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土力学课程中几个基本概念名称的分析与讨论 潘景副+裴毅+王辉+刘青+钟京涛摘要：土力学是大土木工程专业的一门重要的专业基础课程，把握好其基本原理的教学内容和方法是土力学课程教学改革中最重要的部分。本文对学生在学习过程中易产生混淆的几个基本概念进行了分析和讨论，使学生能更准确地理解这些概念，对今后工程实践中运用相关知识来解决岩土工程问题有所帮助。关键词：土力学；教学实践；基本概念：G642.41 文献标志码：A ：1674-9324（2017）23-0203-03土力学是土建类、水利类专业的一门重要专业基础课程，是一门实践性很强的课程，它以种类繁多、性质复杂的土体为研究对象，又以多门力学课程为基础，这就决定了其基本概念多、公式多、理论深的特点，老师讲解费时费力，学生对与工程实践相关的概念理解困难，是学生感到比较难学的一门课程。如果其中的基本概念名称不能准确地反映其所表述的内容和意义就会另外增加本课程的学习难度1，作为基层的教学工作者深有体会。因此，如何把握好土力学基本原理的教学内容和方法是土力学改革最重要的部分，为此本文介绍近年来土力学教学过程中对几个基本概念的认识。一、含水量或含水率这个指标是物理指标中最基本的一个概念，其名称在现所用教材上都有出现，较老版本的教材使用含水量较多，只是较新版本的教材使用含水率较多，按教材所给的说法，是根据国家相关的标准将含水量改为含水率是为了表述更准确。本人认为此改法的结果表示不确切，目前应用的“含水率”名称值得商榷，阐述如下：童小東（2003）认为“含水量”用中国传统的词语习惯，“量”应为一量词，是有量纲（或单位）的，如“质量”（单位为g或kg）、“重量”（单位为N或kN）等。而从土力学教材中“含水量”的定义看，它是“土中水的质量”与“土粒质量”这两个质量之比，是无量纲的。所以从名称的科学化、规范化的角度，笔者认为“含水量”的名称需更改。有的规范将含水量改称为“含水率”，从无量纲上与定义是符合了，但笔者认为似乎还不确切，因为“率”一般反映某相关部分占整体的比例（与时间有关的名词排除在外，如速率），如“升学率”、“效率”、“孔隙率”等，而“含水量”的定义却是整体中部分与部分的比值，所以称为“含水率”似也不妥。笔者建议将“含水量”改称为“含水比”或“水比”（water ratio）似更好一些，亦可与“孔隙比”（void ratio）相比照3。在此补充一点，“含水比”一词另有所用了，在岩土中“含水比”是指土的天然含水量与液限的比值，用以表示粘性土稠度的指标之一。其实笔者个人理解：前人在岩土工程中使用“含水量”抑或是“含水率”绝不是要表示土体中水的绝对含量（质量：单位为g或kg、重量：单位为N或kN），而是要表达土中水的相对含量（%），而因为现在的一些人容易误解为土体中的绝对含水量，所以建议将含水量改称为“含水率”。总体而言，“含水量”一词表示土中相对含水的多少，即“土中水的质量”与“土粒质量”这两个质量之比。所以笔者觉得还是用“相对含水量”准确些，只不过前人是为了简化，省掉了“相对”两个字。二、比重、相对密度、相对密实度这三个概念中，“相对密实度”是用来表示无粘性土的密实程度的一个指标，定义是无粘性土的最大孔隙比与天然孔隙比之差和最大孔隙比与最小孔隙比之差的比值；而另外十个概念要表达的意思基本是相同的，在现所用教材中使用“相对密度”的较多，只有少数较老版本的教材中会用“比重”4-9。相关的国家标准10给出的理由是：“比重”一词的意义很多，且与“权重”一词在某些场合下所表达的意义雷同，容易混淆。“比重”或“相对密度”概念的定义为：土中固体颗粒的质量与同体积4时纯水质量之比，表达式为：d=其中：ds：为“比重”或“相对密度”；ms：土中固体颗粒的质量；vs：与土中固体颗粒同体积4时纯水质量；：土中固体颗粒的密度；：4时纯水的密度。根据上述表达式可以看出：前半部分的表式形式叫“相对密度”比较准确，表示为土中固体颗粒的密度和4时纯水的密度的比值；后半部分的表式形式叫“比重”又相对准确，表示为土中固体颗粒的质量（或重量）和4时纯水的质量（或重量）的比值。在现所用教材上使用“相对密度”的较多，只有少数较老教材中使用“比重”。而笔者本人认为两个名称都比较准确，可以同时使用，不赞成新规范或教材中舍去“比重”的说法，因为即使这样，仍然彻底摆脱不了“比重”的这种说法，因为在其实验测定方法中有“比重瓶法”之说。另外多年没有更新的国家相关标准2中定义土粒比重为土颗粒的重量与蒸馏水的重量的比值，中定义相对密度反映无粘性土紧密程度的指标，导致有些教材中将“相对密度”和“相对密实度”得以混淆。虽然无粘性土紧密程度和其密度有关，其大小可以理解为“相对密度”，但这样就混淆了二者的真实意义。另外，因为很多教材中都有用“孔隙比”这个单项指标反映无粘性土紧密程度，考虑到这种方法不太准确，用多个不同条件下的“孔隙比”相互组合而成的“相对密实度”更能够准确地反映无粘性土紧密程度，所以反映无粘性土紧密程度的指标称为“相对密实度”更容易令人信服。三、有效粒径d10、限定粒径d60和中值粒径d30土力学教材4-9中为了描述颗粒级配累计曲线而定义的“不均匀系数”和“曲率系数”中使用了这三个粒径，几乎所有的教材中都没有解释其名称的由来，只给出其表示的是土中小于某粒径占整个土体的质量比值。仅有文献9，11给出“有效粒径d10”是与土的透水性相关，并能够有效地反映砂土透水性，即这里的“等效”可能指的是渗流等效。笔者认为应该给这三个粒径更详细的解译，例如“中值粒径d30”大致是d10和d60的中间值，但很多人还是习惯于十进制，容易将其于“平均粒径d50”混淆；另外没有给出“限定粒径d60”的名称的由来确切含义，笔者在教学过程中也只能根据“有效粒径d10”的由来臆断“限定粒径d60”，既然土体中细小的颗粒和土的渗透性相关，能决定其渗透性，那么占“限定粒径d60”可能与土的强度或承载力有关，希望能借此得到专家的解释。 四、挡土结构上的土压力的概念挡墙土压力的计算是土力学中非常重要的内容，是利用土力学基本原理解决实际工程问题的一个典范。一般的教材4-9都是这么定义的：静止土压力是指挡土墙和墙后土体二者保持相对状态静止时，作用在墙上的土压力；主动土压力是指当挡土墙向离开土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在墙上的土压力；被动土压力是指当挡土墙向土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在挡土墙上的土压力。笔者认为这样的定义不能表达出土压力中土的主体地位及其主动和被动的含义，也不能表达出二者的大小关系，应该改为：主动土压力是指在某条件下，当土体主动的向挡土墙方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在墙上的土压力；被动土压力是指在某条件下，当土体在外来荷载的作用下被动的向偏离挡土墙的方向至土体达到极限平衡状态时，作用在挡土墙上的土压力。请先辈点评及指正。五、土体自重应力的计算、有效应力原理及其相关问题自重应力和有效应力是分别按照土体中应力产生的原因和性质进行划分的，前者是指地基中土体自形成以来一直存在且源于土体自身重量的应力；后者为外来因素影响（其中建筑物的荷载为主要因素）而在土体中产生的在原有应力基础上的应力的增量，这一部分会导致土体产生压缩变形或发生剪切破坏。但Terzaghi老先生提出的有效应力原理把有效应力被定义为固体颗粒（即土颗粒）间的接触应力在土体截面积上的平均应力，其值是总应力減去孔隙水压力u所得差值，它控制了土的变形及强度性能。事实上，有效应力原理虽然在物理意义上是明确的，但它仅仅是个“概念性”的模型，这表现在有效应力根本无法测定，而是量测总应力和孔隙水压力后的差值4-9。做为土力学中一里程碑的有效应力原理，自从它被提出的那一刻起就倍受人们的关注，J.K.Mitchell将其喻为土力学的“拱心石（keystone）”12，其重要性由此可见一斑。对有效应力原理及孔隙水压力等概念的认识和应用应贯穿于土的力学性质包括理论、计算和应用的始终，关系到对许多难点问题的理解，同时也在学术界引起了大讨论，很多学者参与了讨论13-22，其中以李广信教授和陈津民教授最为积极，当然也是贡献最大，基本已达成共识：有效应力原理是土力学的基本支柱，大量的理论研究和多年的实际工程证明其对于砂土和粘土都是正确和适用的，在一些特殊的土类和情况下，尚有一些问题有待研究。笔者在这里仅就教学过程中的一些小问题发表个人的建议。1.有效应力原理在土力学中很重要，但一般土力学教材体系中仅简单提一下有效应力原理，学生在接受和理解原理时，显得牵强，易出现概念混淆的现象。2.存在阐述顺序不一导致，大部分的教材都是将有效应力原理与自重应力部分截然分开，甚至间隔很远，笔者认为教材编排时应该考虑将这两部分衔接在一起，这样学生就更容易理解和掌握自重应力中地下水位以下选取有效容重及其有效应力的意义。3.只有较少的土力学教材对“孔隙水压力”进行了定义，几乎都没对“超静孔隙水压力”进行解译，水利专业或是学习过水力学或液体力学的学生在这方面可能容易理解，对其他专业的学生而言比较难以理解和接受，笔者认为在本科阶段的饱和土力学的稳定渗流教学过程中，应该对以上两个概念进行较详细的解译。六、结语土力学基本原理的教学内容和方法是土力学课程改革最重要的部分，本文对在教学过程中学生易产生概念混淆的几个基本概念进行了分析，旨在使学生能巩固和加深对这些概念的理解和运用，对今后的工程实践有所帮助。参考文献：1朱建群，等.土力学教学中几个基本概念的分析J.高等建筑教育，2008，17（3）：78-82.2GB/T50279-98，岩土工程基本术语标准S.北京：中国计划出版社，1999.3童小东.关于土力学中两个指标名称的思考J.地基处理，2003，14（2）：61.4赵明华.土力学与基础工程M.武汉：武汉理工大学出版社，2009.5陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学M.北京：清华大学出版社，1994.6张伯平，党进谦.土力学与地基基础M.北京：中国水利水电出版社，2006.7徐云博.土力学与地基基础M.北京：中国水利水电出版社，2009.8陈希哲.土力学与地基基础（第四版）M.北京：清华大学出版社，2011.9高大钊.土力学与地基基础M.北京：中国建筑工业出版社，1998.10GB3102.3-1993力学的量和单位S.北京：中国标准出版社，1994.11（日）松冈元著；罗汀，姚仰平.编译.土力学M.北京：中国水利水电出版社，2001.12J.K.Mitchel.l Fundamentals of Soil BehaviorM.John Wiley & Sons，Inc.，New York，1993.13陈津民.土中的应力_错误的自重应力计算公式J.岩土工程界，2003，6（9）：22-23.14介玉新，等.有效应力原理几个问题探讨J.煤炭学报，2005，30（2）：202-205.15李广信.有效应力原理能够推翻吗J.岩土工程界，2007，10（7）：22-26.16李广信.关于土力学教材讨论的一些体会有关土体的自重应力J.岩土工程界，2008，11（9）：21-22.17方玉树.土的自重应力和有效自重应力J.岩土工程界，2009，12（1）：21-26. 18王小群.關于土力学中几个值得商榷的问题J.岩土工程界，2009，12（2）：17-19.19李广信，李学梅.土力学中的渗透力与超静孔隙水压力J.岩土工程界，2009，12（4）：11-12.20李广信.关于有效应力原理的几个问题J.岩土工程学报，2011，33（2）：315-320.21李广信.对“关于有效应力原理的几个问题”讨论的答复J.岩土工程学报，2012，（03）：574-576.22李广信.静孔隙水压力与超静孔隙水压力_兼与陈愈炯先生讨论J.岩土工程学报，2012，34（5）：957-960.Analysis and Discussion about the Names of Some Basic Concepts of Soil Mechanics CoursePAN Jing-fu1，2，PEI Yi1，2，WANG Hui1，2，LIU Qing2，ZHONG Jing-tao2（1.College of Engineering，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2.Orient Science &Technology College of Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）Abstract：Soil mechanics is an important professional basic course in the big civil engineering specialty.To grasp the basic principle，the teaching contents and methods are the most important part of the curriculum reforms.In this paper，some basic confusing concepts are analyzed and discussed，so that can understand these concepts more accurately during the learning process.All these can help the students to enhance their ability of solving the problems of geotechnical engineering in the future.Key words：soil mechanics；teaching practice；basic concept -全文完-