粒间应力、土骨架应力和有效应力

有效应力的概念和有效应力原理对于土力学具有奠基性的意义。但对于诸如"有效应力是虚拟的应力还是真实应力","有效应力方程是否需要修正"等问题在土力学界一直存有争议,尚没有形成共识。在明确有效应力就是不包含孔隙流体压强作用的土骨架应力的基础上,由土颗粒间力的平衡分析和土骨架单元体的平衡分析得到有效应力与总应力以及孔隙流体压强关系的表达式。对于饱和土,这一表达式就是Terzaghi的有效应力方程。表明Terzaghi的有效应力是真实的物理量,具有明确的物理意义,Terzaghi的有效应力方程不需要做任何修正。文中阐明了有效应力、粒间应力和土骨架应力的物理意义及其相互关系。说明在分离考虑孔隙流体压强作用的情况下,有效应力、粒间应力和土骨架应力三者可以是一致的,即不包含孔隙水压强作用的粒间应力和土骨架应力就是有效应力。土骨架应力可以分成孔隙流体压强产生的土骨架应力和有效应力两部分,两者都对土体的变形和强度有贡献,但是作用效果不同。在孔隙流体压强作用对土体的变形和强度的贡献可以忽略的条件下,有效应力决定土的变形和强度。     

有效应力决定饱和岩土材料抗剪强度的摩擦学解释

有效应力决定了岩土材料的变形和强度，有效应力概念虽然已在岩土工程中广泛应用，但是，对于决定饱和岩土材料抗剪强度的有效应力，其理论解释至今却并不充分且受到质疑。为此，通过文献分析，确定了宏观抗剪强度与粒间摩擦强度之间的正相关关系，并运用摩擦学中的黏着摩擦理论，推导了排水和不排水条件下，粒间接触面黏着结点的生长公式和抗剪强度公式。通过对比分析这两种条件下的应力状态对抗剪强度的作用影响，得到了与 Terzaghi 一致的有效应力表达式，并在此基础上，探讨了有效应力和有效应力原理的基本概念和定义。     

基于有效应力原理的基底压力的理论研究

基于有效应力原理对基底压力进行分析,推导了偏心荷载作用下基底压力的相关计算式,分析发现与现行土力学理论的计算结果存在不同。通过举例对两种方法的计算结果进行了对比,结果表明,当弯矩增大到一定程度后,两种方法计算得到的基地最大压力和基底压力分布范围均不相同。基于有效应力原理的基底压力计算更能体现有效应力原理在土力学理论中基础和核心地位。     

土的有效应力原理相关问题的分析

土的有效应力原理是土力学特有的原理,对解释和分析一些与水有关的土体变形破坏现象和问题有重要作用。近几年来,笔者在阅读学术刊物的文章和对笔者文章的审阅意见、参加学术会议讨论中发现,一些同行对与土的有效应力原理有关的若干问题的认识存在错误。本文对这些错误认识进行分析,期望对正确认识与土的有效应力原理有关的若干问题有所帮助。     

论有效应力原理在土力学教学中的核心地位

土力学的研究对象为固、液、气三相介质,且三相介质间存在着复杂的耦合关系,这种情况决定了土力学内容体系的庞杂性与学科发展的相对低水平性。有效应力原理在土力学本科生和研究生的教学中具有重要的核心作用,是土力学的灵魂,能把土力学中各零散的知识点有机地串接交织在一起,土力学教材知识体系实际上是对有效应力原理进行完整地解释与理解的知识体系。所以,深化对有效应力原理的理解是进一步提升教学质量的关键。     

饱和土的有效应力

太沙基[美]1925年提出有效应力原理：决定土变形和强度的是总应力σ中的有效应力σ’，而和总应力σ中的水压强μ无关，有效应力的计算公式 σ＇=σ-μ（1） 对于有效应力原理只有定性的论证，国外由太沙基本人开始，国内如文献。甲、乙两筒底部有厚度相等的砂，受到相等的压力，只是甲筒的压力是通过钢球施加，即为有效应力，乙筒是通过水施加的，即只有水压强。如果能观察到甲筒的砂有变形，而乙筒的砂无变形，则可定性的证明有效应力原理。但由于量筒的高度有限，砂受到的压力很小，而且砂的厚度也很小，所以根本观察不到甲筒砂的变形，因此定性论证有效应力原理是失败的。     

瑞典条分法剖析引发的有效应力和渗流力概念问题

瑞典条分法在土力学教学和边坡工程设计中有着广泛的影响。针对其两种有效应力分析表达式,通过剖析土条底面法向有效应力的推求过程及对比分析计算结果发现：在理论上,两种表达式都不适用于一般渗流条件下的边坡稳定分析;实用上,也存在明显离散的计算误差。其原因分别在于：以土体为研究对象时,忽略了土条侧面的水压力;以土骨架为研究对象时,忽略了渗流力的作用。进一步分析微单元体平衡微分方程的结果表明, Taylor 提出的分析渗流对土骨架有效应力影响的两种等效处理方式,即以土体为研究对象,考虑饱和重力与周界上水压力的方式;或以土骨架为研究对象,考虑有效重力与渗流力的方式, 可以在刚体极限平衡分析方法中运用,例如条分法。 但是, 在涉及渗流 - 变形耦合分析的诸如边坡渗流稳定和固结问题的解析和数值方法中,只能以土体为研究对象,而不能以土骨架为研究对象、运用渗流力的概念进行分析。究其原因在于：在 渗流条件下,物理上,有效应力不是应力变量;有效应力和确定渗流力的孔隙水压力分别是决定土骨架的变形和强度以及流场的相互依赖的、非独立的应力状态变量。     

基于理想饱和土体的有效应力原理几点辨思

提出了理想饱和土体的概念，以理想饱和土体水平截面为研究对象，首先从截面整体所受平均总应力的角度出发，推导了有效应力提出的过程，阐明了有效应力是一个虚拟物理量的实质，澄清了认识上的误区；其次从截面上液相接触面和固相接触面各自独立的角度出发，对两部分的实际应力情况进行分析，采用定量与定性相结合的方法，得出实际应力的表达式，比较了有效应力与实际应力之间的差量关系；最后，针对不同的实际土体，简单分析了有效应力原理的适用性程度。     

对“非饱和土的应力传递机理与有效应力原理”讨论的答复

“非饱和土的应力传递机理与有效应力原理”(以下简称“原文”)一文在分析了水气交界面 (收缩膜 )、土粒与粒间水和气受力特点的基础上 ,提出了土体中任一点三个有效应力的表达形式和其中有效应力参数的确定方法。原文引起了蒋先生的兴趣与讨论 ,非常高兴。讨论从原文的理论推导中提取“5个假定” ,并认为这些假定“似不太合理” ,“显得人为因素太多缺乏依据” ,进而提出了一些建议方法与原文作者商讨。对此 ,我们首先表示感谢 ,并提出原文作者的一些思考。应该承认 ,非饱和土的有效应力原理问题 ,尽管它有很大的理论和实用价值 ,但由于问题的复杂性 ,至今还没有得到一个令人满意的结果。在土力学中 ,应力应变问题     

关于有效应力原理的几个问题

分析了关于饱和土体有效应力原理的一些错误的概念和理解,针对在饱和土中的孔隙水压力是否需要折减,黏性土的结合水能否传递水压力,试验中和原位孔隙水压力和地下室浮力的量测以及岩石、混凝土和黏土中有效应力原理的实用性等问题进行了讨论。指出长期的工程实践和大量的试验成果表明有效应力原理对于饱和砂土和黏土都是适用的和有效的。     

土力学理论需要发展与变革

土力学经过90多年的发展,已经成为岩土工程中不可缺少的理论分析工具。但土力学目前仍然处于半理论、半经验的状态,其理论预测结果具有非常大的不确定性。如何克服这些不足,使土力学理论不断向前发展和变革,是土力学研究者不可推卸的责任。首先,基于土的易变性与敏感性论证了土是一种非常复杂的、难以用简单的一、两个变量进行精确定量描述的材料;其次,揭示了土力学目前是一种简化的理论,忽略了很多影响因素,难以描述土的复杂性质,由此产生了非常大的不确定性;第三,指出有效应力原理实质上是一种等效的近似方法,并就有效应力的定义、表述、理解和作用及其局限性进行了研究和探讨;最后,针对土力学目前存在的不足以及发展、变革的需求,提出了建立考虑多因素相互作用和影响的土力学理论的观点,提倡用多个因素(或多场)作用的观点研究和描述土的性质和行为。     

低含水率非饱和土的有效应力及抗剪强度

在暂不考虑其它因素引起的基质吸力组成部分 ,而只考虑毛细水作用对基质吸力的贡献的基础上 ,引进了附加内压力概念 ,将基质吸力分解为毛细吸力和附加内压力两部分 ,进一步将低含水率非饱和土中的总有效应力区分为由基质吸力引起的有效应力及由重力和其它外力产生的有效应力两部分 ,基此推导出基质吸力与抗剪强度之间的关系 ,解释了非饱和土的抗剪强度随含水率降低、基质吸力增大而增大且相互依赖关系呈非线性等重要试验现象     

湿吸力及非饱和土的有效应力原理探讨

提出并阐述了湿吸力的概念,分析了非饱和土的孔隙水压力与由于表面张力而产生的土颗粒之间的湿吸力的定量关系及其根本区别,探讨了湿吸力的变化规律及其主要的影响因素,分析了现有非饱和土有效应力原理存在的问题。基于湿吸力概念,分析并给出了有效应力公式,建议了非饱和土的状态分类及有效应力原理。文中明确解释了Bishop有效应力公式中经验参数χ的物理意义、表达式及其适用范围和影响因素。最后,讨论了非饱和土状态分类原则及其力学分析方法,并指出:非饱和土变形理论的研究,首先应采用细观土力学方法,然后上升到宏观及应用     

非饱和土有效应力公式验证

非饱和土有效应力原理对于非饱和土力学具有奠基性的意义。虽然现有的非饱和土有效应力公式种类很多,但是同时具有一定理论基础和明确物理意义的非饱和土力有效应力公式并不多,而且其适用性有待进一步的验证。为此,笔者首先简要概述了非饱和土有效应力公式的演化历程,并对几种典型的非饱和土有效应力公式的理论依据及物理意义进行了讨论,通过比较发现,邵龙潭采用连续介质力学理论推导得到的饱和与非饱和土统一的有效应力公式与1996年Vanapalli所提出的半经验公式在形式上相似,但是前者却阐明了非饱和土有效应力的物理意义即不包含孔隙流体压强作用的土骨架应力。将该公式与四参数Van Genuchten模型进行结合分别对膨胀土、粉质粘土、粘质砂土以及灰质粘土4种不同种类的非饱和土的抗剪强度进行了预测。结果表明,在试验精度范围内,理论预测值与试验值吻合较好,从而验证了该公式在试验和工程中具有良好的适用性。     

非饱和土的应力传递机理与有效应力原理

回顾了几十年来非饱和土有效应力研究的主要成果。根据非饱和土的应力传递机理 ,提出了土样中任一点三个有效主应力表示形式和有效应力参数确定方法。     

饱和土的土骨架应力方程

因为作用效果不同，土骨架的内力可以分成两组不同的平衡力系，即孔隙水压强引起的骨架内力和外荷载引起的骨架内力。分别以土骨架和孔隙水作为独立的分析对象，通过微元体的平衡分析导出饱和土的平衡微分方程，由此得到饱和土的土骨架应力方程，即有效应力方程。说明有效应力方程的物理本质是相间力的相互作用； Skempton 通过颗粒间作用力分析导出的有效应力的修正公式是不适当的；按照抗剪强度等效或者体积变形等效得到的有效应力表达式也完全可以用骨架应力和孔隙水压强来表达。