15有效应力原理
15有效应力原理
一、太沙基饱和土有效应力原理
• 粒间应力（interparticle stress）：
•
由骨架颗粒间接触点传递的应力。
1、有效应力’：
• 土体是由固体颗粒和孔隙水及空气组成的三相集合体。 外荷在土体中产生的应力是通过颗粒间的接触来传递 的。由颗粒间的点接触传递的应力会使土的颗粒产生 变形，引起土体的变形和强度的变化，这种对土体变 形和强度有效的粒间应力就称为有效应力’。
2. 附加应力情况
外荷载 附加应力σz 土骨架：有效应力
超静孔隙水压力 几种简单的情形：
(1) 侧限应力状态 (2) 轴对称三维应力状态
孔隙水：孔隙水压力
(1) 侧限应力状态及一维渗流固结
▪ 实践背景：大面积均布荷载
p
p
饱和压缩层
σz=p
不透水岩层
侧限应力状态
(1) 侧限应力状态及一维渗流固结
Δh
当向上渗流时，若 0，则土层处于悬浮状态，
发H生粘γ流土sa层t土和管涌。条件为
H - w h 0A
H wh
h砂层，承压水
H
sat
H w
即
h
icr uH
w
u 式中w ( ：H icr称h 为 ) 临界水力坡sat H降。 w ( H h )
只要满足条件i icr，H 就 会w发h 生流渗土透或压力管:涌。 w h
a
u：孔隙水 压力
Psv Aw u AA
PS
a
PSV
有效应力σ’
Aw 1 A
'u （ As ≤0.03）
PS
5、非饱和土中的应力形态：
A AS Aw Aa
Aw A
uw
Aau
三轴试验原理与技术 书中的 第五节 总应力与有效应力
1.92
13.0 15.5 8.5
漂砾粘土
10
9.5
2.08
9.5 10.5 8.5
漂砾粘土
19
10.7
2.02
10.7 12.4 26.0
残积粘土
20
27.5
1.51
27.5 31.5 20.0
残积粘土
44
23.0
1.57
23.0 25.0
注
试样直径为 100mm，高 200mm，以标准击实功能击实。
A A u(1 a) A
或
u( 1 a )
(1-16)
接触面积 a 难以测定，不过其值很小，可以忽略不计，故式(1-16)可以写成：
u
以式(1-14)、式(1-15)代入式(1-17)，得：
(1-17)
h2 ( w ) h2
u hw w (h1 h2 ) w
1
(1-14)
h1
hw h2 2 a a ( a) 3 3 b b b b 6 5 4
· A
· A
· A
( b)
· A
(c)
图 1-17 沉积土内的应力 (a) 沉积土层；(b)完全饱和；(c)部分饱和 1— 水位；2—土体单元；3—土颗粒； 4—孔隙水；5—孔隙气；6—孔隙水
A f 值。
6
三轴试验原理与应用技术
表 1-7
孔隙压力系数 B 和 A f （不排水剪测得）
孔隙压 力系数
粘粒含量 土 类 <0.002mm (%)
最优含水率 w (%)
最大干密度
试验时含 水率 w (%) 6.8
孔隙压 力系数 B 0.06 0.26 0.90 0.02 0.23 0.46 0.04 0.26 0.54 0.03 0.27 0.69 0.05 0.05 0.14 0.03 0.16 0.36
有效应力法确定强度包线
有效应力法确定强度包线1.引言1.1 概述概述部分的内容可以是关于有效应力法确定强度包线的背景和意义。
可以包括以下几个方面的叙述：1. 介绍强度包线的概念：强度包线是指材料在一定条件下能够承受的最大应力的曲线，它是一种材料性能的重要指标，对于工程设计和材料评估具有重要作用。
2. 强度包线的确定方法：在过去的研究中，确定强度包线的方法有很多种，包括极限状态设计法、强度折减法等。
然而，这些方法对于非线性材料和复杂应力状态下的强度包线确定较为困难。
3. 有效应力法的基本原理：有效应力法是一种将复杂应力状态下的材料强度简化为等效应力的方法。
它通过考虑应力分量的组合作用，将多个应力分量转化为一个等效应力，从而简化了强度包线的确定。
4. 有效应力法的应用：有效应力法在工程实践中广泛应用于强度包线的确定。
通过对材料的实验测试和数值模拟分析，可以利用有效应力法确定材料在不同应力状态下的强度包线，从而为工程设计提供可靠的依据。
5. 本文的研究目的：本文旨在通过对有效应力法在强度包线确定中的应用进行深入研究和探讨，分析其在解决非线性材料和复杂应力状态下的强度包线确定中的优势和局限性，为工程实践提供参考和指导。
以上内容可以作为概述部分的内容，通过简要的介绍强度包线的概念和方法，以及有效应力法的基本原理和应用，引导读者对于后续的文章内容有一个整体的认识。
1.2文章结构1.2 文章结构本文将依次介绍有效应力法的基本原理和强度包线的概念与应用，并探讨有效应力法在强度包线确定中的优势。
文章结构如下所示：第二部分是正文部分，包括以下内容：2.1 有效应力法的基本原理：本部分将详细介绍有效应力法的基本原理。
首先，我们将说明什么是应力和应变，并解释为什么有效应力是一种更可靠的方法来评估材料的强度。
随后，我们将探讨有效应力的计算方法和应力状态的判定准则。
最后，我们将通过一些实际案例来说明有效应力法的应用。
2.2 强度包线的概念与应用：本部分将介绍强度包线的概念和应用。
浅谈有效应力原理的应用
浅谈有效应力原理的应用（西南交通大学峨眉校区土木工程系，四川，乐山，614202）有效应力原理在土力学中占有相当重要的地位，它的提出使土力学逐渐发展成为一门独立的学科，贯穿着土力学的始终。
它在边坡稳定性问题、支挡结构的土压力、软土地基的处理、沙土的地震液化等问题上都有着广泛的应用，很好的解释了这些问题。
标签：有效应力；孔隙水；应用1 关于有效应力原理的概念土体是非线性的弹塑性体，由固态、液态、气态三相组成，其中固体颗粒占有主要部分，他们形成了有孔隙的骨架结构。
骨架中含有孔隙水，孔隙水所承担的压力为孔隙水压力，它是一种中性力。
作用在骨架单位面积上的应力为有效应力，是一种面积力。
土体重力，水压力，外荷载作用力三者之和为总应力。
依据太沙基有效应力原理，有效应力为作用在饱和土体上的总应力与孔隙水压力之差。
即：有效应力=总应力-孔隙水压力。
而土体的强度和土的变形主要取决于有效应力，而并非总应力，二者不能混淆。
2 有效应力原理的应用2.1边坡稳定性问题由于自然或人为因素的作用，破坏了原有的稳定土坡的力学平衡时，土体将沿着某一滑面发生滑动，工程中的这一现象为滑坡。
边坡稳定性主要是由土的抗剪强度决定的。
土的抗剪能力越强，边坡就越稳定。
抗剪强度的指标在用总应力来表示时有三组，而在用有效应力表示时只有一组。
即土的抗剪强度与有效应力一一对应，所以边坡稳定性的强弱是由粘土地基中的有效应力大小决定的。
在施工过程中，若不计水的排出，填土荷载全部由孔隙水压力承担，随着深度的增加，超孔隙水压力不断增大，总应力不断增大，而剪力强度和有效应力均保持不变。
随着时间的推移，超孔隙水压力不断消散，抗剪强度和有效应力不断增强。
因此，边坡稳定性随着时间的推移而逐步增大。
所以对于边坡稳定性，要考虑到一段时间后边坡的有效应力增大时是否还能保持稳定。
必要时可以采取加固措施。
常用的增强边坡稳定措施有如下两种方法：（1）减载加重。
此方法从简算的基本原理出发，减小下滑力和滑动力矩，增大抗滑力和抗滑力矩，从而提高土坡的稳定性（2）增强排水措施。
有效应力原理名词解释
有效应力原理名词解释有效应力原理是指在材料受力时，只有在一定的应力范围内，才能保证材料的强度和耐久性。
有效应力原理是材料力学中的重要概念，对于材料的设计、工程应用和性能评价具有重要意义。
首先，我们需要了解应力的概念。
应力是单位面积上的力，通常用σ表示，其计算公式为力F除以单位面积A，即σ=F/A。
在材料受力时，会产生各种不同方向和大小的应力，如拉应力、压应力、剪应力等。
而有效应力则是指在复杂应力状态下，实际产生的引起材料变形和破坏的应力。
有效应力的大小决定了材料的强度和耐久性，是材料设计和应用中需要重点考虑的因素之一。
其次，有效应力原理的核心是应力集中和疲劳寿命。
应力集中是指在材料中出现局部应力集中的现象，当外部载荷作用于材料时，可能会在材料中产生应力集中，导致材料的疲劳破坏。
有效应力原理告诉我们，在材料设计和使用中，需要尽量避免应力集中的发生，以保证材料的强度和寿命。
另外，有效应力原理还与材料的强度和韧性有关。
在材料受力时，会产生应力，而材料的强度和韧性决定了其在受力情况下的表现。
有效应力原理告诉我们，只有在一定的应力范围内，材料才能保持其强度和韧性，超出这一范围，材料可能会发生变形和破坏。
最后，有效应力原理对于材料的性能评价和改进具有指导意义。
在材料的设计和工程应用中，需要对材料的强度、韧性、疲劳寿命等性能进行评价和改进，而有效应力原理可以帮助我们更好地理解材料在受力情况下的行为，指导我们进行材料性能的优化和改进。
综上所述，有效应力原理是材料力学中的重要概念，对于材料的设计、工程应用和性能评价具有重要意义。
通过对有效应力原理的理解和应用，可以帮助我们更好地设计和选择材料，保证材料在受力情况下的强度和耐久性，促进材料工程领域的发展和进步。
有效应力原理
有效应力原理
有效应力原理是固体力学中的一个重要概念，用于描述材料在外力作用下的变形行为。
在材料受外力作用时，内部会产生应力，而有效应力则是指对该材料产生变形所起主导作用的应力。
在实际应用中，材料受到的外力不仅包括单一的拉压力，还可能包含剪切力、弯曲力等复合力。
为了简化计算和分析，需要将这些复合力转化为一个等效的单轴应力，从而判断材料是否会破坏或产生塑性变形。
有效应力的计算需要考虑材料所处的环境，主要包括温度、湿度等因素。
对于一般情况下的材料，有效应力可以直接通过减去材料表面上的正应力值来计算，可以表示为：
σeff = σtotal - σsurface
其中，σtotal表示材料受到的总应力，而σsurface表示材料表
面上的正应力。
常见的有效应力计算方法有von Mises准则和Tresca准则。
有效应力原理的应用十分广泛。
在工程中，工程师们可以通过有效应力原理来分析结构物的承载能力，判断材料的破坏点和塑性变形情况，从而设计出更加安全可靠的结构。
此外，在材料科学和地质力学等领域，有效应力原理也被广泛应用于研究材料的力学性质和岩土工程中的土体变形行为。
总之，理解和应用有效应力原理对于有效分析和设计材料和结
构的性能至关重要，可以使工程师和科学家们更好地理解材料的力学性质并做出相应的决策。
简述有效应力原理
简述有效应力原理有效应力原理是材料力学中的重要概念，它对材料的强度和变形行为有着重要的影响。
在材料力学中，我们经常会遇到各种受力情况，而有效应力原理正是用来描述材料在受力状态下的应力分布和变形情况的重要原理之一。
首先，我们需要了解什么是应力。
在材料力学中，应力是描述材料内部受力情况的物理量，通常用σ表示。
而有效应力则是指在复杂受力状态下，能够产生与实际应力状态相同变形和破坏的等效简单应力状态。
有效应力原理的提出是为了简化复杂受力状态下的应力分析，使得我们能够更加方便地对材料的强度和变形进行分析和计算。
在实际工程中，材料往往会同时受到多种不同方向的受力，这就导致了材料内部的应力状态非常复杂。
而有效应力原理的核心思想就是将这种复杂的应力状态简化为一个等效的简单应力状态，从而使得我们能够更加方便地进行强度和变形的分析。
通过有效应力原理，我们可以将复杂的受力状态转化为一个等效的简单受力状态，从而得到相应的应力分布和变形情况。
在材料的强度分析中，有效应力原理能够帮助我们更加准确地评估材料的承载能力。
通过将复杂受力状态转化为等效简单应力状态，我们可以更加方便地使用材料的强度参数进行计算，从而得到材料在复杂受力状态下的承载能力。
这对于工程设计和材料选型都具有重要的意义。
另外，在材料的变形分析中，有效应力原理也能够帮助我们更加准确地评估材料的变形情况。
通过将复杂受力状态转化为等效简单应力状态，我们可以更加方便地使用材料的变形参数进行计算，从而得到材料在复杂受力状态下的变形情况。
这对于工程结构的稳定性和可靠性具有重要的意义。
总之，有效应力原理是材料力学中的重要概念，它能够帮助我们更加方便地进行材料的强度和变形分析。
通过将复杂受力状态转化为等效简单应力状态，我们可以更加准确地评估材料的承载能力和变形情况，从而为工程设计和材料选型提供重要的参考依据。
有效应力原理的应用将对工程领域产生深远的影响，为我们解决实际工程问题提供了重要的理论支持。
有效应力原理
有效应力原理
有效应力原理是一个重要的力学原理，它指的是，当一个物体受到一个外力的作用时，物体的力学行为与受力的位置和方向有关。
它会影响物体的结构和力学性能，甚至是其形状和大小。
有效应力原理的基本思想是，当一个物体受到力的作用时，其力学行为受到受力位置和方向的影响。
有效应力原理经常用于研究物体受力的方向和位置。
例如，当一个物体受到一个远程的力（如重力）时，物体的行为受到受力位置和方向的影响。
另外，当一个物体受到一个近距离的力，如挠度力或拉力时，它的行为也受到受力位置和方向的影响。
有效应力原理也可以用来计算物体受力的影响。
例如，当一个物体受到一个外力时，可以利用有效应力原理计算出物体受力的影响，从而推算出物体受力的大小和方向。
有效应力原理还可以用来研究物体受力的形状和大小。
例如，可以利用有效应力原理来研究物体受力的变形情况，从而推算出物体受力的大小和形状。
有效应力原理是一个重要的力学原理，它可以用来研究物体受力的方向、位置、大小和形状。
它可以用来计算物体受力的影响，并且可以用来研究物体受力的变形情况。
因此，有效应力原理在力学研
究中起着重要的作用。
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VV nV
mnu3
起的体应变 对于干土： 对于饱和土：
土骨架的体变等于孔隙流体的体变
1 2 3
ΔV1=ΔV2
mn u3 nV mc ( 3 u3 )V
V
V
3(1
2 E
)
' 3
u3 B 3
mc ( 3 U 3 )
H1
sat H2
σ’=σ-u u=γwH2
H1 H sat 2
在静水压力以下的土层，有效应 力正比于水下深度。
u=γwH2
σ’=σ-u =γH1+γsatH2-γwH2 =γH1+(γsat-γw)H2 =γH1+γ’H2
地下水位下降引起 σ’ 增大的部分 (γ-γ’)H2
地下水位下降会引起 σ’增大，土会产生 压缩，这是城市抽水 引起地面沉降的一个 主要原因。
H
毛细饱和区
sat hc
ht
hw
whc
-
H whc
+
H h sat t
whw H h sat t whw
(2) 稳定渗流条件
Δh
H
粘土层 γsat
砂层，承压水 向上渗流
Δh H γsat
砂层，排水
向下渗流
土水整体分析
向上渗流:
Δh
当向上渗流时，若 0，则土层处于悬浮状态，
土的 有效应力原理
土＝
孔隙流体
土是三相体系
固体颗粒骨架 + 孔隙水 + 孔隙气体
总应力由土骨架和孔隙流体共同承受 受外荷载作用
对所受总应力，骨架和孔隙流体 如何分担？
它们如何传递和相互转化？
总应力
它们对土的变形和强度有何影响？
Terzaghi（1923） 有效应力原理 固结理论
土力学成为独立的学科
(1)静水条件 海洋土
在静水压力以下的土层，有效 应力正比于水下深度，与其上 水位高低无关
H1
H sat H2
γwH1
γwH1
wH1 H sat 2
wH
H2
σ’=σ-u=γwH1+γsatH2-γwH =(γsat-γw)H2 =γ’H2
(1)静水条件 毛细饱和区
总应力 － 孔隙水压力 ＝ 有效应力
渗透力产生有效应力
A
砂层，承压水
自重应力: sz H
渗透力:
渗透力产生的应力:
jz
J A
jV A
jH wh
j
wi
w
h
H
H wh
2. 附加应力情况
外荷载 附加应力σz 土骨架：有效应力
超静孔隙水压力 几种简单的情形：
(1) 侧限应力状态 (2) 轴对称三维应力状态
问题: 能否对孔压系数 A 作进一步的解释？
回答：
zy x
2 3
s
＝
1 3
s
s 1 3
1 3
s
＋
1 3
s
1 3
s
1 3
s
1 3
s
Δσ1 σ3
σ3
σ3
σ3
Δσ1
• 特点： • （1）侧向可变形，为轴
对称三维应力状态
• （2）可控制排水条件 • （3） 可有多种加载路径
三轴试验
压力杆
塑料顶盖
吸 尔 球
圆柱状土样
装样器
滤纸
透水石
工作台
弹性薄膜 一些皮筋
排水孔
有机玻璃罩
橡皮膜 压力水
轴向加压杆 不固结不排水试验
顶帽
压力室 固结不排水试验
试
样
透水石
排水管
固结排水试验
阀门
不固结不排水试验
从某一初始状态，阀 门关闭，连接孔压传 感器，施加围压Δ 不固结，量测超静孔
隙水压力 Δu3 有机玻璃罩
施加Δ1 -Δ时，阀 门关闭，可连接孔压 传感器，量测剪切过
程中产生的超静孔隙橡皮膜
水压力 Δu1
压力水
轴向加压杆
顶帽
压力室
试
样
'uw (1 Aw )ua
• Bishop（1960）等提出了修正的有效应力原理完整 表达式：
-ua uw - ua
式中 是一个与饱和度有关的系数
对于饱和土：
1,则上式变为
对于干土：
uw
0 上式变为 ua
• 解： △3＝29.43kpa，△U3＝29.43kpa • △1＝58.86kpa ， △U＝44.15kpa • △U1= △U－ △U3＝14.72kpa • B= △U3／ △3＝29.43／29.43＝1 • A＝ △U1／(△1－ △3)＝0.5
问题: 能否对孔压系数 A 作进一步的解释？
3 体积V
3
3
土骨架的有效附加应力
u3 1 2 3 3 u3
1 2 3
• 当σ1＝σ2＝σ3＝△’3时
线弹性体
E1 1 ( 2
3)
1
2
3
0
1 2
E
' 3
V 3V
E 2 E 3
Aw
ua Aa aA
uw
1 Aw A
ua
a
Psv A
Aw A
uw
Aa A
ua
Aw A
(u w
ua )
1 A
u
a
Aw (uw ua ) ua
uw (1 Aw )ua
有效应力σ’
'uw
(1 A )u （ As ≤0.03） wa
附加应力的分担作用模型：
p
h p
w
p
h h
h 0
p
t 0
附加应力:σz=p 超静孔压: u = σz=p 有效应力:σ’z=0
渗透固结过程
0t
附加应力:σz=p 超静孔压: u <p 有效应力:σ’z>0
t
附加应力:σz=p 超静孔压: u =0 有效应力:σ’z=p
（2）轴对称三维应力状态
哪一个的有效应力更大一些？
三、饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算
1. 自重应力情况 （侧限应变条件） (1) 静水条件
地下水位 海洋土 毛细饱和区
(2) 稳定渗流条件
2. 附加应力情况 (1) 单向压缩应力状态 (2) 等向压缩应力状态 (3) 偏差应力状态
1. 自重应力情况
(1) 静水条件 地下水位
孔隙水：孔隙水压力
(1) 侧限应力状态及一维渗流固结
实践背景：大面积均布荷载
p
p
饱和压缩层
σz=p
不透水岩层
侧限应力状态
(1) 侧限应力状态及一维渗流固结
p
p
钢筒——侧限条件
物理模型：
弹簧——土骨架 水体——孔隙水
带孔活塞——排水顶面
活塞小孔——渗透性大小
初始状态 边界条件 一般方程
渗透固结过程
只要满足条件i icr，H 就 会w发h 生流渗土透或压力管:涌。 w h
土水整体分析
向下渗流:
渗流压密
Δh H γsat
思考题：水位骤降后， 原水位到现水位之间 的饱和土层用什么容 重？
砂层，排水
A H wh
地使下有水效 位应sat H下 力降 增， 加会 ，在导土致层土中层 产发生生 朝压u 下密的变渗 形流 ，， 称从 为而 渗
0 Sr 1,0 mn , B 0 1
偏差应力状态
孔隙流体产生了超静孔隙水压力ΔuA
1 3
体积V
u1
孔隙流体的体积变化
V1 mn u1 nV
1
3
u1
/ 1
,
/ 1
1
3
u1
/ 3
发H生粘γ流土sa层t土和管涌。条件为
H - w h 0A
H wh
Hh砂 层sat，H承w压水 即
icr
h uH
w
u 式中w ( ：H icr称h 为 ) 临界水力坡sat H降。 w ( H h )
透水石
排水管 阀门
斯开普顿解答：
轴对称三维应力状态 等向压缩应力状态 偏差应力状态
1
3
1 3
3 u
=
3
3
u3 3 +
封闭土样
u u3 u1
3
3 3
u3
u1
1 3
u1
等向压缩应力状态
孔隙中产生了超静孔隙水压力Δu3
• 1、X与土体饱和度成正比，
也与土的类型、施加荷载
的应力路线有关。
1
• 2、对粉土Sr≥40～50％，
粘性土Sr≥85%时上式成
立。
χ
• 3、一般认为当土中孔隙
体积的80%以上为水充满
时，土中虽有少量气体存
在，但大都是封闭气体，
就可视为饱和土。
0
饱和度Sr
100%
思考： 10米深河底和1000米深的大洋底表面一点
B 3
( 1