淺談有效應力原理的應用

（西南交通大學峨眉校區土木工程系，四川，樂山，614202）

【摘要】有效應力原理在土力學中占有相當重要的地位，它的提出使土力學逐漸發展成為一門獨立的學科，貫穿著土力學的始終。它在邊坡穩定性問題、支擋結構的土壓力、軟土地基的處理、沙土的地震液化等問題上都有著廣泛的應用，很好的解釋了這些問題。

【關鍵詞】有效應力；孔隙水；應用

1 關于有效應力原理的概念

土體是非線性的彈塑性體，由固態、液態、氣態三相組成，其中固體顆粒占有主要部分，他們形成了有孔隙的骨架結構。骨架中含有孔隙水，孔隙水所承擔的壓力為孔隙水壓力，它是一種中性力。作用在骨架單位面積上的應力為有效應力，是一種面積力。土體重力，水壓力，外荷載作用力三者之和為總應力。依據太沙基有效應力原理，有效應力為作用在飽和土體上的總應力與孔隙水壓力之差。即：有效應力=總應力-孔隙水壓力。而土體的強度和土的變形主要取決于有效應力，而并非總應力，二者不能混淆。

2 有效應力原理的應用

2.1邊坡穩定性問題

由于自然或人為因素的作用，破壞了原有的穩定土坡的力學平衡時，土體將沿著某一滑面發生滑動，工程中的這一現象為滑坡。

邊坡穩定性主要是由土的抗剪強度決定的。土的抗剪能力越強，邊坡就越穩定。抗剪強度的指標在用總應力來表示時有三組，而在用有效應力表示時只有一組。即土的抗剪強度與有效應力一一對應，所以邊坡穩定性的強弱是由粘土地基中的有效應力大小決定的。

在施工過程中，若不計水的排出，填土荷載全部由孔隙水壓力承擔，隨著深度的增加，超孔隙水壓力不斷增大，總應力不斷增大，而剪力強度和有效應力均保持不變。隨著時間的推移，超孔隙水壓力不斷消散，抗剪強度和有效應力不斷增強。因此，邊坡穩定性隨著時間的推移而逐步增大。所以對于邊坡穩定性，要考慮到一段時間后邊坡的有效應力增大時是否還能保持穩定。必要時可以采取加固措施。常用的增強邊坡穩定措施有如下兩種方法：（1）減載加重。此方法從簡算的基本原理出發，減小下滑力和滑動力矩，增大抗滑力和抗滑力矩，從而提高土坡的穩定性（2）增強排水措施。排水分兩部分，一是排除地下水，滑動土體內的流動水產生下滑力，使含水層的土質變差，甚至發生管涌現象。二是調節和排出地表水，防止水流對土坡的侵蝕和沖刷。

2.2支擋結構的土壓力

擋土墻上的土壓力受到滲流作用的影響，從而產生滲透力。滲透力是體積力，可以和重度一起合成總的體積力，進而影響土骨架的有效應力。

如圖所示，支擋結構左側土體的滲流方向向下，增大了土體的有效應力，從而增大了導致結構向右滑動的側向壓力。另一方面，支擋結構物右側土體中滲流方向向上，減小了有

效應力，從而減小了抵抗結構物向右滑動的側向壓力。所以對 支擋結構會產生不利的影響。

3 對軟土地基的處理

軟土地基孔隙比大，含水量高，壓縮性高，強度低，滲透性差，在外荷載作用下，會產生很大的附加壓縮變形，所以往往需要處理，否則就會出現較大沉降，穩定性差等問題。其主要是外荷載作用下地基中孔隙水壓力消散，有效應力增長的過程。

對于軟土地基的處理目前最常用的是排水固結法。排水固結法由兩部分組成：排水系統和加壓系統。排水系統的作用是增加孔隙水排水出路，縮短距離。加壓系統作用是使土的有效應力增加而產生固結。二者緊密聯系，缺一不可。若只排水不加壓，則孔隙中的水沒有壓力差，沒有排水的動力，所以水不能正常排出。若只有加壓系統而沒有排水系統，則水沒有排出去的通道，水也不能正常排出，土的強度不能及時提高，加載不能順利完成。加固的原理是隨著超靜止孔隙水壓力的逐步消散，有效應力逐步提高，地基抗剪強度逐漸增強。

4 沙土地震液化問題

沙土的地震液化問題是有效應力原理的應用。振動壓實的沙土層具有較高的抗震液化能力，砂土層的相對密實度越大，抗液化能力就越強。主要原因在于壓實的沙土層在震載的作用下具有顯著的剪脹趨勢，因此會產生負的孔隙水壓力，使沙土的有效應力增大，抗剪強度增強。

另外對于大多數的潤滑問題也與有效應力原理有關。如機器加油也是利用孔隙油壓，減少有效應力和摩擦阻力來達到潤滑。

結語

有效應力原理是土力學的核心知識，把土力學有機的結合起來。其應用也較為廣泛，有利有弊，我們應該正確看待有效應力原理的應用，掌握其原理加深對它的了解，對其產生的不利影響進行積極的治理。提高自己的理論聯系實際的能力。

參考文獻

[1]馬建林 土力學 （第三版）[M] 北京中國鐵道出版社 2011

[2]邵龍潭 土力學研究與探索 [M] 北京 科學出版社 2011

[3]陳希哲 土力學地基基礎[M] 北京 清華大學出版社 2004

[4]方玉書 土的有效應力原理相關問題分析[J]巖土工程界 2009

[5]劉成宇 西南交通大學[M]北京 中國鐵道出版社 2009