岩土工程是土木工程的分支，是运用工程地质学、土力学、岩石力学等解决有关岩石及土的各类工程问题的科学。
结构和岩土不分家，结构工程师也经常会遇到岩土相关问题。结构工程师平时接触岩土知识较少，有时在看岩土方面资料时会觉得吃力。下面这些问题就是结构工程师在看岩土资料时产生的疑惑，可能对于岩土工程师来说，这些概念都十分基本，所以书籍资料中都没有进行仔细说明，却经常让岩土入门者费一番思量。
土和水是如何相互作用的？饱和黏土的不固结不排水强度包线为什么是一条水平线？外倾结构面又是什么？本文就将最近思考的这几个岩土问题分享给大家，希望能帮大家理清一些基本概念和思路。
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问题一：水到底是浮力还是荷载？
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问题描述
我们先来看两个题目。
1. 大面积填海造地工程平均海水深约2.0m，淤泥层平均厚度为10.0m，重度为15kN/m3，求淤泥层中点的有效应力。
图1 土层及海水分布示意
2. 某场地地下水位如图2所示，已知黏土层饱和重度γsat = 19.2kN/m3，砂层中承压水头hw = 15m（由砂层顶面起算），h1 = 4m，h2 = 8m，求砂层顶面的有效应力。
图2 某场地土层及地下水分布情况
第1题求淤泥层中点的有效应力，应为：
Pcz = (γs - γw)×Hs / 2 = (15-10)×10 / 2 = 25kPa
第2题求砂层顶面的有效应力，应为：
σ' = (γsH2 + γwH1) - γwHw = (19.2×8 + 10×4) - 15×10 = 43.6kPa
上面两题都是求土中某点的有效应力，水同样都漫过了土层顶。为什么第1题将水作为浮力考虑，采用浮重度(γs -γw)，高出土层的部分也没有作为荷载考虑；第2题却不仅没有将水作为浮力，没有对γs采用浮重度，还将高出土层的水作为荷载考虑，加到了原有的土重上，采用(γsH2 + γwH1)。水到底是浮力还是荷载？
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小编思考
对于透水层，且水漫过土层顶的情形，水能够在土颗粒间自由流动。对于每一颗土粒，由于来自下表面的的水压力都会与上表面的水压力形成浮力，所以水提供浮力作用，高出土层部分的水也不作为荷载考虑。
这时，我们可以将水浮力与场力进行类比，水只是提供浮力的背景。就像我们在地球周围，处于地球的引力场内，受到引力；或者像铁在磁铁附近，处于磁场中，受到磁力。当我们考虑处于水环境中的土时，只需要考虑水提供的浮力场，而不再需要考虑水本身。水对处于其中的物体，只是提供浮力的背景，不是荷载。
而对于不透水层，水不能在不透水层的土粒间自由流动，土的上表面受到土层上方水的水压力，土的下表面受到土层下方水的水压力，但水压力被中间的不透水层隔离，因此高出土层部分的水不提供浮力作用，作为荷载考虑。
这时，对于高出土层部分的水，我们可以将其下的不透水土层想象成盛水的杯子。杯子承载着其上的水，水对于杯子来说，不提供浮力，是荷载。
02
问题二:对于水不提供浮力作用的黏土层，有效应力为什么小于总自重应力？
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问题描述
我们再来看一个题目。
某土层剖面及各土层的厚度、重度分布如图3所示。中砂层③中含有承压水，水位与地面齐平。画出竖向有效自重应力 σz' 沿深度的分布。
图3 某场地土层及地下水分布情况
竖向总自重应力 σz，孔隙水压力 u，竖向有效自重应力 σz' 沿深度的分布如图4所示。
图4 应力分布图
在问题一中小编提到，对于不透水的黏土层，水不提供浮力作用，是荷载。那么在这里黏土层的有效应力为什么会小于总自重应力？
02
小编思考
我们先来看一个杯子模型，如图5所示。一个盛水的杯子，中间有一块挡板，挡板左侧的水位低，右侧的水位高。由于挡板左右的水位存在差异，水会对挡板施加一个向左的力（图中蓝色箭头所示），反过来挡板也会对水施加一个向右的力（图中红色箭头所示），维持着平衡。
图5 杯子模型
现在我们将杯子顺时针旋转90°，将中间的挡板换成黏土层，这样就变成了和题目相同的情形，如图6所示。
图6 黏土模型
与上面杯子模型中挡板的情形类似，水对黏土施加一个向上的力（图中蓝色箭头所示），反过来黏土也对水施加一个向下的力（图中红色箭头所示）。
杯子模型与黏土模型不同的是，在杯子模型中，挡板与水的相互作用力是在挡板处瞬间完成的。然而在黏土模型中，黏土与水的相互作用力是在整个黏土层范围内逐渐完成的。
题目中，黏土层②层顶的孔隙水压力为10kPa，层底的孔隙水压力为60kPa，黏土层相当于挡板，孔隙水压力的差距在整个黏土层范围内逐渐被挡住。因此孔隙水压力沿深度的分布图，在黏土层②层的范围内，孔隙水压力从10kPa逐渐增大至60kPa。相应的，黏土层在挡住水压力的同时也受到水压力的作用，有效应力减小。
03
问题三：饱和黏土的不固结不排水强度包线为什么是一条水平线？
总应力莫尔圆为什么会集中为唯一的有效应力莫尔圆？
01
问题描述
如图7所示，饱和黏土的不固结不排水强度包线是一条水平线，这是为什么？
图7 饱和黏土不固结不排水强度包线
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小编思考
不固结不排水试验中，土样始终是饱和的（i.e.饱和度 Sr 始终为100%），且试验过程中不排水（i.e.水和土的质量保持不变，含水量 w 保持不变），因此在整个试验过程中土样的孔隙比 e 保持不变，土体不发生固结。
土抗剪强度的提高是由于在排水固结过程中，土中孔隙减少，土变密。因此不固结不排水试验中，由于土不发生固结，土的孔隙比保持不变，土没有变密，土抗剪强度始终保持不变。也就是说，无论围压如何变化，土抗剪强度不变，反映在强度包线上就是一条水平线。
03
问题描述
如图7中虚线所示，所有的总应力莫尔圆会集中为唯一的有效应力莫尔圆，这是为什么？
04
小编思考
土的固结过程是饱和土体内的超静孔隙水压力逐渐消散，总应力转移到土骨架，有效应力逐渐增加，土体被压缩的过程。不固结不排水试验中，土体不发生固结，附加的荷载完全由超静孔隙水压力承担，也就不会有附加荷载转移到土骨架上。因此土的有效应力就不会发生变化，反映在莫尔圆上就是唯一的一个有效应力莫尔圆。
04
问题四：什么是外倾结构面？
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问题描述
《建筑边坡工程技术规范》的术语解释中将外倾结构面解释为：倾向坡外的结构面。那么到底什么是外倾结构面？
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小编思考
边坡规范4.1.4条表格，注2是这样规定的：外倾结构面系指，倾向与坡向的夹角小于30°的结构面。
倾向的定义为：层面上与走向线垂直并沿斜面向下所引的直线为倾向线，倾向线在水平面投影的方向即倾向。
坡向的定义为：坡面法线在水平面上投影的方向。
其实倾向与坡向的概念基本是相同的：都是在水平面上与走向相垂直的线，方向都是从结构面的较高处或坡顶指向结构面的较低处或坡脚。只不过倾向描述的是边坡的结构面，而坡向描述的是边坡的坡面。
由于倾向和坡向都是与走向垂直的直线，故判断外倾结构面时，可以改用走向线的夹角来进行判断，这样可以使判断过程变得简单一点。因为走向线是天然可以看到的，而倾向线天然看不到，还要转换一下垂直关系再投影到水平面上，有点麻烦。
因此，满足下列条件即可判断为存在外倾结构面：结构面与坡面的走向线夹角小于30°，且结构面与坡面的倾斜方向一致。（加上后半句是因为倾向或坡向是有方向的，由高的地方指向低的地方，而走向线是沿两个方向延伸的，所以需要排除倾向与坡向的夹角为150°~180°的情况，此时走向线的夹角仍然小于30°。）
下面举个例子，图8和图9两个岩质边坡，哪个存在外倾结构面？
图8 岩质边坡1
图9 岩质边坡2
图8中，我们看到的这个临空面就是边坡的坡面，坡面的走向沿图片左右方向。边坡的结构面在图中用蓝线画出，结构面的走向沿垂直纸面里外方向。坡面与结构面的走向线夹角基本为90°，所以不存在外倾结构面。
图9中，边坡的走向沿AB方向，结构面的走向也是沿AB方向，夹角基本为0°，边坡和结构面的倾斜方向一致，都是左高右低，所以存在外倾结构面。
规范规定外倾结构面，是为了判断是否需要考虑结构面对边坡稳定的影响。图8坡面的破坏沿我们能看到的这个临空坡面，而结构面的破坏则沿蓝线的方向，相互垂直，互不相干，因此无需考虑。图9坡面的破坏和结构面的破坏都沿CD方向发生，相互间会产生影响，因此需要考虑。
本文分享上面这些思考，是希望能帮结构工程师们更形象地理解岩土工程中的一些基本概念，将原本摸不着头脑的岩土知识与我们的力学常识联系在一起，给大家带来些许启发。