土力学趣话（其二）——和雨天摔倒相比，我更愿意被牛顿的苹果砸中
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#趣话#
“长沙的天气真见鬼，雨一直下个不停，打伞完全挡不住啊！”小汐刚回宿舍便开始了抱怨。
“别关别关，我回来了。”
小汐从门口循声望去，只见康怡拖着狼狈的身躯走来，简直成了个落汤鸡，每走一步身后就多一个湿脚印。“你这比我还惨呐，没带伞嘛？”
“别说了，快到宿舍楼的时候摔了，疼死我了，我得赶紧洗个澡把衣服换了。”康怡拿起衣服就去了浴室。
“有水吗？我有点渴。”小汐问道。
“给你个苹果吧。”小冰递出了个苹果。
“哈哈，这是牛顿的苹果吗？”
“NO,NO,NO，这有可能是太沙基的苹果！”小冰笑道。
见小汐一脸疑问的样子，小冰解释说：“这就涉及我编的一个故事了，还记得我们昨天讲太沙基的时候谈到了他提出的‘有效应力原理’吗？”
“嗯嗯，但我记得你当时没有详细讲。”
“我们昨天讲了太沙基和牛顿一样都是一门学科的奠基人，牛顿有个被苹果砸中后提出万有引力的传说，而清华大学李广信教授在其《岩土工程50讲——岩坛漫话》中编制了一个太沙基雨天滑到催生了有效应力原理的故事。其大意是：太沙基像康怡那样在雨天滑到了。他没有想在哪里跌倒，就在哪里躺一会，而是在爬起来的时候想了想为什么在干黏土和饱和砂土的地上不容易滑到，却在饱和黏土上经常滑到。后来他想到饱和黏土上的总应力可以分为由孔隙水承担的孔隙水压和由土骨架承担的有效应力。人走在饱和黏土上时，先是由孔隙水承担此总应力，对孔隙水而言这叫做超静孔隙水压，黏土渗透性不好，孔隙水压不容易消散，水对土颗粒有润滑作用，减小土体的内摩擦力，所以人如果走的较快就容易跌倒。”小冰解释说。
“奥，我明白了！”小汐说，“人们在饱和砂土上走的时候不容易跌倒则是因为砂透水性强，超静孔隙水压迅速消散，有效应力提高，且砂土的摩擦力得到了发挥吧。”
“举一反三，孺子可教也！”小冰点了点头。
正巧，康怡回了宿舍。小汐马上把苹果递过去：“给你一个太沙基的苹果？”搞得康怡一脸茫然：“这是什么鬼？”
小汐和小冰相视一笑，小汐说：“要不我先给他解释，看看我讲的是不是你想的那个故事？”
“好啊”小冰笑道。
“看这个苹果，它可不是个平凡的东西。”小汐单手把苹果拖举到康怡面前，两眼盯着它红色的外衣，“亚当和夏娃偷吃禁果，被上帝逐出伊甸园；后来上帝实在太生气了，把所有的苹果丢到人间，其中一颗便砸中了牛顿的头，让他发现了万有引力；牛顿随即咬了一口，这个苹果被传到了乔布斯手里，就有了苹果公司。”
“上帝丢下的其他苹果去了哪里呢？据说太沙基当时做土工试验做得正烦的时候，他的助手递过来一个苹果，他捏了一下，发现捏不动，正当他要把苹果扔了的时候，他脑袋里灵光一闪，想到土可以用苹果来类比，土由土颗粒和孔隙水组成，就如苹果由果肉和水组成。用手捏苹果的力由果肉和苹果中的水来承担，那么土体中的总应力（total stress）就由土颗粒和孔隙水一起承担，有土粒承担的应力称为有效应力（effective stress），由孔隙水承担的为孔隙水压（pore water pressure），想到这里，太沙基明白了自己发现了不得了的东西，咬了一口助手送来的苹果表示庆祝。这就是土力学最基本的有效应力原理（principle of effective stress）啦！”小汐打了个响指。
“大体上是这个意思。”小冰投来肯定的目光。
“故事讲得不错，但是，”在宿舍一直保持安静的晓楠开始说话了，“漏说了一个大前提。”
“什么前提？”小汐问。
“太沙基有效应力原理是基于饱和土体的。”晓楠补充说，“这个前提不能丢了，饱和土体就是小汐刚才说的由土粒和孔隙水两相组成的土体，用太沙基有效原理没问题。实际工程上接触的大都是非饱和土，也就是土粒间的孔隙没有被水完全填满，还有空气的存在。土是一个多相体。”
“对对对，老师上课讲过的”小冰突然想起了什么，“有人说非饱和土是三相体的，即土粒、孔隙水、孔隙气；也有学者把土中水的分界面当做第四相，称其为收缩膜，英文叫contractile skin，由此便提出了土是四相体的观点。”
“哦，我懂了。The total stress of the saturated soil is composed of the effective stress and pore water pressure. ”小汐感觉自己今天又有了很大的收获。
“为什么没有人关心我摔跤的事呢！”康怡作可怜状，“难道用你们刚才讲的能帮我避免摔跤吗？”
小冰便把刚才讲的李广信教授的那个例子再讲了一遍，之后说道：“在地上撒上砂就能使超静孔隙水压消散，有效应力提高，提供足够的摩擦力了。”
“你确定？太沙基告诉你在有水的大理石地板上撒砂也有效吗，不会更容易跌倒吗？”康怡继续问道，“还有，捏苹果的时候水没法排出，超静孔隙水压没法消散，那么总压力会传到果肉上吗？”
这一问，把其他三人都给难倒了。
经历了一段时间的沉默，晓楠开始讲话了：“太沙基爷爷不是教过我们吗，不懂的时候怎么办？去做试验吧。”不一会儿，只听到宿舍楼下传出了一声声滑到的惨叫。
“太疼了，和雨天摔倒相比，我更愿意被牛顿的苹果砸中！”
#小记#：
太沙基提出的饱和土体的有效应力原理表明：
1. 作用于饱和土体的总应力由作用于土骨架上的有效应力和孔隙水上的孔隙水压力两部分组成；
2. 土的强度与变形主要由有效应力决定。
对太沙基建立的饱和土有效应力原理的理解是老师检查学生对基本概念掌握程度的常考问题，既要会用中文表述也要会用英文阐述其基本内容。
#每日一思#：试列举出三个非饱和土的工程实例（保研面试）
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#下一篇#：我要把所有的边坡烤干
——把所有边坡的水都排走，边坡的安全系数就大幅度提高了。
