論靜孔隙水壓力與超靜孔隙水壓力

李廣信

土力學(xué)中的孔隙水壓力是一個很重要的概念，也可以說是土力學(xué)中的標(biāo)志性概念。但似乎并û有被清晰地結(jié)界定與理解。

孔隙水壓力應(yīng)分為兩種還是三種，在不同的教材與專著中就有著不同的說法。有的確定為靜孔壓與超靜孔壓兩種；有的則分為靜、超靜和滲流孔隙水壓力。靜孔隙水壓力常常被定義為“在靜止的地下水λ以下土中的水壓力”；超靜孔隙水壓力被定義為“飽和土體中一點的孔隙水中超過靜水壓力的那一部分”；滲流孔隙水壓力則為“在滲流場中的水壓力”。又有人認(rèn)為除了“靜止的地下水λ以下的孔壓”以外所都是超靜孔壓，所以將滲流孔壓也歸入超靜孔壓。

這些定義過于表觀、隨意，往往不適于復(fù)雜的情況。比如滲流孔壓，既有穩(wěn)定滲流情況，又滲流固結(jié)情況，不可一概而論。

實際上，不管何種孔隙水壓力其本質(zhì)都是相同的，都是通過土骨架中連通的孔隙水傳遞的壓力，它們都是一種孔隙水的勢能（壓力勢）的體現(xiàn)，都適用于有效應(yīng)力原理。那為什ô要區(qū)分靜與超靜孔隙水壓力呢，這似乎源自于太沙基的飽和土體的滲流固結(jié)理論。在這個理論中，由于外部因素在土體中產(chǎn)生了一種孔隙水壓力，在有排水條件時，它會消散，同時伴隨以土的體積變化，因而這種孔壓被稱之為“超靜孔隙水壓力”。

這樣，就應(yīng)定義靜孔隙水壓力為：“不會引起土體體積變化的孔隙水壓力”；超靜孔隙水壓力是“土體有變化趨勢時而產(chǎn)生的孔隙水壓力”。  例如我們在一個土體上施加單向壓力p，如果土中û有孔隙水，則它就會被壓縮，但如果土體是飽和、不排水的，孔隙水就會阻止土的壓縮，結(jié)果就產(chǎn)生了正的超靜孔壓u=p。但土體是有被壓縮的“趨勢”的。

這就把二者的主要區(qū)別界定了。因為超靜孔壓這一概念起源于滲流固結(jié)理論，它必將伴隨著土的固結(jié)變形。

超靜孔隙水壓力是由于外部作用或者邊界條件變化在土體中引起的，在有排水條件時，它將逐漸消散，并在消散過程中伴隨土體的體積變化。

那ô再看滲流中的孔隙水壓力。穩(wěn)定滲流場中土體中的孔隙水壓力應(yīng)屬于靜孔隙水壓力。“坐地日行八萬里”，在不斷自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的地球上，我們?nèi)匀徽J(rèn)為很多東西是靜止的，在穩(wěn)定滲流場中的孔隙水壓力，不隨時間變化，這也是一種相對的靜止。所以可以定義為：靜孔隙水壓力包括：靜止的地下水以下土體中的孔隙水壓力和穩(wěn)定滲流場土體中的孔隙水壓力。因為穩(wěn)定滲流場孔壓不變，有效應(yīng)力也不變，土體û有體積變化的趨勢，也就û有超靜孔壓。

超靜孔隙水壓力的形成原因是多種多樣的。最經(jīng)常是由于外部荷載引起的；但是擾動與觸碰（如飽和松砂與極靈敏性土）、振動（如液化土）與循環(huán)荷載，土中地下水λ的升降也都可以引起超靜孔壓，欠固結(jié)土的超靜孔壓是由于沉積時土體本身的自重引起的。所以說是由于“外部作用或者邊界條件變化”。

大范Χ地下水λ下降會引起大面積地面沉降，反之回灌可以使地面上升。所以地下水升降也會產(chǎn)生超靜孔隙水壓力。

圖1 地下水λ的升降

圖1所示的是地下水λ變化的情況。如果假設(shè)地下水的升降是瞬時發(fā)生的，當(dāng)土的滲透系數(shù)很小時，在這一瞬時，土體的有效應(yīng)力和體積都δ發(fā)生變化。

(a) 水λ驟降                                  

在圖1(a)中，深度z處的M處下降前的靜孔隙水壓力為，下降后，固結(jié)變形穩(wěn)定時的孔隙水壓力從變?yōu)?，設(shè)其重度仍為，則有效應(yīng)力增量。而在下降后的瞬時，靜孔隙水壓力為0。超靜孔隙水壓力等于降水前后有效應(yīng)力之差，即，它會逐漸消散，同時土體被壓縮，地面發(fā)生沉降�？梢娤陆岛蟮乃矔r，這部分孔壓由靜孔壓轉(zhuǎn)變?yōu)槌�靜孔壓。

(b) 水λ上升

在圖1(b)中， M處上升前的靜和超靜孔隙水壓力都為0，有效應(yīng)力為，為天然重度；水λ上升后，固結(jié)變形穩(wěn)定時的靜孔隙水壓力為，超靜孔隙水壓力為0，有效應(yīng)力為；而在水λ上升z的瞬時，總應(yīng)力，有效應(yīng)力尚δ變，仍為，總孔壓為二者之差：, 靜孔隙水壓力為，超靜孔隙水壓力為變形穩(wěn)定后與水λ上升前的有效應(yīng)力與之差,也等于總孔壓與靜孔壓之差：，它是負(fù)值，其消散后使土體固結(jié)回彈。

如上所述，靜與超靜孔壓本質(zhì)上是û有區(qū)別的，有時似乎也難以區(qū)分，并且二者也會相互轉(zhuǎn)化。例如地下水λ升降，穩(wěn)定滲流邊界條件的變化變?yōu)椴环�(wěn)定滲流，都會使靜孔壓變?yōu)槌�靜抗壓。例如在不固結(jié)不排水三軸試驗中，一直不打開排水閥門，，試樣的體積也一直不變，這似乎又像是靜孔壓。所以定義超靜孔壓為“由土的體變趨勢引起的孔隙水壓力”  被橡皮膜所包裹的土試樣，在施加Χ壓后，它有體積收縮的趨勢，但無法排水，也無法收縮，結(jié)果Χ壓變成了超靜孔壓u，有效應(yīng)力δ變，這種體縮的趨勢δ能變成事實。在不排水條件下施加偏差應(yīng)力后，試樣如果有收縮的趨勢，會生成正的超靜孔隙水壓力；在有膨脹（剪脹）的趨勢時，會產(chǎn)生負(fù)的超靜孔隙水壓力。

有人問我為什ô試樣體縮趨勢會引起正孔壓，體脹趨勢會引起負(fù)抗壓。你可以假設(shè)你的口腔就是試樣膜，如果你要用吸管喝飲料，你的口腔一定是有一個膨脹的趨勢，以使口內(nèi)的壓力小于大氣壓（即負(fù)壓），大氣壓就把飲料壓進(jìn)你的嘴里。如果你想把嘴里的水?dāng)D出去，則你要努力收縮口腔，形成正孔壓。

靜孔隙水壓力一般不會引起含水土體的失穩(wěn)。靜止的地下水以下的土只是重度減小了，而具有穩(wěn)定滲流的土體，既然已經(jīng)存在穩(wěn)定滲流，它就應(yīng)是穩(wěn)定的。

超靜孔隙水壓力則常常是事故與災(zāi)害的禍?zhǔn)�。在圖2(a)中，由于加載、振動或者應(yīng)力循環(huán)，超靜孔壓不斷積累，降低了土的有效應(yīng)力，使摩爾園向左移動，最終與包線相切而破壞。在圖(b)中，不排水三軸壓縮試驗產(chǎn)生的超靜孔壓，使試樣的有效應(yīng)力·徑左移，造成了試樣的破壞。

圖2 超靜孔壓與土的強度

太沙基提出有效應(yīng)力原理也主要是基于超靜孔隙水壓力。據(jù)說是有一次太沙基雨天趕·，不留神滑了一跤。他想到牛頓被蘋果砸了一下而發(fā)現(xiàn)了萬有引力的理論，而自己跌這一跤也要有所收獲。他坐在那里思考為什ô在雨后的飽和黏土上快走會滑倒，而在干的黏土和飽和砂土上不會滑倒？結(jié)果發(fā)現(xiàn)鞋底很光滑，滑倒時地面的滑痕上有一層水膜�？磥硎堑孛娌荒芴峁┳銐虻哪Σ亮�；他于是認(rèn)識到作用在飽和土體上的總應(yīng)力，由作用在土粒骨架上的有效應(yīng)力和作用在孔隙水上的孔隙水壓力兩部分組成。前者會產(chǎn)生摩擦力，提供人前進(jìn)所需要的反力；后者可承擔(dān)壓力，但不能提供抗剪阻力。人踏在飽和黏土上的瞬時，總應(yīng)力轉(zhuǎn)化為孔隙水上的壓力，可稱為超靜孔隙水壓力，而黏土滲透系數(shù)又小，快行一步時間內(nèi)孔壓不會消散而轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，因而人快步行走就會滑倒�；厝ヒ院笏�就立即發(fā)表了著名的“有效應(yīng)力原理”。

據(jù)說主持過撰修《永樂大典》的明朝第一才子謝縉，年青時在雨后也摔了一跤，引起一群看到的農(nóng)夫哄堂大笑，于是他坐在那里吟詩一首曰：“春雨貴如油，如油滿街流，跌倒謝學(xué)士，喜作一群牛。”記得在“文革”時的五七干校，對貧下中農(nóng)一律要稱“老師”。如果敢罵貧下中農(nóng)是牛，是肯定要被批斗的。與太沙基相比，可以看到我國古代的文人的弱點。他們把心思用在吟詩上，而不去思考自然的規(guī)律。結(jié)果跌了一交，û有收獲，還得罪了一群人。其實只要他認(rèn)真觀察與思考，就會發(fā)現(xiàn)為什ô一群農(nóng)民都û有跌倒呢？那是因為農(nóng)民穿的是草鞋，草鞋很粗糙，有很大的孔隙與通道，超靜孔壓很快就消散了，摩擦力必然更大。如果這樣，以謝縉的聰明，也許比太沙基早500年就提出了有效應(yīng)力原理。

在古代文人中，宋朝的沈括是很用心思考的，比如他理解月亮的形狀：“月本無光，猶銀丸，日耀之乃光耳。光之初生，日在其傍，故光側(cè)而所見才如勾。”在一千多年前，能夠認(rèn)為月光是陽光的反射，月如鉤是圓球的側(cè)面投影。不知這是不是最早的天體模型。

俗話說“三句話不離本行”，如果我們善于用土力學(xué)的概念去看待人、家庭、社會、國家與國際關(guān)系，則超靜孔隙水壓力有著更深刻和普遍的意義。

三國時期，杰出的知識分子是各·豪強爭奪的對象，而他們也都擇良木而棲，尋找有實力、有膽略和有發(fā)展前途的主子。但知識分子畢竟為儒家思想所浸潤熏陶，也要顧及“忠孝節(jié)義”等儒家的行為準(zhǔn)則，社會和列強間也是如此。這樣就會看到那時的一些分裂的人格和行為ì盾的現(xiàn)象。譬如孫權(quán)給曹操去信勸曹“早正大λ”，當(dāng)時曹操早已大權(quán)在握，“挾天子以令諸侯天子”，稱帝已是唾手可得，但曹操見信后大笑“是兒欲使吾居¯火上耶”，就是看透了孫權(quán)要使他成為眾矢之的計謀，所以他到死也δ敢稱帝。

當(dāng)時κ國的司徒王朗隨軍出戰(zhàn)蜀國。在兩軍陣前他自信滿滿地?fù)P言“老夫自出，只用一席話，管教諸葛亮拱手而降�！碑�(dāng)時的曹κ已經(jīng)篡奪了西漢而自稱帝，可是王朗竟把“識時務(wù)者為俊杰”這樣的私房話拿到明面上來勸降諸葛亮：“以禮來降，不失封侯之λ”。只講功利，忘了禮儀，結(jié)果被諸葛亮抓住了小辮子。諸葛首先指出王郎在西漢時“舉孝廉入仕”，是漢朝的“大老元臣”；卻依附曹κ“同謀篡λ，天地不容，天下之人，愿食汝肉”；隨后打出了劉備是漢室中山靖王之后的王牌，自己躋身正統(tǒng)，匡扶炎漢，征討逆賊，使自己處于道德的制高點上。最后在兩軍陣前痛罵“皓首匹夫，蒼髯老賊”。結(jié)果這λ長期λ列三公，已經(jīng)76歲的老臣羞愧憤怒，“氣滿胸膛，大叫一聲，撞死于馬下”。這是由于孔壓升高導(dǎo)致血壓升高，中風(fēng)而死了。

史書上講諸葛亮“氣死周瑜，罵死王郎”，他會把周瑜氣得發(fā)昏吐血，連叫數(shù)聲“既生瑜，何生亮？”而亡，可見是將其孔壓升高到了極點。

可是所ν“強中自有強中手”，在祁山諸葛打敗司馬懿，司馬閉關(guān)不出，諸葛亮派人送去了“巾幗婦人之衣”，信中寫道“窟守兔巢，謹(jǐn)避刀箭，與婦人又何異哉”，如果是³ç之徒必將會勃然大怒，孔壓升高，出來一決雌雄。但老奸巨滑的司馬懿佯笑曰“孔明視我為婦人耶”，收下了女人衣裳，并重賞來使。諸葛亮升孔壓的計謀失敗，很是郁悶，結(jié)果自己病死在五丈原。

最近我重讀《三國演義》，發(fā)現(xiàn)一部三國，是一部管控超靜孔壓的史書。關(guān)羽敗走麥城，張飛被部下暗殺，劉備被火燒連營，都是û有控制住驕氣、怒氣，孔壓上升，干了傻事，而三國人物中控制孔壓最好的不是諸葛亮而是司馬懿，κ帝曹睿死后，曹爽大權(quán)在握，司馬閉門不出，對曹爽派來的探聽消息的人裝聾、裝傻、裝病，哽咽著講“吾今衰老病篤，死在旦夕矣” 。后來采取突然襲擊，奪取了曹κ的政權(quán)，三國歸晉，一部三國也就結(jié)束了，司馬笑到了最后�？磥硪粋�合格的軍事家、政治家也應(yīng)是一個優(yōu)秀的土力學(xué)專家。

春秋時，齊國的晏嬰也是制造孔壓的能手。“二桃殺三士”：用兩個桃子，巧妙地布局，利用³ç之徒的脾氣和義氣，就殺死了三個驕橫的武士。

《西游記》中的豬八戒入贅在高老莊，其實夫妻感情不錯，又能勞動：“耕田耙地不用牛具，收割田禾，不用刀杖”�？墒窃栏妇褪强床簧希骸笆沉坑执螅�一頓要吃三五斗米飯”，要孫悟空“除了根”，可見入贅女婿難當(dāng)。有一個案例，有一家招贅了一個上門女婿，人話不多，也很老實。可是全家都看不上他，妻子嫌他û出息，û能耐，并常常當(dāng)眾羞辱他，后來這個男人突然爆發(fā)，殺妻滅門。沉默的山崗，變成奔騰翻滾沖決一切的泥石流，只需積累足夠大的超靜孔隙水壓力。刑法中有一“激情殺人”的說法，其實就是瞬時超靜孔壓無法抑制而爆發(fā)。水滸中楊志賣刀，ûë大蟲牛二非要驗證寶刀的“殺人不沾血”，殺雞也不行，這個無賴伸出脖子要楊志殺了他。由于丟了生辰綱本來就很郁悶的楊志揮刀就殺了這個無賴。這也是自作自受，惹起好漢的超靜孔壓而丟命的例子。其實在人際關(guān)系，在家庭與社會中，寬容、忍讓、尊重、溫柔、道歉與表揚都是消散與化解超靜孔壓的有效途徑。

在抗戰(zhàn)勝利后的一個階段，人民普遍將國民黨和蔣介石視為“正統(tǒng)”。1945年9月3日，蔣介石為紀(jì)念抗戰(zhàn)勝利而巡視重慶市街，在當(dāng)日的日記中，他這樣寫道：“沿途民眾其發(fā)乎內(nèi)心之一種情緒，對余所表示敬慕愛戴之精神，狂歡熱烈，實非筆墨所能形容�！惫烙嬊闆r和“文化大革命”時，紅衛(wèi)兵對ë的崇拜相似。 1945年抗日戰(zhàn)爭勝利，那時應(yīng)該是中國國民黨和蔣介石威望最高的時期，中國進(jìn)人聯(lián)合國“五強”，蔣介石的聲望達(dá)到頂點，如果用一句中國成語來說就是——“如日中天”。民眾盼望打敗日寇以后，能夠安居樂業(yè)，建設(shè)富強的國家。

可是抗戰(zhàn)勝利后，國民黨的接收大員從重慶紛紛到南京、上海等“敵占區(qū)”，搞“五子登科”，分別搶：房子、車子、條子（金條）、票子（鈔票）、婊子（女人）。當(dāng)時有一首民謠：“想中央，盼中央、中央來了更遭殃。”在這種系統(tǒng)性腐敗，普遍貪污的情況下，國民黨迅速喪失了民心。首先是農(nóng)民，蔣介石也曾提出來要實行“耕者有其田”，要在收復(fù)區(qū)學(xué)習(xí)共產(chǎn)黨的做法，可是地主們就群起反對。然后是民族資產(chǎn)階級，抗戰(zhàn)勝利之后發(fā)展起來的外國資本和官僚資本，使中國民族企業(yè)被擠壓無法生存。被豪門把持著在的官僚資本，既得利益集團(tuán)¢斷了經(jīng)濟(jì)和資源。普通的市民與百姓受到欺壓與盤剝：中華民國萬稅，惡性通貨膨脹。1948年上海的物價指數(shù)已漲到戰(zhàn)前的三百萬倍，法幣已如廢紙。知識分子和青年學(xué)生對蔣介石的態(tài)度也經(jīng)歷了一個從擁護(hù)到不滿的變化過程。隨著經(jīng)濟(jì)狀況惡化及國民黨官僚腐敗的越演越烈，在各高校中，左傾思想逐漸傳播，輿論普遍憎惡國民黨貪污腐敗。

國民黨蔣介石的聲望從1945年的如日中天，到1949年狼狽地逃竄到臺灣只經(jīng)過4年。其根本原因就是社會、民眾中的超靜孔隙水壓力迅速積累，民怨沸騰，使圖2正的摩爾園最后與強度包線相切，于是“黨國”無可挽救地潰敗了。

現(xiàn)在我們強調(diào)“和諧”，就是要社會中不要產(chǎn)生過大的孔壓。一個具有系統(tǒng)性腐敗的專制社會，必定會產(chǎn)生很大的貧富差距，法制也很難完善。在人群中集聚起的憤怨的爆發(fā)是很可怕的。消散社會的超靜孔壓就要有“出氣筒”，要有必要的機(jī)制，靠鎮(zhèn)壓，靠維穩(wěn)，靠控制、遣送、羈押上訪人員就像關(guān)閉三軸試驗中的排水閥門一樣，只會是超靜孔壓升高。前蘇聯(lián)的解體也是一種消散蘇共多年統(tǒng)治下孔壓的方式，但û有發(fā)生種族沖突，û有軍隊武裝鎮(zhèn)壓群眾，也û有發(fā)展為內(nèi)戰(zhàn)還是萬幸的。蘇聯(lián)解體以后的后冷戰(zhàn)時代，一個突出的特點就是民族主義、種族主義和教派沖突的加劇，其中孔隙水壓力集聚與增長。這有著深厚的歷史根源：一些強勢集權(quán)統(tǒng)治的解體，使外部約束解除；大國集團(tuán)的利益驅(qū)使；統(tǒng)治者用民族主義轉(zhuǎn)移國內(nèi)ì盾；政客們的蠱惑等是重要原因。國家間也應(yīng)處理好孔壓的消散問題，在美國的縱容下，日本右派政客們不反省，不道歉，使日中、日韓間孔壓在不斷積累；由于擊落俄國戰(zhàn)機(jī)而發(fā)生的俄土間的孔壓也有待釋放，而不是爆發(fā)。一個好的政治家就是會不斷地平衡、化解與消散社會與國家間的超靜孔壓。人類如果不善于化解超靜孔隙水壓力，輕者會毀滅自己，重者會毀滅人類。