• 邏輯的忽視對巖土工程研究的不利影響

    2021-01-12 10:59  來源:巖土網  閱讀:1489
    對任何學科而言,邏輯推理都是非常重要的??茖W不僅要告訴人們“什么”,還要告訴人們“為什么”,也就是要向人們講道理。如果一門學科沒有邏輯推理,這門學科也就不存在了。對巖土工程而言,邏輯推理的重要性不亞于試驗,試驗代替不了邏輯推理。然而,因巖土工程是一門實用的學科,巖土工程工作者經歷的邏輯推理訓練相對較少,這容易導致邏輯推理的忽視。

    邏輯的忽視對巖土工程研究的不利影響

    方玉樹

    1 概述

    對任何學科而言,邏輯推理都是非常重要的??茖W不僅要告訴人們“什么”,還要告訴人們“為什么”,也就是要向人們講道理。如果一門學科沒有邏輯推理,這門學科也就不存在了。對巖土工程而言,邏輯推理的重要性不亞于試驗,試驗代替不了邏輯推理。然而,因巖土工程是一門實用的學科,巖土工程工作者經歷的邏輯推理訓練相對較少,這容易導致邏輯推理的忽視。在巖土工程界,邏輯錯誤比比皆是。

    對邏輯錯誤,筆者“地基基礎設計等級是一個不該提出更不該固守的概念”、“關于基礎工程若干術語定義的討論”等多篇文章均有介紹,其中,將水壓率理論對孔隙水壓力的重新定義先與偷換概念劃等號后與抄襲和篡改劃約等號的做法、水力坡度是孔壓的斜率(或沿流程的變化率)的認識、土有生命有生老病死的認識,國家標準《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)(以下稱國標《地基規范》2011版)及其他標準對地基基礎設計等級的劃分與應用,工程界廣泛采用的地基容許承載力(或地基承載力容許值)概念和地基沉降(或土體沉降)概念屬于概念混亂。另外,根據筆者的研究,國家標準《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330-2013(以下稱國標《邊坡規范》2013版)共有條文462條(含附錄內的條文),自相矛盾至少221處,至少平均每2.1條就有1處自相矛盾[1]。

    巖土工程研究中有四個因忽視邏輯而走了不少彎路、一些研究者至今還走在彎路上的例子。

    2 典型例子之一

    第一個例子是擋墻抗傾覆穩定性計算的研究,包括水泥土擋墻抗傾覆穩定性計算中不同方向水壓力定位的研究和擋墻抗傾覆穩定性計算之其他力定位的研究。

    1.不同方向水壓力的定位

    水泥土擋墻抗傾覆穩定性計算中不同方向水壓力的定位指的是墻前、墻底和墻背有水壓力時是歸入作用項還是歸入抗力項。

    墻背水壓力因與墻背有效壓力同向而歸入作用項,這沒有疑義,關于墻面水壓力和墻底水壓力的定位,有4種組合供選擇,即:a.墻面水壓力視為抗力,墻底水壓力視為作用;b.墻面水壓力視為抗力,墻底水壓力視為負的抗力;c.墻面水壓力視為負的作用,墻底水壓力視為負的抗力;d.墻面水壓力視為負的作用,墻底水壓力視為作用。

    這四種組合中只有第四種才符合一點的水壓不隨方向變化這一基本規律,而這一規律是涉及水力時力平衡的基礎,不遵守水壓的基本規律就意味著不滿足對墻趾的力矩平衡。

    由于忽視了一點的水壓不隨方向變化這一基本規律,先后實施過的全部(3部)基坑工程行業標準選遍了所有(三種)不正確的組合而偏偏放過了那一個正確的組合。其中,《建筑基坑支護技術規》(JGJ120-2012)選擇所剩最后一種不正確的組合——第二種組合之時,筆者論證應采用第四種組合的文章2已發表2年。此外,在筆者的這篇文章發表3年后,有的專家學者仍然堅持原有的認識,即認為應選擇《建筑基坑工程技術規范》(YB9258-97)已經用過的第三種組合,且用敵軍、我軍和友軍這樣的軍事政治概念加以論述。

    2.其他力的定位

    重力式擋墻抗傾覆穩定性計算涉及墻背巖土荷載的水平分力和豎向分力的定位,迄今的國家標準中墻背巖土荷載的水平分力和豎向分力的定位(前者視為作用,后者視為抗力)都不服從力的分解和合成原理。

    筆者的研究表明,只要將擋墻抗傾覆穩定系數定義為擋墻重度調整系數(它是這樣的系數:擋墻重度按除以該系數的方式調整后擋墻剛好處于傾覆極限平衡狀態),所建立的抗傾覆穩定性計算式便是采用第四種組合對墻面和墻底水壓力進行定位,且其他力的定位均服從力的分解和合成原理的公式2。

    筆者在起草國標《邊坡規范》2013版之征求意見稿相關部分時采用擋墻重度調整系數這個抗傾覆穩定系數定義建立了重力式擋墻抗傾覆穩定性計算式,原本有望改變不服從力的分解和合成原理的狀況,可惜在筆者離開該標準編制組后,抗傾覆穩定性計算式被改回原樣。筆者牽頭編寫的重慶市工程建設標準《建筑邊坡工程技術規范》(DB50/T報批稿)(其要點見拙著《<建筑邊坡工程技術規范>GB50330-2013)修改建議》1)也采用擋墻重度調整系數這個抗傾覆穩定系數定義建立了重力式擋墻抗傾覆穩定性計算式,原本有望在重慶這一個地區改變不服從力的分解和合成原理的狀況,可惜該報批稿因遭到國標《邊坡規范》2013版部分在渝起草人和部分在渝審查人的反對而未得到發布。這些使得不遵守力的分解和合成原理的現象在重慶和我國其他地區繼續存在。

    所幸筆者牽頭編寫的重慶市工程建設標準《地質災害防治工程設計標準》(DBJ50/T-029-2019)采用了根據擋墻重度調整系數這個抗傾覆穩定系數定義建立的重力式擋墻抗傾覆穩定性計算式,使得我國重力式擋墻抗傾覆穩定性計算普遍不服從力的分解和合成原理的現狀在重慶這一個地區的地質災害治理領域有所改變。

    3 典型例子之二

    第二個例子是傳遞系數法之滑動力調整法的提出和應用。

    傳遞系數法之滑動力調整法(當無負值剩余滑動力時其穩定性計算可獲得顯式解,故一些人稱其為顯式解法)通過調整滑動力來實現力的平衡。它是所有條分法中唯一不遵守力的分解和合成原理的條分法[3],而不遵守力的分解和合成原理就意味著不滿足力的平衡。然而,作為邊坡和滑坡穩定性計算方法,它在我國應用了40多年;作為滑坡支擋結構巖土荷載計算方法,它在我國應用了半個多世紀。筆者在2005年和2009年指出這一錯誤[3,4]以后,雖然筆者起草的國標《邊坡規范》2013版“邊坡穩定性評價”部分已經放棄了該法,但國標《地基規范》2011版仍采用該法。

    4 典型例子之三

    第三個例子是邊坡和滑坡抗滑支護結構巖土荷載計算的研究。

    1.邊坡抗滑支護結構巖土荷載計算方面

    用于擋墻背后全填方的庫侖土壓力理論和用于計算邊坡抗滑穩定性的剛體極限平衡條分法之間是不兼容的:庫侖土壓力理論建立在擋墻反力作用下土楔處于滑動極限平衡狀態的基礎上,含(求)擋墻反力,不含抗滑穩定系數;條分法建立在抗剪強度參數按除以抗滑穩定系數的方式調整后條塊處于極限平衡狀態的基礎上,含(求)抗滑穩定系數,不含擋墻等支護結構反力。但這不妨礙庫侖土壓力理論對擋墻背后全填方情形的基本適用性,因為:一方面,選料符合設計要求的墻背填土粘聚力很低,墻背很陡,離開了擋墻,填土將發生垮塌,其穩定系數小于1;另一方面,與開挖形成的邊坡不同,在擋墻形成前,坡面傾斜情況與墻背相同的填土邊坡并不存在,不需要計算坡面傾斜情況與墻背相同的填土邊坡之抗滑穩定性。

    邊坡工程實踐發現庫侖土壓力理論和剛體極限平衡條分法不夠用,需要提出適用于擋墻背后全填方以外其他情形的邊坡抗滑支護結構巖土荷載計算方法。國家標準《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330-2002)和《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2002)在繼續采用條分法計算邊坡抗滑穩定性的同時采用庫侖土壓力理論創始人的思路進行邊坡抗滑支護結構巖土荷載計算(因推導過程的疏失,兩部標準的部分具體計算公式或方法存在錯誤)。這導致邊坡抗滑穩定性評價方法與邊坡抗滑支護結構巖土荷載計算方法矛盾并帶來嚴重安全隱患:邊坡抗滑穩定系數大于或等于1而小于穩定安全系數時,邊坡抗滑支護結構巖土荷載為0,甚至當邊坡抗滑穩定系數接近于1但小于1時邊坡抗滑支護結構巖土荷載也為0(這是因為:對均質邊坡,條分法采用圓弧形滑面,庫侖理論采用直線形滑面)。筆者在2008年指出這一點并提出按穩定性公式反算法[5]以后,國標《邊坡規范》2013版和國標《地基規范》2011版仍然沿襲這一錯誤做法。

    重慶市工程建設標準《建筑邊坡工程技術規范》(DB50/T報批稿)(其要點見拙著《<建筑邊坡工程技術規范>GB50330-2013)修改建議》1)采用按穩定性公式反算法,原本有望在重慶這一個地區改變這種狀況,可惜該報批稿因遭到國標《邊坡規范》2013版部分在渝起草人和部分在渝審查人的反對而未得到發布,使得不滿足力平衡的現象繼續存在。

    2.邊坡抗拉裂變形支護結構巖土荷載計算方面

    從抗滑角度來說,粘聚力很大的邊坡有很大的自穩能力,但需要防范其發生拉裂掉塊。顯然,當邊坡抗滑穩定時,主動土壓力早已為0,庫侖主動土壓力理論對邊坡抗拉裂變形支護結構巖土荷載計算不適用。國家標準《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330-2002)及國標《邊坡規范》2013版采用庫侖主動土壓力公式計算邊坡抗拉裂變形支護結構巖土荷載,為使主動土壓力大于0,用與巖體內摩擦角和巖體粘聚力遠遠不等效的所謂“巖體等效內摩擦角”取代公式中的巖體內摩擦角和巖體粘聚力,造成邊坡變形破壞模式和抗滑穩定性判斷上的混亂。

    重慶市工程建設標準《建筑邊坡工程技術規范》(DB50/T報批稿)(其要點見拙著《<建筑邊坡工程技術規范>GB50330-2013)修改建議》1)采用以邊坡巖體抗側向變形能力分級為基礎的靜止巖土壓力修正法,原本有望在重慶這一個地區改變這種狀況,可惜該報批稿因遭到國標《邊坡規范》2013版部分在渝起草人和部分在渝審查人的反對而未得到發布,使得邊坡變形破壞模式和抗滑穩定性判斷上的混亂現象繼續存在。

    2.滑坡支擋結構巖土荷載計算方面

    迄今的國家標準和行業標準中滑坡支擋結構巖土荷載計算方法(根據傳遞系數法之剩余滑動力或瑞典法之剩余滑動力矩確定),雖然都含有穩定安全系數,但都沒有象庫侖土壓力理論那樣建立在力平衡的基礎上。其中,國標《邊坡規范》2013版和國標《地基規范》2011版沿襲這一錯誤做法之時,筆者指出這一錯誤并提出按穩定性公式反算法的文章6已發表6年和4年。

    重慶市工程建設標準《建筑邊坡工程技術規范》(DB50/T報批稿)(其要點見拙著《<建筑邊坡工程技術規范>GB50330-2013)修改建議》1)采用了按穩定性公式反算法,原本有望在重慶這一個地區改變這種狀況,可惜該報批稿因遭到國標《邊坡規范》2013版部分在渝起草人和部分在渝審查人的反對而未得到發布,使得不滿足力平衡的現象繼續存在。

    5 典型例子之四

    第四個例子是孔隙水壓力和有效應力的研究。

    筆者在2007年以孔隙水壓力是單位面積土截面上的水壓力,所涉及的截面是在顆粒(或膠團)之間通過的宏觀上是平面的曲面,結合水不能傳遞水壓力為基礎,提出了以水壓原理為核心的水壓率理論7。

    這三個基礎缺一不可??紫端畨毫κ峭林袘Φ囊徊糠?,和有效應力(包括有效壓應力、剪應力)、總應力一樣,孔隙水壓力必然是單位面積土截面上的某種壓力;由于固結由顆粒之間的相對位移引起,和有效應力(包括有效壓應力、剪應力)、總應力一樣,孔隙水壓力所涉及的截面必然是在顆粒(或膠團)之間通過的宏觀上是平面的曲面;由于結合水總是包裹和伴隨著顆粒(無論是否處于水位面以下),是有粘性土結構的組成物,在外界因素影響下只發生厚度大小變化而不會消失,結合水必然不傳遞水壓力。

    對于這三個基礎,迄今除筆者外的研究者選擇了三個都不用、用其中的某一個、用其中的某兩個之做法,放過了三個都用的選項,結果都是錯誤的。

    1)三個基礎都不用時,總應力和有效應力、孔隙水壓力的關系用下式表達:

    圖片未命名 1

    式中,圖片未命名——總應力;圖片未命名——有效應力;圖片未命名——按水體壓強理解的孔隙水壓力;圖片未命名為孔隙度。

    這樣計算的錯誤情況是:a.純粗粒土中無水時,有效應力竟然與總應力不等;b.純粗粒土飽和時,有效應力竟然不接近于總應力與孔隙水壓力之差;c.圖片未命名是什么概念不明確;d.圖片未命名是什么概念也不明確。

    2)只用其中第一個基礎時,孔隙水壓力為水體壓強與孔隙度之積。這是筆者闡述水壓率理論的文章被某刊退稿時所附審稿意見中的認識。

    這樣計算的錯誤情況是:a.純粗粒土孔隙水壓力竟然不接近于水體壓強,或者說,以地表為上表面的純粗粒土所受浮力竟然不接近于服從阿基米德定律;b.黏土的孔隙度可高達70%,但往往測不到??紫端畨毫Γǚ浅紫端畨毫Γ?,據這種方法計算的黏土的孔隙水壓力與實際嚴重不符。

    黃志侖先生則認為,黏土中的孔隙水壓力要乘以孔隙度(或貫通孔隙度)8。

    這樣計算的錯誤情況是:a.黏土與非黏土是過渡關系,黏土的孔隙水壓力乘以孔隙度(或貫通孔隙度)的做法與非黏土的孔隙度不乘以孔隙度(或貫通孔隙度)的做法則無過渡關系;b.黏土的孔隙水壓力要乘以孔隙度(或貫通孔隙度)而不是乘以別的指標之道理無法說清楚;c.黏土的孔隙度可高達70%,但往往測不到??紫端畨毫Γǚ浅紫端畨毫Γ?,據這種方法計算的黏土的孔隙水壓力與實際嚴重不符。

    3)只用其中第二個基礎時,孔隙水壓力為水體壓強。這是目前土力學理論界普遍采用的做法。

    這樣計算的錯誤情況是:a.黏土中往往測不到??紫端畨毫Γǚ浅紫端畨毫Γ?,據這種方法計算的黏土的孔隙水壓力與實際嚴重不符;b.無法解釋基坑底突從承壓含水層隔水頂板底面開始而不從其他地方開始的現象。

    4)只用其中后兩個基礎時,總應力和有效應力、孔隙水壓力的關系用下式表達9~12:

      圖片未命名2

     圖片未命名3

    式中,圖片未命名——總應力;圖片未命名——有效應力;圖片未命名——按水體壓強理解的孔隙水壓力;圖片未命名——土中水的壓力系數;圖片未命名為孔隙度;圖片未命名為孔壓傳遞系數即顆粒受孔壓作用面積占顆??偙砻娣e的比例。

    這樣計算的錯誤情況是:因沒有也無法對式中圖片未命名圖片未命名(其中圖片未命名仍被稱為孔隙水壓力)進行定義,造成圖片未命名圖片未命名概念不清,也造成(2)式或(3)式表達的有效應力原理在文字闡述上的困難。此外,(2)式還存在土中水的壓力系數與用以確定浮重度的土水共同作用系數概念混亂的問題,(3)式還存在無自由水的純細粒土有效應力小于總應力且無法向純粗粒土有效應力逐漸過渡的錯誤。

    5)只用其中第一和第三個基礎時,用作中性應力的孔隙水壓力為水體壓強與給水度三分之二次方的乘積13。

    這樣計算的錯誤情況是:純粗粒土的孔隙水壓力竟然不接近于水體壓強,或者說,以地表為上表面的純粗粒土所受浮力竟然不接近于服從阿基米德定律。

    一些研究者選擇只用其中兩個基礎的做法之時,筆者的以水壓原理為基礎的水壓率理論7已發表4年、7年和13年;在水壓率理論發表后,有的學者仍然贊同只用其中第二個基礎的做法或者選擇在將結合水不傳遞水壓力這個基礎改為強結合水不傳遞水壓力之后只用其中后兩個基礎的做法。      

    參考文獻:

    [1] 方玉樹.《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330-2013)修改建議[M].重慶:重慶出版社,2020.

    [2]方玉樹.水泥土擋墻抗傾覆穩定性計算若干問題[J].工程勘察,2010,3812):5~8.

    [3] 方玉樹.邊坡與滑坡穩定系數定義的分析[J].巖土工程界,2009,122):12~16.

    [4] 方玉樹.滑坡穩定分析傳遞系數法若干問題探討[J].工程地質學報,2007,155):607~611.

    [5] 方玉樹.邊坡支護結構荷載取值問題研究[J].工程地質學報,2008,162):190~195.

    [6] 方玉樹.滑坡支擋結構荷載取值問題研究[J].工程地質學報,2007,152):200~204.

    [7] 方玉樹.基于水壓率討論土中孔隙水壓力及有關問題[J].巖土工程界,2007,105):21~26.

    [8] 黃志侖.關于地下建筑物的地下水揚壓力問題分析[J]. 巖土工程技術,20025:273~274.

    [9] 王洪新.水土壓力分算與合算的統一算法[A].巖石力學與工程學報[J]. 2011,305):10571064.

    [10] 王洪新.水土壓力統一計算理論的證明及水土共同作用下的壓力計算[A].巖石力學與工程學報[J]. 2012,312:392-398.

    [11] 王洪新.考慮土對水吸附性的滲流破壞理論及應用[A].巖石力學與工程學報[J]. 2013,323:562-571.

    [12] 徐日慶,等.兩相非連續介質固結理論[A].巖石力學與工程學報[J]. 2014,334:817-825.

    [13] 王國義,蔣宗全.飽和土有效應力原理下的水土壓力分算和合算的統一計算.山西建筑,2020,46(11):4~7.


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    全部評論(4)

    • cy3143發表于 07月05日 16:19陳振全
    • 支持“關于水壓率理論,個人認為值得進一步探討。因為我覺得結合水不能傳遞孔隙水壓力的觀點有誤?!?/li>
    點評:
    • 深藏功yu名發表于 03月24日 13:21這家伙很懶,沒有個性簽名!
    • 就差指名道姓了,不過就抗傾覆而言,墻前、墻底都計入荷載(作用)項確實概念更為明確,支持!
    點評:
    • fs3357發表于 03月30日 08:45這家伙很懶,沒有個性簽名!
    • 巖土感悟
    點評:
    • zzt2001發表于 03月25日 09:54這家伙很懶,沒有個性簽名!
    • 關于水壓率理論,個人認為值得進一步探討。因為我覺得結合水不能傳遞孔隙水壓力的觀點有誤。我的理由是:因為結合水和土骨架不是剛體(軟塑~堅硬狀態),是可以進行小變形或大變形的,因為水不可壓縮,結合水和土骨架在承受靜水壓力后會產生一個法向變形,并通過這一法向變形將靜水壓力向遠方傳遞。
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    方玉樹

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