4.论有效应力原理
关于有效应力原理的几个问题
第33卷 第2期 岩 土 工 程 学 报 Vol.33 No.2 2011年2月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Feb. 2011 关于有效应力原理的几个问题 李广信 （清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084） 摘要：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。 关键词：有效应力原理；孔隙水压力；结合水；孔压的量测 中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2011)02–0315–06 作者介绍：李广信(1941–)，男，黑龙江宾县人，博士，教授，从事土的本构关系等方面的研究。E-mail: ligx@https://www.wendangku.net/doc/2a16641692.html,。 Some problems about principle of effective stress LI Guang-xin (State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: Some mistakes and wrong concepts about the principle of effective stress in saturated soil are pointed out and analyzed. Some problems in the field are discussed, for example, the reduction of pore water pressure in clay, the diffusion of bound water in clay, the accuracy of the principle of effective stress in rock, concrete and clay, the measurement of pore water pressure in clay and uplift pressure on basement. Through the long processs of practice and experiments, a conclusion is drawn that the principle of effective stress is applicable and effective in both saturated sand and clay. Key words: principle of effective stress; pore water pressure; bound water; measurement of pore water pressure 0 引 言 J.K.Mitchell认为太沙基关于饱和土体的有效应力原理是土力学的“拱心石”[1]，亦即是石拱结构中封顶的那一块石头，可见其重要性。经典土力学中的太沙基一维渗流固结理论，比奥固结理论，土的排水与不排水强度及其指标，Skempton的孔隙水压力系数，水下土体的自重应力与附加应力的计算，渗透变形，土中水的压力（扬压力与侧压力），地基的预压渗流固结，有水情况下的极限平衡法边坡的稳定分析等课题，都是建立在有效应力原理基础上的。太沙基的有效应力原理也是土力学能够成为一门独立的力学学科的标志性理论。 可是近年来，笔者所见到很多与有效应力原理相悖的中国文献（发表或未发表），它们都涉及到黏性土中的浮力、自重应力计算和水土合算与分算等问题。其作法或者是将孔压u打折，或者是将压力的计算面积折减，或者不承认某些黏性土内存在孔隙水压力。实际上有意或无意在推翻或者改写有效应力原理。近年来出现的关于基坑支挡结构物上的水土合算[2]，地基基础浮力计算的折减[3]与用饱和重度计算有效自重应力[4]等都在工程设计中广泛应用，但其也是有悖于有效应力原理的。 1 关于有效应力原理的推导 一位作者在其文章开头就声称： “土力学中太沙基的有效应力原理几十年来有一个根本错误没有被发现。”他认为应由式（1）改为式（2） u σσ′ =+，(1) (1)n nu σσ′ =?+，(2) 式中，n是土的孔隙率。 还有一位认为孔隙水压力只与土孔隙内的自由水有关，式（1）中的孔压u应表示为 w u h ξγ =，(3) 式中，ξ是饱和土截面上自由水所占的面积与孔隙总面积之比[5]，被称为水压率，h为该点的总水头。 ─────── 基金项目：国家973计划项目（2010CB732103） 收稿日期：2010–08–23
孔隙压力、有效应力和排水
第六章 孔隙压力、有效应力和排水 引言 通常所说的土是由固体颗粒和水两部分组成的，基础或挡墙上的荷载包含土颗粒和孔隙水上面的应力两部分。在没有土颗粒的船体外表面，法向应力就等于水压力；而在没有水的装有糖的盆底，应力就等于所装的糖的重量。问题就是土颗粒应力和孔隙水压力的哪种组合决定着土的性质。要研究这个问题，我们首先研究地基中的应力和水压力。 地基中的应力 在地基中，某一深度的竖向应力是由上面的一切东西的重量产生的——土颗粒、水和基础，所以应力随着深度的增加而增大。图(a)中的竖向应力为： z z γσ= 其中γ为土的容重（见节）。如果地基在水平面以下或者在湖底、海底的话（如图(b)所示），竖向应力计算公式就变为： w w z z z γγσ+= 如果在基础或路堤表面有荷载q 作用的话（如图(c)所示），那么竖向应力计算公式就变为： q z z +=γσ 这里面的γ是单位体积的土颗粒和水重量之和。因为z σ是由土体的总重量产生的，所以成为总应力。注意，图(b)中所示的湖中的水把总应力作用在底部同玻璃杯中的水把总应
力作用在杯底的方式相同。土颗粒的重度变化不大，一般来讲，饱和土的3 /20m kN ≈γ，干土的3/16m kN ≈γ，水的3/10m kN ≈γ。 同时也有水平向的总应力h σ，但是在z σ和h σ之间没有简单的关系。在以后的章节我们会对水平向的应力进行研究。 地下水和孔隙水压力 饱和土的孔隙水中存在的压力叫做孔隙水压力u 。在竖管中经常用w h 来简单地代替，如图所示。当系统处于平衡状态时，竖管内部和外部的水压力相等，因此得到： w w h u γ= 当竖管中的水位低于地表面时（如图(a)所示），就称为地下水位。如果土中水是静止的，那么地下水位面就像湖面一样是水平的。然而，就像我们后面将要见到的那样，如果地下水位面不是水平的，那么土孔隙中就存在水的渗流。图(a)中地下水位面处孔隙水压力为零（这就是叫做地下水位），水位以下为正值，问题就出来了：地下水位面以上孔隙水压力是什么样的呢 图说明了地表面和地下水位面之间的土中孔隙水压力的变化情况。在地表面处有一层孔压为零的干土，这种情况很少见到，但是在高潮水面以上的海滩可以发现这种现象。在地下水面以上的一小部分，由于土中孔隙的毛细作用，土体是饱和的。在这一区域，孔隙水压力是负值，计算公式如下： w w h u γ-=
有效应力原理
有效应力原理是否存在？ 李伟利 广东南海国际建筑设计有限公司，广东佛山528000 摘要：本文通过学习，对有效应力原理提出质疑，并从本构模型、孔隙水压、 渗透固结、进行分析，认为：有效应力原理从理论到实践，都存在着巨大缺陷， 是经不起实践和检验的，有效应力原理是不存在的。 关键词：有效应力原理；本构模型；孔隙水压力；渗透固结 有效应力原理，作为土力学的核心自诞生的那天起，一直被世界各国地质学家们所推宠。仅管其间，也曾有一些学者对有效应力原理怀疑、并提出批评，却丝毫没有影响其原理的应用、推广。如“1935年秋,太沙基回到奥地利,而等待他的,却是对他的土力学基本原理持怀疑态度的同僚们的猛烈批评文章。太沙基与付略里希。联名发表了三十三页的答复文章, 充分地论证了土力学原理是正确无误的”[1-26]。近年来国内的一些学者，对有效应力原理也提出了一些看法，却被认为是“有意或者无意推翻或者改写有效就力原理”[2]。那么；有效应力原理究竟有没有问题？能否作为土力学的基石？能否引导土力学朝着正确的方向发展？是我们岩土人必须面对的问题。确切地说，有效应力原理，作为土力学的基础理论、引导着土力学也快接近百年了。它既不象传统的经典理论，象万有引力那样、有放之四海而皆准，不变永恒的魅力；也不象浮力原理（阿基米德.前287年-212年）那样简单、明了、适用；所更具个性的是“自Roscoe与他的学生(1958～1963)创建剑桥模型至今，各国学者已发展了数百个本构模型，但得到工程界普遍认可的极少，严格地说尚没有”[3]。而今；更有人把有效应力原理应用到混凝土、煤层、沥青路面。继续幻想着它、能够解决更多的问题。难道有效应力原理真的那么有效？以我看、就目前地质界的普遍认可、信赖的基础上，