第5.0土的有效应力原理
土的有效应力原理
土的有效应力原理
土的有效应力原理是指土体中的颗粒间受到的有效应力，是土体内部颗粒之间的相互作用所产生的结果。
有效应力是指土体中颗粒间的相互作用所产生的应力，它是影响土体力学性质的重要因素之一。
有效应力原理对于土体的稳定性、变形特性以及工程设计和施工具有重要的指导意义。
土体中的有效应力与孔隙水压力有着密切的关系。
在土体中存在着孔隙水，当外部施加荷载时，孔隙水会受到挤压，从而产生孔隙水压力。
有效应力原理指出，土体中的有效应力等于总应力减去孔隙水压力。
也就是说，有效应力是指土体颗粒间的实际受力情况，而不包括孔隙水的影响。
因此，有效应力是影响土体内部力学行为的关键因素。
在工程实践中，理解土体的有效应力原理对于地基工程、边坡稳定性分析、地下水压力计算等方面具有重要意义。
在地基工程中，有效应力原理可以帮助工程师合理设计地基承载力，保证建筑物的稳定性和安全性。
在边坡稳定性分析中，有效应力原理可以帮助工程师评估边坡的稳定性，预测可能发生的滑坡和坍塌等灾害。
在地下水压力计算中，有效应力原理可以帮助工程师准确计算地下水对结构物的影响，保证工程的安全运行。
总之，土的有效应力原理是土力学中的重要概念，对于工程实践具有重要的指导意义。
理解土体中的有效应力原理，可以帮助工程师更好地设计和施工工程，保证工程的安全性和稳定性。
因此，深入研究土的有效应力原理，对于提高工程质量和安全性具有重要意义。
第五节有效应力原理
三、附加应力作用下孔隙水压力和有效应力的计算
在外荷作用下，土体中各点产生的应力增量，称为附加 应力。对饱和土，土体中任一点的附加应力σ是由粒间接触 点的有效应力σ′和孔隙水压力u承担。 此处仅考虑侧限应力状态，对于其他较复杂的情况参见 相关书籍。
如果地面上作用着大面积连续均布荷载，而土层厚度 又相对较薄时，则土层中引起的附加应力σz属于侧限应力 状态。这时，外荷p在土层中引起的附加应力σz将沿深度 均匀分布，即σz=p。显然，这种应力条件下土体在侧向 上不能发生变形。 p ∞ ∞
式中：γw--水的重度，kN/m3；γsat--土的饱和重度，kN/m3。 A点处由孔隙水传递的静水压力，即孔隙水压力为：
根据有效应力原理，由于土体自重对A点作用的有效 应力应为：
式中：γ′--土的浮重度，kN/m3。
两种压力随深度的分布，如图3-22b所示。 自重应力作用下两种应力的计算过程见例题3-5。
（2）这里的u是指超静水压力，所谓超静水压力，是外 荷载引起的，超出静水位以上的那部分孔隙水压力。它 在固结过程中随时间不断变化，固结终了时应等于零。 饱水土层中任意时刻的总孔隙水压力应是静孔隙水压力 与超静孔隙水压力之和。
z p
Z 为了模拟饱和土体受到连续均布荷载作用后，在土中 所产生的孔隙水压力以及u与σ′随时间t的变化规律， 1925年太沙基最早提出了一个渗压模型，如图3-24所示。
通过模拟侧限状态下饱和土体的渗流固结过程，可以 得到如下的两点认识：
（1）整个渗流固结过程中u和σ′都是随时间t而不断变 化着的，即u=f(t)，σ′=f(t)。渗流固结过程实质上就是 土中两种不同应力形态的转化过程。
第五节 有效应力原理 太沙基（K. Terzaghi）早在1923年就提出了有效应力原 理的基本概念，阐明了碎散颗粒材料与连续固体材料在 应力--应变关系上的重大区别，从而使土力学成为一门独 立学科的重要标志。 一、饱和土体的有效应力原理
土的有效应力
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。
土体中应力及有效应力原理
1、弹性地基上的柔性基础(EI=0) 土坝(堤)、路基、油罐等薄板基础 机场跑道。可认为土坝底部的接触 压力分布与土坝的外形轮廓相同其大小等于各点以 上的土柱重量
§4.3 基底压力
2、弹性地基上的刚性基础(EI=) 砂土地基：由于颗粒间无粘聚力 基底压力呈抛物线分布
粘土地基：由于颗粒间有粘聚力 基础边缘能承受压力，荷载较小 时呈马鞍形分布，随着荷载增加 基底压力类似于抛物线分布
的应力与应变的基本关系出发来研究。 当应力很小时，土的应力·应变关系曲线 就不是一根直线，亦即土的变形具有明 显的非线性特征。
§4.1 概述
一、应力—应变关系假设
线弹性体
目前在计算地基中的应力时， 常假设土体为连续体、线弹性 及均质各向同性体。
实际上土是各向异性的、弹塑 性体
二、地基中的几种应力状态
2.按土体中骨架和孔隙的应力承担原理或应力传递方 式可分为有效应力和孔隙应力。
有效应力由土骨架传递或承担的应力。只有当土骨架传递或承 担应力后土体颗粒才会产生变形。同时增加了土体的强度 孔隙应力：由土中孔隙流体水和气体传递或承担的应力。
3.总应力： 总应力=有效应力+孔隙应力
研究地基的应力和变形，必须从土
验算土体的稳定性
土中应力按引起原因可分为：自重应力和附加应力
土中应力按传递方式可分为：有效应力和孔隙应力
土中应力：指土体在自身重力、建筑物和构筑物荷载，以及其 他因素（土中水的渗流、地震等）作用下，土中产生的应力。
1按引起的原因分为自重应力和附加应力
自重应力：由土体自身重量所产生的应力。由土粒骨架承担 附加应力：由外荷载（静或动）引起的土中应力。使土体彻底 产生变形和强度变化的主要原因。
第5.0土的有效应力原理ppt课件
24
§5.1 土的有效应力原理
二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 2.附加应力作用情况
(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 不透水岩层
σz=p
侧限应力状态
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§5.1 土的有效应力原理
二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 2.附加应力作用情况
(1) 侧限应力状态及一维渗流固结
1 3
体积V
孔隙流体的体积变化
V1 Cf uA nV
3(1 2) Cs E
土骨架的体积变化 暂时假定土骨架为线弹性体
uA
V2 v V (1 2 3 )V
总应力增量 有效附加应力
应变增量
轴向 1 3 1 3 uA [(1 3 uA ) 2(uA )]/ E
侧向
0
uA
二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 1.自重应力情况
(1) 静水条件 毛细饱和区
总应力 － 孔隙水压力 ＝ 有效应力
H
毛细饱
和区 sat hc
ht
hw
whc -
H whc
H satht
+
whw H satht whw 20
§5.1 土的有效应力原理
二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 1.自重应力情况
u
u w (H h) satH w (H h)
H wh 渗透压力: wh
22
§5.1 土的有效应力原理
二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 1.自重应力情况
取土骨架为隔离体
向上渗流: Δh
向下渗流:
H
粘土层 γsat
H wh
土力学中的有效应力原理
土力学中的有效应力原理有效应力原理是土力学中的重要概念，它是基于有效应力理论的基础，用于描述土体内部颗粒之间的力学状态。
在土力学中，土体的有效应力是指影响土体体积变形和强度特性的部分应力。
有效应力原理的应用可以帮助工程师合理地设计和分析土体的力学性质，从而确保工程的安全可靠。
有效应力原理的基本假设是：土体中的颗粒间存在一定的摩擦力，这种摩擦力会影响土体的力学性质。
在土体受到外部载荷作用时，颗粒之间的摩擦力会使土体内部的颗粒产生相互作用，从而形成一种分布不均匀的应力状态。
有效应力原理认为，只有这种分布不均匀的应力才能真正影响土体的体积变形和强度特性，而与之无关的应力则不会对土体产生影响。
在实际工程中，为了计算和分析土体的力学性质，我们需要确定土体的有效应力。
有效应力的计算是基于有效应力原理进行的。
根据有效应力原理，土体的有效应力等于总应力减去孔隙水压力。
孔隙水压力是指土体中水分所产生的压力，它与土体的饱和度和孔隙水的压力有关。
有效应力原理的应用非常广泛，例如在地基工程中，我们需要考虑土体的有效应力来确定地基的稳定性和承载力。
在岩土工程中，我们需要了解土体的有效应力来评估边坡的稳定性和地下水的渗流规律。
在土石坝工程中，我们需要计算土体的有效应力来评估坝体的变形和破坏机理。
有效应力原理的应用需要考虑土体的物理性质、力学性质以及水分状况等因素。
不同的土体类型和工程环境下的土体特性会对有效应力产生不同的影响。
因此，在实际工程中，我们需要根据具体情况选择合适的方法和模型来计算和分析土体的有效应力。
有效应力原理是土力学中的重要概念，它描述了土体内部颗粒之间的力学状态。
有效应力原理的应用可以帮助工程师合理地设计和分析土体的力学性质，确保工程的安全可靠。
在实际工程中，我们需要根据具体情况选择合适的方法和模型来计算和分析土体的有效应力，以确保工程的顺利进行。
有效应力原理的掌握对于土木工程专业的学生和从事相关工作的工程师来说是非常重要的。
简述土的有效应力原理
简述土的有效应力原理
1 土的有效应力概念
土有效应力指的是土的静力学参量，表征了土内部构建强度。
土
有效应力概念对于土力学分析是必不可少的，只有正确地认识了土有
效应力，才能准确地说明土中分布并存的挤压和剪切作用。
2 土的有效应力原理
土的有效应力原理是指，由于土的特性，当作用于土体的力引起
的应力变化，其介观的影响只发生在有效应力的范围内。
土的有效应力可以用正的和负的两部分来说明。
正的有效应力可
以把土体放大；而负的有效应力可以把土体压缩。
有效应力比较小时，可以被视为土体处于弹性范围；而当有效应力达到一定值，土体则可
以产生塑性现象，并可能引起岩土体完整破坏。
有效应力的大小，主要由土体的结构及强密度的因素决定，在工
程上强度水平设定一般为在某特定区间内。
同样的负载，由于土体结
构及强密度的变化，有效应力会发生变化，也就是说，有效应力是可
变的。
3 土有效应力的应用
土有效应力的研究应用于土体力学分析，主要是为了评价工程结构质量，确定设计和施工所必需的抗侧测试以及预知可能发生的地质灾害。
土有效应力也为土体延性和剪切模量的试验提供参考，帮助研究者从室内研究获得有实际意义的结果，为比较土体的强度性能和工程的稳定性提供基础数据。
4 总结
土的有效应力原理是土力学分析中重要的概念，其分为正有效应力和负有效应力。
它可以有效地用来评价工程结构质量和预知可能发生的地质灾害，为土体延性和剪切模量的研究提供参考，从而确定合理的设计及施工方法。
什么是土的有效应力原理
什么是土的有效应力原理土的有效应力原理是土体力学中的一个重要概念，用于描述土体内部颗粒间的力学行为。
土体中存在着各种颗粒，它们之间通过颗粒间的接触面传递力量，而有效应力则是指作用在这些接触面上的有效力量。
土体中的颗粒间力学性质是由有效应力决定的，而有效应力又与应力分布和孔隙水压力有关。
有效应力原理是基于孔隙水压力对土体内部土粒之间力传递的影响进行了研究，认为土体内的有效应力由两部分组成：一部分是颗粒间的直接接触力，另一部分是颗粒在孔隙水中承受的水压力。
在土体中，当有水分存在时，颗粒间不仅受到来自直接接触的力，还受到来自孔隙水的水压力。
如果没有孔隙水存在，那么土体内的有效应力就可以直接由颗粒间的接触力来表示。
然而，由于孔隙水存在，水分对颗粒间力的传递起到了一定的缓冲和阻碍作用，使得土体中的颗粒间接触力无法完全发挥，因此需要引入有效应力的概念。
有效应力的概念可以通过考虑孔隙水压力对颗粒间力的影响来解释。
孔隙水会占据土体中的一部分体积，并施加压力。
这种压力可以看作是在土体内形成的一个均匀分布的压力场，称为孔隙水压力。
当土体受到外力作用时，孔隙水压力会影响颗粒间力的传递。
孔隙水的压力可以增加或者削弱颗粒间力的传递，因此有效应力能够反映土体中颗粒间力的实际情况。
有效应力的计算通常使用带孔隙水压力的应力积分来进行，这样可以将颗粒间力的传递与孔隙水压力的影响进行统一的描述。
有效应力的计算需要考虑土体中的孔隙水压力分布以及土体的力学性质。
一般情况下，有效应力与孔隙比及土体孔隙度等因素密切相关。
在土力学的应用中，有效应力原理是一个重要的基础概念。
它可用于了解土体内部颗粒的力学响应，预测土体的变形和破坏行为。
在工程实践中，有效应力原理在土体的强度计算、地基稳定性分析以及地下水流动问题等方面发挥着重要的作用。
总结起来，土的有效应力原理是描述土体内部颗粒间力学行为的重要概念。
它通过考虑孔隙水压力对颗粒间力传递的影响，将土体中的有效应力定义为颗粒间的直接接触力和颗粒承受的孔隙水压力之和。
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2. 饱和土的有效应力原理
变形的原因
颗粒间克服摩擦相对滑移、滚动—与 σ’有关
接触点处应力过大而破碎—与 σ’有关
强度的成因
凝聚力和摩擦—与σ’有关
试想： 海底与土粒间的接触压
孔隙水压力的作用
力哪一种情况下大？
它在各个方向相等，只能使土颗粒本身受
1m
到等向压力，由于颗粒本身压缩模量很大，
§5.1 土的有效应力原理
一. 有效应力原理的基本概念
1. 饱和土中的应力形态 A
A： 土单元的断面积
a-a断面通过土颗粒 的接触点
As： 颗粒接触点的面积
A AS Aw
Aw： 孔隙水的断面积
a
a
u：孔隙水压力
a-a断面竖向力平衡：
A Psv uAw
Psv Aw u
AA
PS
PSV
(1) 静水条件 地下水位
H 1
1. 自重应力情况
σ’=σ-u =γH1+γsatH2-γwH2 =γH1+(γsat-γw)H2 =γH1+γ’H2
sat H 2
σ’=σ-u u=γwH2
H1 satH2
u=γwH2
地下水位下降引起σ’ 增大的部分
地下水位下降会引起 σ’增大，土会产生 压缩，这是城市抽水 引起地面沉降的主要 原因之一。
土的有效应力原理
南京工业大学 交通学院 孔玉侠
§5.1 土的有效应力原理
一.有效应力原理的基本概念
1. 饱和土中的应力形态 2. 饱和土的有效应力原理 3. 有效应力原理的意义
二.饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算
1. 自重应力情况 2. 附加应力情况
§5.1 土的有效应力原理
香港宝城滑坡
香港1900年建市，1977年成立土力工程署 1972 Po Shan 滑坡 (~ 20,000 m3) (67 死、20 伤)
故土粒本身压缩变形极小。 土因体而不孔会隙因水为压受力到对水变压形力也的没作有用直而接变的得影密响实，；σz=u=0.01MPa
104 m
对土颗粒间摩擦、凝聚力没有贡献，并且
水不能承受剪应力，因而孔隙水压力对土的 强度没有直接的影响。
σz=u=100MP1a3
§5.1 土的有效应力原理
一. 有效应力原理的基本概念
Terzaghi （1923） 有效应力原理 固结理论
土力学成为独立的学科
§5.1 土的有效应力原理 一、有效应力原理的基本概念
§5.1 土的有效应力原理
一. 有效应力原理的基本概念
孔隙流体
三相体系
土＝ 固体颗粒骨架
+ 孔隙水 + 孔隙气体
受外荷载作用
总应力
总应力由土骨架和孔隙流体共同承受
➢土骨架和孔隙流体如何分担总应力？ ➢它们如何传递和相互转化？ ➢它们对土的变形和强度有何影响？
土骨架承担 土骨架传递
有效应力σ’
Aw 1 A
'u
§5.1 土的有效应力原理
一. 有效应力原理的基本概念
'u
土体＝固体颗粒骨架＋孔隙流体
平面上法向总应力＝有效法向应力＋孔隙水压力
三者之间:
✓当总应力保持不变时,孔隙水压
力与有效应力可以相互转化
✓有效孔隙水压力减小等于有效应
力的等量增加
§5.1 土的有效应力原理
三轴应力状态
17
§5.1 土的有效应力原理
二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算
自重应力和附加应力的别？
人体比作土 顶碗比作外荷载
自重应力—人体自重 附加应力—碗对人体产生的 附加应力
顶碗加重后，头部感觉重量 增加明显，脚部感觉不明 显—应力扩散
§5.1 土的有效应力原理
二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算
原因：山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗导致强度进
一步大大降低，使得土体滑动剪应力超过土的强度，于是山坡
土体发生滑动。
3
§5.1 土的有效应力原理 地下水位下降导致地面沉降
§5.1 土的有效应力原理 美国Teton溃坝
概况： 土坝，高90m，长1000m， 建于1972-75年，1976年 6月失事
§5.1 土的有效应力原理 地震液化
原因：孔隙水的压力增加，土的抗剪强度降低
§5.1 土的有效应力原理
事故共同特点：和土中的水有关 作用在土体上的总应力如何分担？ 土骨架和孔隙水分别发挥什么作用？
§5.1 土的有效应力原理 太沙基与有效应力原理
土力学之父太沙基
1883年10月2日生于布拉格
1904年和1912年先后获得格拉茨工业大学的学士 和博士学位
损失： 直接8000万美元，起诉 5500起，2.5亿美元，死 14人，受灾2.5万人，60 万亩土地，32公里铁路
原因：渗透破坏－水力劈裂
/shows/modern-marvels/videos/engineering-disasters-teton-dam
1923年太沙基发表了渗透固结理论，第一次科学 地研究土体的固结过程，同时提出了土力学的一个 基本原理，即有效应力原理
1925年，他发表的世界上第一本土力学专著《建 立在土的物理学基础的土力学》被公认为是进入现 代土力学时代的标志
太沙基跌倒与有效应力原理的发现
Karl Terzaghi（1883～1963）
2. 饱和土的有效应力原理
（1）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分σ’和u，并且
'u
一般地， u
x
yx
xy y
xz
x
'
yz yx
xy y'
xz yz
u 0
0 u
0 0
zx
zy
z
zx
zy
z ' 0 0 u
通常,
总应力已知或易知 孔隙水压测定或算定
'u
15
§5.1 土的有效应力原理 二、饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算
§5.1 土的有效应力原理
二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算
1. 自重应力情况
2. 附加力情况
(1) 静水条件 地下水位 海洋土 毛细饱和区
(2) 稳定渗流条件
(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
有效应力
（2）土的变形与强度都只取决于有效应力
14
§5.1 土的有效应力原理
一. 有效应力原理的基本概念
3.有效应力原理的意义
✓阐明了碎散颗粒材料与连续固体材料在应力--应变 关系上的重大区别
✓是土力学区别于其他力学的一个重要原理，是土力 学成为一门独立学科的重要标志
✓土力学的“拱心石（key stone）” －－J.K. Mitchell
19
§5.1 土的有效应力原理