在荷載作用下產生的超靜孔隙水壓力會迅速消散”。筆者以為：這樣解釋是不正確的。

　　①砂土的滲透系數是1.0×10-5～1.5×10-3m/s。一只腳從著地到離地、一輛車從路面上某點駛過都只是一瞬間，在這一瞬間超孔隙水壓力的消散完全可以忽略不計。

　　②撒一層砂可避免滑倒和車輛事故的原因不是別的，是撒砂后道路上與腳和車輪接觸的物質換成了砂土，性質與基底摩擦系數類似的鞋底摩擦系數和輪底摩擦系數提高了，導致人和車輛抗滑穩定性提高。其機理相當于對擋墻的軟土地基做換土墊層處理，提高了基底摩擦系數，從而提高擋墻抗滑穩定性(在這種情況下，無論滑動面是位于基底還是位于土內其他位置，擋墻抗滑穩定性均獲得提高)。

　　(2)對于雪后難行和在路面上撒砂可防滑一事，李先生解釋道：雪后難行“主要是由于其表面存在一薄層未凍水，它們隔絕了固體間的接觸，在受力時產生超靜孔壓”。雪后在路面上撒砂可防滑是因為“撒砂能夠避開冰雪中的未凍水膜，靠砂粒間的摩擦力提供前進的反力”。筆者以為：這樣解釋也是不恰當的。

　　①冰面上的未凍水與土中水不同，是單純的水層，水的排出是直接的，不受土的滲透系數影響。人和車輛行進中，因未凍水極薄且鞋和車輪與道路接觸面積很小，鞋和車輪與道路一經接觸，未凍水就會被排出，超水壓力(因未凍水是單純的水層，相應水壓不宜稱作孔壓)可以忽略不計。雪后難行并不是因為未凍水在受力時產生了超靜孔壓，而是因為道路上與腳和車輪接觸的物質是水和冰，其性質與基底摩擦系數類似的鞋底摩擦系數和輪底摩擦系數很低。

　　②撒砂后道路上與腳和車輪接觸的物質換成了砂土，人和車輛前進的反力靠什么來提供與鞋底情況和輪胎表面情況以及砂層厚度有關，不一定靠砂粒間的摩擦力提供，既可能靠由鞋底摩擦系數和輪底摩擦系數決定的鞋底摩擦力和輪底摩擦力提供，也可能靠砂層與冰層間的摩擦力提供。

　　巖土論文投稿刊物：《巖土工程學報》已是我國巖土工程領域中具有重要影響的學術期刊，是巖土工程理論和實踐的重要論壇，是我國從事水利、建筑和交通事業的勘測、設計、施工、研究和教學人員發表學術觀點、交流實踐經驗的重要園地。

　　結論

　　李先生將土力學若干概念與自然界、日常生活和社會活動中的一些事情和現象或自編的類似寓言的故事聯系起來，以增強教學的趣味性，加深對土力學知識的理解，這種用意是良好的，但李文在“太沙基跌倒與有效應力原理的發現”、“看臺的倒塌與地基的沉降”、“驢子學土力學的好處”、“飛起的鴿子和液化的砂土”、“土的級配的問答”、“沙灘上的觀察”、“土的強度”、“為什么雨雪后路面撒砂”、“浮密度和浮重度”、“塑性指數與液性指數”、“主動和被動土壓力”、“滲透力”、“達西定律與歐姆定律”、“水平等效滲透系數和垂直等效滲透系數”、“有效應力強度指標和總應力強度指標”、“流網”、“土顆粒的壓縮性與土骨架的壓縮性”、“承載力的深度修正”等議題上沒有將其想講清楚的概念講清楚。

　　其中，有的是李先生對土力學某些概念的理解存在偏差;更多的是所舉的例子不恰當，也就是諧有余而莊不足，雖然在講解土力學的某些概念時所舉的自然界、日常生活和社會活動中的例子不一定要十分準確，但既然用意是通過舉例將土力學概念講得更加清楚，讓讀者對土力學概念的印象更深刻，選擇的例子恰當還是十分必要的，如果從自然界、日常生活和社會活動中舉不出恰當的例子，那就不必勉強。

　　參考文獻：

　　[1]李廣信.再議水壓率[J].巖土工程界，2008(2)：23-25.

　　[2]錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算[M].第二版.北京：水利水電出版社，1994：185-186.

　　[3]建筑地基基礎設計規范：GB50007—2002[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

　　[4]建筑地基基礎設計規范：GB50007—2011[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

　　作者：方玉樹