土的有效应力

网络出版时间：２０１４—４—２８　８：４７：４１　网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１３．１３５５．Ｆ．２０１４０４２８．０８４７．００３．ｈｔｍ　地基土有效应力原理浅析　白宏涛　杨丽琛　陶健　（辽宁省建筑设计研究院）　摘要：很多工程师将土的有效应力简单地理解为土的自重应力扣　除水浮力，直接采用浮重度计算，概念不清，且在复杂的地质条件下　计算并不准确，本文简单的介绍地基土的有效应力原理，并通过简单　算例说明静水条件下土有效应力的计算方法和有稳定渗流时土有效　应力的变化。　关键词：有效应力　孔隙水压力　稳定渗流　１土的有效应力原理　土是一种由三相物质构成的碎散材料，土的体积变化　（压缩变形）和抗剪强度变化并不直接取决于土体所受到　的总应力，而是取决于土的有效应力。　饱和土是由固体颗粒构成的骨架和充满颗粒间孔隙　的水组成的两相体，当外力作用于土体后，一部分力由土　骨架承担，通过土骨架颗粒间的接触面传递，称为粒间力：　另一部分由孔隙中的水来承担，水不能承担剪应力，但能　承受各向等压的法向应力，并可以通过连通的孔隙水传　递，称为孔隙水压力。有效应力原理就是研究饱和土中这　两种应力的不同性质和它们与总应力的关系。　太沙基提出了土的有效应力原理，其主要内容是：饱　和土体内任～平面上受到的总应力可分为有效应力和孔　隙水压力两部分，分别由土骨架和孔隙水来承担。　ｏ＝口　＋Ｕ　仃——作用在饱和土中任意面上的总应力：ａ　——　有效应力，作用在同一平面的土骨架上；ｕ——孔隙水压　力，作用在同一平面的孔隙水上。　２两种静水条件下土有效应力的计算　ｆ　水位　Ｎ　强　工　Ｍ　ｆ　Ｎ　地面　ｌ　Ｍ　。…禾遗采　垂　图１　图２　２．１如图１所示，Ｍ点在静地下水位以下Ｈ　处，其总　自重应力为ｏ　＝ｙＨ１＋ｙ　Ｈ２，孔隙水压力为ｕ＝ｙ　Ｈ２，Ｍ　点有效自重应力为：　ａ　＝ａ　ｚ－Ｕ＝－ｙＨ１＋（ｙ　Ｓ日ｔ—ｙｗ）Ｈ２＝ｙＨ１十ｙ　Ｈ２　２．２如图２所示，地面以上有深度为Ｈ　的静水，Ｍ点　的总自重应力为ｏ　ｚ＝ｙ　Ｈ１＋ｙ蛳Ｈ２，孔隙水压力为ｕ＝ｙ　（Ｈ　＋Ｈ　），根据有效应力原理，Ｍ点有效自重应力为：　ａ　＝ｏ　ｚ—ｕ＝（ｙ　ｓａｔ－ｙｗ）Ｈ２＝ｙ　Ｈ２　３有稳定渗流时土有效应力的变化　近年来由于大量开采地下水，使很多地区的地下水分　布呈十分复杂的状态，形成多层地下水，并且各层地下水　间还有竖向渗流发生，本文通过算例简单分析当土中发生　向上或向下的稳定渗流时，土中孔隙水压力和有效应力的　计算。　．Ｃ　司　口　）　）　）　＝　，　）　‘（＇　’　，　黏土层　耄　工　／黏土层　工　耄　司｛　。＿Ｊ１　砂层（承压水）　砂层（承压水）　图３　图４　３．１如图３所示，为厚度Ｈ的饱和黏性土层，地下水　位于黏性土层表面，其下为砂层，砂层中有承压水，在黏土　层与砂层的界面Ａ处安装一测压管，测压管内稳定水位高　出黏性土层表面△ｈ，因此，黏性土层中将发生向上的稳　定渗流，此时，Ａ点的总自重应力ａ　＝ｙ蛳Ｈ，Ａ点的孔隙　水压力Ｕ－－－ｙ　（Ｈ＋△ｈ）＝ｙ　Ｈ＋ｙ　△ｈ，Ａ点的有效应力为：　ａ　＝ａ　－－Ｕ＝ｙ　ｓａｔＨ—ｙ　ｖｖ（Ｈ＋△ｈ）　＝（ｙ　一ｙ　Ｗ）Ｈ—ｙ　△ｈ：ｙ　Ｈ—ｙ　△ｈ　与静水条件下的ｏ　相比较可知，在发生向上渗流　时，孔隙水压力ｕ增加了ｙ　△ｈ，土的有效应力则减少了　ｙ　△ｈ，因为有效应力是土骨架承担的土颗粒接触点传递　的应力，在发生向上渗流时，土骨架受到向上的渗透力作　用，因此有效应力较静水条件下减少了渗透力ｙ　△ｈ。　３．２如图４所示，△ｈ为测压管内稳定水位低于黏性　土表面的高度，黏性土层中将发生向下的稳定渗流，此时，　Ａ点的总自重应力ｄｒ　＝ｙ　Ｈ，Ａ点的孔隙水压力Ｕ－－－－ｙ　（Ｈ一△ｈ）＝ｙ　Ｈ—ｙ　△ｈ，Ａ点的有效应力为：　ｏ　＝ａ　－－Ｕ＝ｙ　ｓａｔＨ—ｙ　Ｈ＋ｙ　△ｈ＝ｙ　Ｈ＋ｙ　ｖｖ△Ｈ　与静水条件下的ａ　相比较可知，在发生向下渗流　时，将使土的有效应力增加ｙ　△Ｈ，同样，因为土骨架受　到向下的渗透力作用，因此有效应力较静水条件下增加了　渗透力ｙ　△Ｈ。　４结语　４．１在地下水位以下的土体中，计算饱和土的有效应　力时，应先计算土的总应力和孔隙水压力，然后根据有效　应力原理计算土的有效应力，这种方法较直接采用浮重度　Ｙ　计算，过程更清晰，准确，不易出错。　４．２目前工程上较为常见的由于人工抽水等原因造　成地下水位下降，这将使地基土的有效应力增加，土体压　缩，变形增大，工程设计时应予以重视。　参考文献：　【１】李广信，张丙印，于玉贞．土力学【Ｍ】．北京：清华大学出版社，　２０１３．　【２１Ｋ．太沙基著．理论土力学【Ｍ】．徐志英译．北京：地质出版社，　１９６０．　ｆ３】凌俊峰．邻近基坑降水对索菲亚教堂地面沉降的影响【Ｄ　Ｊｌ哈尔　滨工业大学，２００７．　

有效应力路径名词解释

有效应力路径（Effective Stress Path）是土体工程领域中的一个概念，用于描述土体中颗粒的力学行为和应力状态随时间的变化。有效应力路径考虑了土体内水分的影响，尤其是在饱和和非饱和条件下。

在土体中，存在两种主要的应力：总应力（Total Stress）和有效应力（Effective Stress）。总应力是由土体所受的所有外部力引起的，包括土体自身的重力和外部施加的荷载。有效应力则是考虑土体内孔隙水的压力效应后的应力。有效应力路径描述了土体中颗粒的应力状态如何随时间变化，这对于理解土体的变形和强度特性至关重要。

在不同的水分条件下，土体的有效应力路径可能会发生变化。当土体饱和时，水填满了孔隙，有效应力几乎为零；而在非饱和状态下，水分对有效应力的贡献较小。因此，有效应力路径可以揭示土体在不同水分条件下的强度和变形行为。

有效应力路径的研究对于土体力学性质的预测、工程设计和地质工程实践等方面都具有重要的意义。通过了解土体在不同水分条件下的有效应力路径，工程师可以更好地评估土体的稳定性和变形特性，从而制定更合理的工程方案。

土的有效应力

土的有效应力是指土壤中颗粒之间的相互作用力，它对土体的力学性质和变形特征具有重要影响。在工程实践中，了解土的有效应力是非常重要的，因为它直接影响着土体的稳定性和承载力。本文将就土的有效应力进行深入探讨，以便更好地理解土体的力学行为。

土的有效应力是指土体中颗粒之间的有效压力，它可以通过有效应力原理来理解。在一般情况下，土体受到的外部应力包括自重应力和外载荷应力，而有效应力则是指这两者之间的差值。有效应力的大小取决于土体内部的孔隙水压力和土体颗粒间的摩擦力。当土体中存在孔隙水时，孔隙水的压力会抵消部分外部应力，从而降低土的有效应力；而当孔隙水被排空时，土的有效应力将增大，这也是为什么在施工中需要进行排水处理的原因之一。

土的有效应力在地基工程中起着至关重要的作用。在地基工程中，土的有效应力直接影响着地基的承载力和变形特性。当外部荷载作用于地基时，地基土体会发生压缩变形，这时土的有效应力将起到主导作用。通过合理地计算和控制土的有效应力，可以有效预测地基土的变形情况，并采取相应的加固措施，以确保地基的安全稳定。

土的有效应力还对土体的强度和稳定性产生影响。在岩土工程中，有效应力理论被广泛应用于土体的稳定性分析和设计中。通过合理地计算和分析土的有效应力，可以评估土体的强度参数，为工程设计提供依据。在边坡稳定分析和基坑支护设计中，有效应力理论被用来预测土体的破坏机制和变形特征，以指导工程实践。

总的来说，土的有效应力是岩土工程中一个基本而重要的概念。通过深入理解土的有效应力，可以更好地把握土体的力学性质和变形特征，为工程设计和施工提供科学依据。在实际工程中，我们需要充分考虑土的有效应力对工程的影响，从而确保工程的安全可靠。希望本文能够对读者对土的有效应力有一个更清晰的认识，同时也能够引起大家对岩土工程的重视和关注。

1 土的自重应力

在一般情况下，天然地基往往由成层土所组成，设各土层的厚度为ih，重度为i，则深度z处土的自重应力可通过对各层土自重应力求和得到，即：

1122331ncznniiihhhhh

式中 n为自天然地面至深度z处土的层数；

ih为第i层土的厚度(m)；

i为第i层土的天然重度，对地下水位以下的土层取有效重度(kN/m3)。因为土受到水的浮力影响，其自重应力相应减少的缘故。

但在地下水位以下，若埋藏有不透水层(例如岩层或只含结合水的坚硬粘土层)，由于不透水层中不存在水的浮力，故层面及层面以下的自重应力应按上覆土层的水土总重计算。这样，紧靠上覆层与不透水层界面上下的自重应力有突变，使层面处具有两个自重应力值。

【例题1】试计算图1所示土层的自重应力及作用在基岩顶面的土自重应力和静水压力之和，并绘制自重应力分布图。

【解】

图1 土的自重应力计算及其分布图 2 1192.038czkPa

238(19.410)2.561.5czkPa

361.5(17.410)4.596.6czkPa

10(2.54.5)70wkPa

作用在基岩顶面处土的自重应力96.6kPa，静水压力70kPa，总应力为96.6+70=166.6kPa。

尚需注意：(1)自重应力是指土颗粒之间接触点传递的粒间应力，故又称为有效自重应力；(2)一般土层形成地质年代较长，在自重作用下变形早已稳定，故自重应力不再引起建筑物基础沉降，但对于近期沉积或堆积的土层以及地下水位升降等情况，尚应考虑自重应力作用下的变形，这是因为地下水位的变动，引起土的重度改变的结果。如图2所示。在深基坑开挖中，需大量抽取地下水，以致地下水位大幅度下降，引起土的重度改变，因，故自重应力增加，从而造成地表大面积下沉的严重后果。

图2 地下水位升降对土中自重应力的影响