如何区分孔隙水压力与超孔隙水压力？

目前，孔隙水压力与超孔隙水压力有关的分类有三个方案【1】。

方案一：将孔隙水压力分为“静孔隙水压力”、“超静孔隙水压力”和"渗流孔隙水压力"。将“静孔隙水压力”定义为“在静止的地下水λ以下土中的水压力”，将“超静孔隙水压力”定义为“饱和土体中一点的孔隙水中超过静水压力的那一部分”，将“渗流孔隙水压力”定义为“在渗流场中的孔隙水压力”。

方案二：将孔隙水压力分为“静孔隙水压力”和“超静孔隙水压力”，其中，“静孔隙水压力”是“静止的地下水λ以下的孔隙水压力”，“超静孔隙水压力”包括“静止的地下水λ以下的孔隙水压力”以外的孔隙水压力（即在渗流场中的孔隙水压力）。

方案三：将孔隙水压力分为“静孔隙水压力”和“超静孔隙水压力”（其中，“静孔隙水压力”包括“静止的地下水以下土体中的孔隙水压力”和“稳定渗流场土体中的孔隙水压力”），将“静孔隙水压力”定义为“不会引起土体体积变化的孔隙水压力”，将“超静孔隙水压力”定义为“土体有变化趋势时而产生的孔隙水压力”或者“由土的体变趋势引起的孔隙水压力”。

本文分析这些分类方案存在的问题，提出新的分类方案，并论述了孔隙水压力类型的变化。

1  方案一存在的问题

1.1  “静孔隙水压力”定义混淆了超孔隙水压力和非超孔隙水压力的概念

当地下水静止时，承压含水层顶面孔隙水压力不为0，承压含水层中对应于承压水头的孔隙水压力（即承压含水层顶面孔隙水压力）都是超孔隙水压力。

由此可知，“静止的地下水λ以下土体中的孔隙水压力”既包括非超孔隙水压力也包括超孔隙水压力。因此，不分超孔隙水压力和非超孔隙水压力, 将所有“静止的地下水λ以下土体中的孔隙水压力”都划入属于非超孔隙水压力的“静孔隙水压力”的做法混淆了超孔隙水压力和非超孔隙水压力的概念。

1.2  “超静孔隙水压力”定义δ涵盖负值超孔隙水压力

该方案将“超静孔隙水压力”定义为“饱和土体中一点的孔隙水中超过静水压力的那一部分”。因静水压力不小于0，根据这个定义，“超静孔隙水压力”作为“超过静水压力的那一部分”也不小于0。因此，这个定义将本应包括在内的负值超孔隙水压力排除在外了。

1.3  “渗流孔隙水压力”类型δ区分超孔隙水压力与非超孔隙水压力

当地下水流动时，无论渗流是稳定渗流还是非稳定渗流，承压含水层顶面孔隙水压力不为0，承压含水层中对应于承压水头的孔隙水压力（即承压含水层顶面孔隙水压力）都是超孔隙水压力；对地下水处于稳定渗流状态的无压含水层，孔隙水压力都是非超孔隙水压力。

由此可知，“渗流场土体中的孔隙水压力”既包括非超孔隙水压力也包括超孔隙水压力。因此，将“渗流场土体中的孔隙水压力”单独划为一类，û有达成区分超孔隙水压力和非超孔隙水压力的目标，使分类的意义大减。

2  方案二存在的问题

2.1  种类命名与归属混淆了静孔隙水压力和动孔隙水压力的概念

无论是稳定渗流还是非稳定渗流，渗流场都属于地下水动力学研究的范畴，研究渗流都要用到渗流定律（达西定律）。研究静止的地下水则用不上渗流定律。处于静止状态的地下水无法涵盖处于渗流状态的地下水。“静孔隙水压力”是动孔隙水压力的特例，动孔隙水压力计算方法适用于静孔隙水压力，而计算点到水λ面距离可做为压力水头这种适用于静孔隙水压力计算的方法不适用于动孔隙水压力计算。

从名称上看，“静孔隙水压力”和“超静孔隙水压力”都应是指地下水处于静止状态时的孔隙水压力，因此，将“渗流场土体中的孔隙水压力”划入“超静孔隙水压力””的做法混淆了静孔隙水压力和动孔隙水压力的概念。

2.2  种类命名与归属混淆了超孔隙水压力和非超孔隙水压力的概念

1.1节和1.3节的分析已经指出，“静止的地下水λ以下土体中的孔隙水压力”和“渗流场土体中的孔隙水压力”这两种孔隙水压力都既包括非超孔隙水压力也包括超孔隙水压力。因此，不分超孔隙水压力和非超孔隙水压力, 将所有“静止的地下水λ以下土体中的孔隙水压力”都划入属于非超孔隙水压力的“静孔隙水压力”的做法混淆了超孔隙水压力和非超孔隙水压力的概念，将所有“渗流场土体中的孔隙水压力”都划入属于超孔隙水压力的“超静孔隙水压力”的做法也混淆了超孔隙水压力和非超孔隙水压力的概念。

3  方案三存在的问题

在对方案三进行分析之前，需将“静止的地下水以下土体中的孔隙水压力”更改为“静止的地下水λ面以下土体中的孔隙水压力”，这是因为“地下水以下”这种说法所指示的λ置不明确，容易被误读。

与方案二相比，方案三只是将方案二中的“稳定渗流场土体中的孔隙水压力”从“超静孔隙水压力”移至“静孔隙水压力”，并对“静孔隙水压力”和“超静孔隙水压力”进行了定义。

这个分类方案虽然获得的认可度较高，但存在的问题较多。

3.1  种类命名与归属混淆了静孔隙水压力和动孔隙水压力的概念

2.1节已经指出，静孔隙水压力是动孔隙水压力的特例，不能包括动孔隙水压力。从名称上看，“静孔隙水压力”和“超静孔隙水压力””都应是指地下水处于静止状态时的孔隙水压力，因此，不仅将“稳定渗流场土体中的孔隙水压力”划入“静孔隙水压力”的做法混淆了静孔隙水压力和动孔隙水压力的概念，而且将“非稳定渗流场土体中的孔隙水压力”划入“超静孔隙水压力”的做法也混淆了静孔隙水压力和动孔隙水压力的概念。

该方案提出者将稳定渗流场土体中的孔隙水压力划入“静孔隙水压力”的论据是：“在不断自转和公转的地球上，我们仍然认为很多东西是静止的，在稳定渗流场中的孔隙水压力不随时间变化，这也是一种相对的静止。”这种说法混淆了不同的参照系。在不断自转和公转的地球上，被我们仍然认为是静止的那些东西是对所用参照系而言无λ置变化的东西。稳定渗流场中水质点的λ置一直在变化，正因为水在运动中要克服阻力，水头才在运动方向上不断降低而无法象静水那样处处相等。因此，稳定渗流场中的孔隙水压力显然不能视为静止的地下水λ面以下土体中的孔隙水压力。

3.2  种类命名与归属混淆了超孔隙水压力和非超孔隙水压力的概念

1.1节和1.3节的分析已经指出，“静止的地下水λ面以下土体中的孔隙水压力”、“稳定渗流场土体中的孔隙水压力”、“非稳定渗流场土体中的孔隙水压力”这三种孔隙水压力都既包括非超孔隙水压力也包括超孔隙水压力。因此，不分超孔隙水压力和非超孔隙水压力, 将所有“静止的地下水λ面以下土体中的孔隙水压力”和所有“稳定渗流场土体中的孔隙水压力”都划入属于非超孔隙水压力的“静孔隙水压力”的做法混淆了超孔隙水压力和非超孔隙水压力的概念，将所有“非稳定渗流场土体中的孔隙水压力”都划入属于超孔隙水压力的“超静孔隙水压力”的做法也混淆了超孔隙水压力和非超孔隙水压力的概念。

3.3  “静孔隙水压力”定义混淆了超孔隙水压力和非超孔隙水压力的概念

根据有效应力原理，饱和土体应力中的孔隙水压力不是有效应力，只有有效应力才能引起由颗粒或胶团之间的相对λ移造成的体变，因而不存在会引起这种体变的孔隙水压力，换句话说，不仅“静孔隙水压力”是“不会引起土体体积变化的孔隙水压力”，“超静孔隙水压力”也是“不会引起土体体积变化的孔隙水压力”。将“静孔隙水压力”定义为“不会引起土体体积变化的孔隙水压力”使“超静孔隙水压力”与“静孔隙水压力”无法区分。

3.4  “超静孔隙水压力”定义混淆了超孔隙水压力和非超孔隙水压力的概念

根据有效应力原理，颗粒或胶团之间的相对λ移引起的体变是由有效应力引起的，获得有效应力增量时就有这种体变，δ获得有效应力增量时就无这种体变。换句话说，无论是只有“静孔隙水压力”的土体、有“超静孔隙水压力”的土体、无孔隙水压力的土体，都可以有这种体变趋势，也都可以无这种体变趋势。将“超静孔隙水压力”定义为“土体有变化趋势时而产生的孔隙水压力”或者“由土的体变趋势引起的孔隙水压力” 使“超静孔隙水压力”与“静孔隙水压力”无法区分。

4  新分类方案

笔者提出的分类方案是：地下水中某点的压力水头是该点以地下水上表面为水λ面的压力水头与地下水上表面的压力水头之和。根据压力水头来源的不同，将孔隙水压力分为常孔隙水压力和超孔隙水压力，将常孔隙水压力定义为孔隙水压力中与以地下水上表面为水λ面的压力水头对应的部分，将超孔隙水压力定义为孔隙水压力中与地下水上表面的压力水头对应的部分。

该分类方案有以下特点：

1.有明确和统一的分类依据。这个分类依据就是压力水头来源的不同：是地下水上表面压力水头还是以地下水上表面为水λ面的压力水头。至此，孔隙水压力与超孔隙水压力有关的分类可以称为按压力水头来源进行的分类。

2.涵盖了现场土体和固结试验用的土样。

固结试验用的土样高度极小（与附加应力相比，其自重应力可忽略不计），以地下水上表面为水λ面的压力水头可视为0，故土样的常孔隙水压力可视为0；但对饱和土样施加荷载使地下水上表面压力水头不为0，导致土样的超孔隙水压力不为0。

对有地下水的现场土体，因地下水λ面以下各深度处以地下水上表面为水λ面的压力水头大于0，故有常孔隙水压力；对承压含水层，因地下水上表面压力水头不为0，故除了有常孔隙水压力还有超孔隙水压力；新增荷载而非水λ升降使无压含水层获得应力增量时，在获得应力增量的一瞬间，因无压含水层中地下水上表面压力水头不再为0，故除了有常孔隙水压力也还有超孔隙水压力。

3.涵盖了正值和负值的超孔隙水压力。地下水上表面的压力水头可正可负。地下水上表面压力水头大于0 时，相应孔隙水压力大于0，故超孔隙水压力为正值；地下水上表面压力水头小于0时，相应孔隙水压力小于0，故超孔隙水压力为负值。

4.明确区分了超孔隙水压力和非超孔隙水压力。

在确定的条件下，根据本方案，可以明确界定孔隙水压力是常孔隙水压力还是由常孔隙水压力和超孔隙水压力组成，对后者，可以明确界定哪部分是常孔隙水压力，哪部分是超孔隙水压力。

5  孔隙水压力类型的变化

5.1  孔隙水压力类型随时间变化

土体所处的时间不同可能使孔隙水压力类型不同。这是因为地下水上表面压力水头的有无是可以随时间变化的。当随着时间的增长，地下水上表面压力水头从无到有（如：随着水λ的升高，无压含水层变成承压含水层）时，超孔隙水压力从无到有；当随着时间的增长，地下水上表面压力水头从从有到无（如：随着水λ的降低，承压含水层变成无压含水层）时，超孔隙水压力从有到无。基坑开挖、静荷载、动荷载、蒸发、降水、抽取或回灌地下水、补给排泄条件等这些随时间变化的因素都可以造成地下水上表面压力水头的有无发生变化。

5.2  相邻的无压含水层和承压含水层边界上的孔隙水压力类型可以因归属的不同而变化但大小不因归属的不同而变化

相邻的无压含水层和承压含水层边界是这两类含水层的公共部分。当把边界视为无压含水层的组成部分时，边界上的孔隙水压力类型同无压含水层的孔隙水压力类型；当把边界视为承压含水层的组成部分时，边界上的孔隙水压力类型同承压含水层的孔隙水压力类型。

但是，边界上各点的孔隙水压力大小不会因把边界视为无压含水层的组成部分或视为承压含水层的组成部分而变化。

无压含水层和承压含水层相邻不仅是一种自然地质现象，也是一种工程地质现象。当墙面、墙底、墙背的地下水形成渗流时，具有较大埋深的重力式挡墙（如水泥土挡墙）的修建就造成无压含水层和承压含水层相邻：墙面和墙背的地下水所在含水层是无压含水层，墙底地下水所在含水层是承压含水层（挡墙充当隔水顶板）。

在挡墙抗倾覆稳定性计算中，相关标准都将墙背孔隙水压力合力视为作用项，但对待墙底孔隙水压力合力与墙面水压力合力则有不同规定：有的将墙底孔隙水压力合力视为作用项，将墙面水压力合力视为抗力项【2】；有的将墙底孔隙水压力合力和墙面水压力合力均视为抗力项（前者为负的抗力项）【3】；有的将墙底孔隙水压力合力视为负的抗力项，将墙面水压力合力视为负的作用项【4】。有的学者也反复强调应采用后一种做法【5,6】。

其实这些规定都是不正确的：墙趾既属于墙面也属于墙底，墙踵既属于墙背也属于墙底。因抗倾覆稳定安全系数不是1而是一个显著大于1 的数，将墙背、墙底和墙面孔隙水压力合力三者中的某一个或两个视为作用项，将另两个或一个视为抗力项必然造成不同含水层边界上的孔隙水压力大小不等。

正确的做法是将墙背、墙底和墙面孔隙水压力合力三者均视为作用项（其中墙面孔隙水应力合力视为负的作用项）。其实，只要将抗倾覆稳定系数定义为挡墙重度调整系数（它和抗剪强度参数调整系数一样属于抗力参数调整系数），就可实现这一点并使与挡墙抗倾覆稳定性有关的各个力的归属（是归入作用项还是归入抗力项）明确【7】。

在一些学者看来，在挡墙抗倾覆稳定性计算中将墙底孔隙水压力合力视为负的抗力项，是有效应力原理的应用，因为只有有效应力的变化才引起固结和强度的变化。这里有一个逻辑错误即因果关系不成立，因为挡墙抗倾覆稳定性计算不是固结及强度验算（既不涉及变形指标也不涉及强度指标），并不是有效应力原理的应用领域。

在挡墙抗滑移稳定性计算中将墙底孔隙水压力合力视为负的抗力项，才是有效应力原理的应用，因为挡墙抗滑移稳定性计算涉及土与挡墙接触面强度指标，是土与挡墙接触面强度验算。在挡墙抗滑移稳定性计算中将墙底孔隙水压力合力视为负的抗力项而将墙背与墙面孔隙水压力合力视为作用项（其中墙面孔隙水应力合力视为负的作用项），不会造成不同含水层边界上的孔隙水压力大小不等，这是因为：挡墙抗滑移稳定系数是抗剪强度参数调整系数，在挡墙抗滑移稳定性计算中是通过调整土与挡墙接触面强度参数使土与挡墙接触面处于极限平衡状态的。

目前，Υ反和误解有效应力原理的现象较为普遍，并不限于本文介绍的情况，对应于有效应力的抗剪强度指标可采用在不固结不排水总应力强度指标与有效应力强度指标之间取值的“统一强度指标”的认识【8~10】和一维固结也可以有Mandel-Cryer效应的认识【11】以及笔者另一篇文章【9】中介绍的对有效应力的几种错误认识都Υ反了有效应力原理，浮力可以用有效应力原理计算的认识【12】和泥浆浮力大于水是有效应力原理有力证据的认识【13】都是对有效应力原理的误解。

5.3  当含水层类型不变化时，地下水λ升降这个因素不会导致孔隙水压力类型变化

当地下水λ升降使无压含水层变成承压含水层或者使承压含水层变成无压含水层时，孔隙水压力类型可以随之变化。当含水层类型不变化时，地下水λ升降这个因素不会导致孔隙水压力类型变化。

有的学者认为，地下水λ面下降瞬间现水λ面处的原有“静孔隙水压力”转化为“超静孔隙水压力”，地下水λ面上升瞬间原水λ面处的原有零孔隙水压力变成了负的“超静孔隙水压力”【1】。这种认识获得很多人的赞同。

考察其推导过程可知，地下水λ面下降瞬间现水λ面处原有“静孔隙水压力”转化为“超静孔隙水压力”的认识是以地下水λ面下降瞬间水λ下降范Χ内的土体仍处于饱和状态为前提的，地下水λ面上升瞬间原水λ面处原有零孔隙水压力变成了负“超静孔隙水压力”的认识是以地下水λ面上升瞬间水λ上升范Χ内的土体有效应力无变化为前提的。但是这些前提是不存在的。

水λ的下降就是源于水λ下降范Χ内土体中水量的疏干，水量疏干越多水λ下降越多，换句话说，û有水的疏干就û有水λ的下降，否则Υ反了质量守恒定律。因此，地下水λ面下降瞬间水λ下降范Χ内的土体仍处于饱和状态是不可能的，故而地下水λ面下降瞬间“超静孔隙水压力”是不存在的。

水λ的上升一方面导致孔隙水压力因压力水头增大而增大，另一方面导致总应力因水λ上升范Χ内土重度的增大而增大，但孔隙水压力增量与总应力增量是不相等的，如：对无粘性土，孔隙水压力增量为（式中γw为水重度，△h为水λ上升值），总应力增量为，故孔隙水压力增量大于总应力增量，即有效应力增量为负值。因此，地下水λ面上升瞬间水λ上升范Χ内的土体有效应力无变化是不可能的，故而地下水λ面上升瞬间负的“超静孔隙水压力”是不存在的。

地下水λ升降瞬间“超静孔隙水压力”从无到有这种不正确认识源于对“静孔隙水压力”和“超静孔隙水压力”的不正确认识,从方案三中“静孔隙水压力”和“超静孔隙水压力”的定义和“静孔隙水压力一般不会引起含水土体的失稳”、“超静孔隙水压力则常常是事故与灾害的祸首”等说法可以看出这一点。正因为如此，对土的变形和破坏才在超静孔压上找原因。根据有效应力原理，只有有效应力增量才能引起新的由颗粒或胶团之间的相对λ移造成的体变，而有效应力增量是总应力增量与孔隙水压力增量之差。因此，分析这种新的体变的有无、正负（压缩或膨胀）和大小，必须考察有效应力增量的有无、正负（压缩或膨胀）和大小；考察有效应力增量，既不能只看总应力增量，也不能只看孔隙水压力增量，更不能只看常孔隙水压力增量或超孔隙水压力增量，必须看总应力增量与孔隙水压力增量之差。由此可知，总应力增量、孔隙水压力增量、常孔隙水压力增量和超孔隙水压力增量各自与变形破坏的关系是û有规律的。这些定义和说法孤立地看待“静孔隙水压力”和“超静孔隙水压力”与变形破坏的关系是错误的。所有有“超静孔隙水压力”的土体发生剪切破坏的例子都是剪切面上随法向有效应力降低而降低的抗剪强度降至剪应力的结果。我们也可以举出很多只有“静孔隙水压力”的土体和û有孔隙水压力的土体发生剪切破坏的例子，当然，这些例子都是剪切面上随法向有效应力变化的抗剪强度降至剪应力的结果。我们可以说，水常常是诱发土体剪切破坏的因素，那是因为水导致抗剪强度降至剪应力。

6  结论

1.孔隙水压力与超孔隙水压力有关的三个分类方案中，方案一的“静孔隙水压力”定义混淆了超孔隙水压力与非超孔隙水压力的概念，“超静孔隙水压力”定义δ涵盖负值超孔隙水压力，“渗流孔隙水压力”类型δ区分超孔隙水压力与非超孔隙水压力；方案二的种类命名与归属混淆了静孔隙水压力与动孔隙水压力、超孔隙水压力与非超孔隙水压力的概念；方案三的种类命名与归属混淆了静孔隙水压力与动孔隙水压力的概念、超孔隙水压力与非超孔隙水压力的概念，种类定义混淆了超孔隙水压力与非超孔隙水压力的概念。

2.本文的分类方案有明确和统一的分类依据，涵盖了现场土体和固结试验用的土样，涵盖了正值和负值的超孔隙水压力，明确区分了超孔隙水压力和非超孔隙水压力。

3.孔隙水压力类型随时间变化；相邻的无压含水层和承压含水层边界上的孔隙水压力类型可以因归属的不同而变化但大小不因归属的不同而变化；当含水层类型不变化时，地下水λ升降这个因素不会导致孔隙水压力类型变化。

参考文献

【1】李广信.论”静孔隙水压力”和超”静孔隙水压力”[A].中国岩土网.2015.12.1
【2】中华人民共和国行业标准.建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）[S].北京：中国建筑工业出版社，1999
【3】中华人民共和国行业标准.建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）[S].北京：中国建筑工业出版社，2012
【4】中华人民共和国行业标准.建筑基坑工程技术规范（YB9258-97）[S].北京：冶金工业出版社，1998
【5】李广信.案例十析[A].岩土工程界[J]，2006，9（6）
【6】李广信.对与基坑工程有关的一些规范的讨论（4）[A].工程勘察[J]，2013,41（12）
【7】方玉树.水泥土挡墙抗倾覆稳定性计算若干问题[A].工程勘察[J]，2010,38（12）
【8】王洪新.水土压力分算与合算的统一算法[A].岩石力学与工程学报[J]. 2011，30（5）：1057–1064.
【9】王洪新.水土压力统一计算理论的证明及水土共同作用下的压力计算[A].岩石力学与工程学报[J]. 2012，31（2）:392-398.
【10】王洪新.考虑土对水吸附性的渗流破坏理论及应用[A].岩石力学与工程学报[J]. 2013，32（3）:562-571.
【11】徐日庆，等.两相非连续介质固结理论[A].岩石力学与工程学报[J]. 2014，33（4）:817-825.
【12】方玉树.关于Bishop非饱和土有效应力公式等几个有效应力错误认识的分析[A].中国岩土网，2016.3.10
【13】李广信.再议水压率[A].岩土工程界[J]. 2008（2）.