土力學趣話（其四）——讓人又愛又恨的水
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#趣話#：
Empty your mind. Be formless, shapeless like water. Now you put water into a cup, it becomes the cup. You put water into a bottle, it becomes the bottle. You put water in a teapot, it becomes the teapot. Now water can flow or it can crash. Be water my friend.
——Bruce Lee
“你剛才在看李小龍？”小汐回到宿舍，看到康怡筆記本上抄寫了Bruce Lee的一段話，電腦屏幕上是穿著西裝的李小龍在接受外國人采訪的鏡頭。
“對啊。昆汀有部新電影最近引起了討論不是嗎?！闭陉柵_上晾衣服的康怡說。
“奧，你是說那部有把李小龍刻畫成一個傲慢鬼的《Once Upon a Time in Hollywood（好萊塢往事）》吧？”小汐突然想到了自己昨天還在網上看了大家對這部電影的評論。
“是的，我看了好多關于李小龍的影片，這部電影中的李小龍形象我實在接受不了。且不論李小龍在功夫上面能不能被打敗，我覺得能從中國哲學中參悟武術精髓的人絕對不是一個自大的討厭鬼。李小龍曾經在采訪中勸告大家的話是‘Be water my friend’，而不是‘Be steel my friend’，這還不能說明問題嗎？”康怡講的情緒稍微有點激動。
說話間，小冰和曉楠也回到宿舍了，正好聽見康怡的最后一句話。
“Be water my friend.這句話確實包含中國道家的哲理啊，所謂‘上善若水’。但是在工程里，水的危害也是不可忽視的，工程師對水都有些害怕呢。”曉楠想讓康怡更全面地思考這個問題。
“水利萬物，怎么在工程上就成為災害之源了呢？”康怡很不解。
“我知道”小汐說，“水對邊坡穩(wěn)定性會造成很大的影響……”小汐便把前幾天學到的水對邊坡安全系數的影響再講了一遍。
“對，工程上還有很多由水引起的問題，比如水引起混凝土抗裂性減小，滲流引起土的滲透破壞（seepage failure）?！?/span> 曉楠繼續(xù)補充說。
“滲流——是什么??？”小汐問。
“滲流啊，簡單說就是土體中的水在能量差的作用下在土體內的孔隙中流動的現象。這個能量差叫做水頭差，跟高中物理的電勢差類似。滲透和強度、變形一起作為巖土的三大工程問題，土中水的滲流引起的工程問題總的來說又可以分成兩類：一類是滲流量與滲流速度的問題，另一類是穩(wěn)定問題（包括土體的滲透穩(wěn)定和滲流引起的土體抗滑穩(wěn)定問題）?！毙”鶕屧跁蚤邦^解釋道。
“啊，這個滲流的意思我懂了。講一下你剛才說的seepage failure吧?！笨碘岩路篮昧耍氐阶约旱臅狼?。
“滲透破壞這個詞在不同的教材上有不同的叫法，有的說是滲透失穩(wěn)（instability due to seepage），有的叫滲透變形（seepage deformation），表達的都是一個意思。流土（soil flow）和管涌（piping）是滲透破壞的兩種主要形式。”曉楠把自己的書包從背上卸下，慢慢地解釋道。
“流土？是貝爺節(jié)目里的流沙（quick sand）嗎？那種陷下去越掙扎陷得越深的沙子。”小汐插了一句話。
“嗯，怎么說呢，很多教材上是沒有區(qū)分這兩個概念的，在提到流土的概念的時候會加一句‘或稱流沙’?！睍蚤@得有些糾結，但隨即說道，“如果非要講區(qū)別的話，還得提到清華大學李廣信教授，他覺得實際上流沙的意義更廣，流土發(fā)生在垂直方向上的滲流情況，而流沙可能發(fā)生在任何方向。為了說明這一點，他舉了個上海軌道四號線隧洞施工的例子，由于襯砌不良或破壞，飽和的砂土在壓力水作用下從側壁，洞頂涌出，這種現象也是流沙?！?/span>
“所以啊，流土的定義是，在向上的滲流作用下，在滲流出口處一定范圍內，土顆?；蚱浼象w隨之浮揚而上移動或涌出的現象。判斷發(fā)生流土的條件時水力坡度大于臨界水力坡度（critical hydraulic slope）。在工程上按發(fā)生流土的土性不同，可以把流土分為砂沸（boiling 對于砂土）和突涌（對于黏性土）”小冰作出總結。
“可是，你看這本書上寫的，對于黏土類的細粒土，由于粘聚力大，能阻止被水沖走，而且細粒土間的孔隙小，不連通，水很難滲透，是不是就不發(fā)生流土??？”小汐剛才一邊聽一邊在看小冰桌子上的土力學教材。
“這個問題提的好。細粒土的滲透性較小，所以它發(fā)生流土時一般是被它下面的粗顆粒土層中的承壓水整體或局部頂起——既然穿不過，那就莽一點，把上面的黏土層整個給舉起來?！毙”忉屨f。
“再來講一講管涌吧。管涌是在滲透力作用下，土中細顆粒在粗顆粒的孔隙間被滲流水帶走而流失的現象?！毙”氲揭粋€有意思的比喻，“你們擠過地鐵吧，假如擠地鐵的人中既有像曉楠那樣的高個子，也有像小汐這么瘦小的乘客，在人流的推擠下，小汐由于比較瘦小，能比較容易從人縫中穿過，最后就被擠上地鐵了。管涌有兩個條件，一個是幾何條件，就是說要滿足細顆粒能穿過土中粗顆粒間的孔隙，所以細粒的直徑起碼要小于粗顆粒的孔隙平均直徑。幾何條件還包括土中的粗顆粒與細顆粒的比例要在適當的比例范圍內。黏性土和均勻粒徑的砂土都不屬于管涌土；另一個條件是水力條件，就是說要有足夠的滲透力推動細顆粒在粗顆粒間的孔隙中流動才能造成管涌。從能量觀點來看，就是水力坡度要大于臨界水力梯度?！?/span>
“我爸跟我講過，98年長江發(fā)生特大洪災，那會兒由于管涌造成了很大的損失吶。也就是那年夏天，我出生了?！笨碘貞浀?。
“是啊，滲流破壞的危害是巨大的，其包含的類型除了流土和管涌外還有土的流滑（flow slide）和砂土液化（liquefaction）等。因此我們才有必要了解一些防治滲透變形的方法。根據我們剛才講的滲透破壞的形式和產生條件，你們能想到什么方法嗎？”曉楠開始考驗康怡和小汐有沒有掌握剛才的內容了。
“剛才你講兩個基本滲透破壞形式的時候都講了水力坡度這個詞，雖然不太懂是什么意思，不過我感覺這個數應當小一些才好，應該小于臨界值?！笨碘伎剂艘幌?，答道。
“對，這個對于所有的滲透變形的防治都是有效的。具體方法可以概括為四個字：‘上擋下排’。即在擋水建筑的上游設置水平或垂直防滲體，通過增大滲流路徑的長度來減小水力坡度；在下游設置減壓井等排水措施。小冰，你上課時不是被問到了這個題嗎，你繼續(xù)補充一下?！?/span>
“嗯，防治流土可以采用減壓和壓重兩種方法。減壓就是把透水性小的土層用井挖穿，填入滲透性大的砂石，從而釋放向上的滲透壓力又不至于破壞整個土層；壓重的話，可以這樣理解：對于黏土層，滲流力把它往上頂，壓重便是把它往下壓，只要壓力足夠就能防止突涌。防治管涌的措施則可以用反濾層（inverted filter），反濾層是1-3層的含各種粒徑的砂和礫石（gravel），設置在垂直滲流的方向。下面我也考考你們，沿著滲流的方向，反濾層的粒徑是逐漸增大還是減小呢？”
小汐自信地說：“逐漸增大，因為原來土層的細顆粒土被滲流水帶出，如果先碰到細粒砂的話，這些細顆粒通不過細粒砂間的微小孔隙，被阻擋下來，就能防治滲流破壞了?！?/span>
“答得對。” 小冰打了個響指，“現在工程上普遍采用的是各種土工布（geotextile）和土工網作為反濾層，比用砂石更加方便。”
“所以，康怡，現在你對李小龍說的Be water my friend.有新的思考嗎？”
“上善若水，至害亦若水。水隨器變，如心隨境變，隨遇安之。為人處世之時，但且記得，唯有于變換境遇之中守住一顆本心，方可止于至善?！?/span>
“真那么玄嗎？”
#小記#：
滲流力：水流作用在單位體積土體中土顆粒上的力（水是具有一定粘滯度的液體，當其在土中滲流時，對土顆粒有推動、摩擦和拖曳作用，綜合形成作用于土骨架的力）。
水力坡度：單位流程的水頭損失。
臨界水力坡度：當土顆粒的重力與動水力相等時，土顆粒不受任何力的作用，處于懸浮狀態(tài)，此時的水力坡度為臨界水力坡度。
流土與管涌比較：
#貝爺教你逃離流沙#：
每日一思#：中英文描述達西定律的內容及適用條件
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