基于有效应力原理和结合水势能平衡的粘性土孔隙水压力研究

结合水具有液体和固体的综合属性，其承担的应力中不仅有中性水压力，还包含对变形和强度有效的应力；同时，定向的水分子呈现出对粘粒电场而言有效的偶极矩，电场做功使结合水具有了电势能，因此，结合水的总势能应由重力势、压力势和电势能三项组成。本项目拟在分析粘性土微观结构、粘粒与水相互作用的基础上，通过实验、数值模拟和反演相结合的方法，研究水的有效偶极矩与电场强度的函数关系；将结合水分成固体相和液体相两部分，依据有效应力原理和势能平衡，求解孔隙水压力，探索孔隙水压力小于按水位计算值的原因；分析各种影响因素，建立粘性土孔隙水压力实用表达式。本项目能从本质上揭示粘性土孔隙水压力的特征，有利于有效应力原理、抗剪强度等基本理论的发展，有利于对粘性土渗透性、流变性等工程特性的认识，有利于粘性土自重应力、土压力等计算问题的解决和地面沉降、废物处置等相关课题的研究，因而，本项研究具有重要的理论价值和良好的应用前景。

由于结合水的存在，粘性土中孔隙水压力的大小、与粘土孔隙水有关的一些工程地质问题及其分析方法都有别于其它岩土材料；粘性土的渗透规律、膨胀性、粘性填土挡墙土压力计算等诸多问题都仍是具争议的热门话题。而进行粘性土的研究，必须基于粘土和水的相互作用，弄清楚粘性土中的孔隙水压力。.本项目依据电介质物理学中的理论，将粘粒视为表面带有均布电荷的场源电极，将孔隙水视为电场中的电介质，研究了电场中粘粒与孔隙水的相互作用以及势能守恒与分配关系。.在此基础上，揭示了粘性土中孔隙水压力小于地下水位的原因以及粘性土中孔隙水压力的传递及应力分配关系。在研究的过程中，进行了室内试验、野外测试、理论分析、数值模拟等研究工作，取得了以下一些主要的研究成果：.1、对于在自由电荷分布不规则的电场中，可以假设电场中电介质的感应电场大小仅与场源（净、自由）电荷的分布有关，而与电介质的分布无关，由场源电荷按真空中形成的电场E0直接计算电介质中的有效电场。.2、极化程度可以用有效偶极矩表示。借鉴电介质物理学中的极化强度的相关理论，建立了结合水中的有效偶极矩与有效电场的表达式。.3、结合水受粘粒电场作用后，定向排列，水分子间互相吸引，导致其中的压力势能增加。结合水中由电场作用产生的衍生的压力势使结合水中的压力势能增加；衍生压力势可由系统的总能量减去粘粒与水相互作用每一部分电势能之和获得。.4、结合水中存在的衍生压力势导致其表观水位增高；而用测压管测试粘土孔隙水压力时，测压管中的水已经远离粘粒，根本测不到孔隙水中的衍生压力势，即实测的静止水压力小于粘性土中的实际水压力。.5、饱和粘性土孔隙水中的总势能包括重力势、压力势和电势能三种。静水条件下，水中任一点的总势能是相等的。在分析孔隙水的势能时，考虑的应该是总势能：孔隙水总是从总势能高的地方向总势能低的地方渗流；结合水同样可以传递孔隙水压力。.6、静电能是一种互能。正是由于粘粒与水间电场的相互作用，结合水的电势能降低，粘粒间电势能有所增加；通过这种能量的转移，部分水压力转移给粘粒，即：粘粒分担了部分水压力，使孔隙水压力降低，而由粘粒传递的有效应力增加。按照这样处理后，粘性土中的应力也符合有效应力原理。