有效應力原理
關注創建者：匿名 創建時間：2021-07-29
有效應力原理的視頻教程
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有效應力原理的實例教程
奧地利學者Terzaghi在1923年發現土的變形不是由總應力決定的，而是取決于土體中的有效應力。
多孔介質的應力張量分為兩部分，固體骨架的應力 （非有效應力 ）和孔隙流體壓強。
多孔介質力學定義強調：
應力、應變以拉為正，應力、應變以壓為負，孔隙流體壓力以拉為正，孔隙體積增大（體脹）為正，體縮為負。
而土力學（巖土工程）則恰恰相反，強調：
應力、應變以壓為正，應力、應變以拉為負，孔隙流體壓力以壓為正。孔隙體積增大（體脹）為負。
張量形式：（黃茂松，2004，飽和多孔介質土動力學理論與數值解法）
根據Terzaghi有效應力原理可知：
多孔介質力學：（宋二祥，土力學理論與數值方法，P160）
（-20）=（-15）-（5） 總應力為20kPa壓應力，15kPa有效壓應力，5kPa孔壓。
土力學：（李廣信，高等土力學，P337）
15= 20-5 總應力為20kPa壓應力，15kPa有效壓應力，5kPa孔壓。
展開 ①有效應力
土體強度主要由土顆粒之間的法向應力決定的：
τ=c+σtanψ
飽和土體由土和水組成，而總應力也是由這2相承擔。孔隙中的水承擔的部分我們稱呼為孔隙水壓力，另外一部分土骨架承擔的部分我們稱呼為有效應力。土的抗剪強度是由有效應力決定的(水是流體，不耐剪)。
P=P'+(A-As)*u As為土顆粒接觸面積
同時除以A得，σ=σ'+(1-α)*u
如果α等于零，即最早太沙基提出的飽和土有效應力原理。
我們正常固結的飽和土中的孔隙水壓力為靜孔隙水壓力，在外荷載如地震等作用下會形成超孔隙水壓力。通常我們關心超孔隙水壓力的分布與消散，但在地震等瞬間發生的巨大外荷載作用下，超孔隙水壓力來不及消散（土的固結滲透是個漫長過程）。孔隙水壓力增大，有效應力減小，成液態狀-即土的液化。
②外力增量(鉛直增量Δσ1,水平增量Δσ3)下孔隙水壓力變化
大多土工問題常把主應力增量分成兩部分來考慮，①各項等壓增量(Δσ1+Δσ3)/2 ②偏差應力增量(Δσ1-Δσ3)/2。前者對應的孔隙水壓力增量為Uc，后者對應的孔隙水壓力增量為Us，總的孔隙水壓力增量為u=Uc+Us，那么Uc和Us與外力增量間有什么關系呢，接下來介紹兩個孔壓系數B和A(見推導)。
（圖中有點錯誤，最后Δu=B*Δσ）
即：Uc=B*(Δσ1+Δσ3)/2
對于飽和巖土，水壓縮系數很小，而土骨架壓縮系數很大，固對于飽和土體，B可以取1.
展開 可以說有效應力原理的提出和應用闡明了碎散顆粒材料與連續固體材料在應力關系上的重大區別，是使土力學成為一門獨立學科的重要標志。
有效應力原理的基本概念：一般處于地下水水位以下的土層或土中的含水量超過土能夠容納的程度即為和狀，飽和土是由固體顆粒構成的骨架和充滿其間的水組成的兩相體，受外力后由兩種應力形式承擔:一種是粒間應力受力由土骨架承擔，由顆粒之間的接觸傳遞；另一種是孔隙水壓力：受力由孔隙水承擔，由連通的孔隙水傳遞。有效應力原理要點：飽和土。
太沙基首次將有效應力原理內容歸納為兩點：飽和土體內任一平面上受到的總應力可分為有效應力和孔隙水壓力兩部分。這樣就明確了土的變形（壓縮）與強度的變化都取決于有效應力的變化。
首先，我們承認太沙基計算法是經典土力學方法。也是一種用數學計算土壓力的方法。在實際運用中產生的兩種結果。砂性土比較符合實際，粘性土與實際有不符的。造成這種差異的原因是土的結構不同，簡單地說，自然界的土層基本上都含水，粘性土中的水是水和土結合在一起的，砂性土水是各自分開的。這種狀態用統一公式計算，當然會產生計算結果不一樣。所以水土分開計算也好，水土分開也好都是一種計算方法問題。不是錯與對的問題。簡單的說：土的有效應力等于總應力減去孔隙水壓力；土的有效應力控制了土的變形。
地基土破壞形式有三種：即整體剪切破壞（一般發生在密實砂土中）、局部剪切破壞（一般發生在中等密砂中）和刺入破壞（一般發生在松砂中）。
太沙基關于飽和土的有效應力原理及基于有效應力原理的固結理論很好地解釋了海洋粘土受壓后長時間緩慢沉降及強度逐漸增長的內在原因及規律。自從太沙基明確了孔隙水壓力和有效應力的概念之后，才使土力學對許多自然界復雜現象的研究得以深入。并發展成為獨立的學科。大量的實踐已證明了有效應力原理的正確性。
展開 原則: (1)盡可能采用有效應力方法；(2)試驗條件盡量符合土體的實際受力和排水條件。
一. 兩種分析方法
有效應力法：計算過程中，采用有效應力進行分析，使用有效應力強度指標、
總應力法：計算過程中，采用總應力進行分析，使用總應力強度指標或、以土石壩邊坡穩定分析中的控制時期介紹兩種方法的應用。
二. 穩定滲流期土壩堤防抗滑安全系數
穩定滲流期壩體內形成穩定的滲透流網，如圖2.30所示。各點孔隙水壓力能夠確定，因此，原則上應該采用有效應力法分析。因為沒有一種實驗方法能夠模擬這種狀態下土體中的有效應力和孔隙水壓力分配。
展開 SLOPE_W軟件總應力法和有效應力法的應用.pdf
【E-V】瓏金礦尾礦壩DuncanChang非線性靜力計算分析.pdf
92-非飽和孔隙裂隙巖體邊坡穩定性評價.pdf
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有效應力原理的最新內容
張量形式：（黃茂松，2004，飽和多孔介質土動力學理論與數值解法）
根據Terzaghi有效應力原理可知：
多孔介質力學：（宋二祥，土力學理論與數值方法，P160）
（-20）=（-15）-（5） 總應力為20kPa壓應力，15kPa有效壓應力，5kPa孔壓。
此過程以太沙基提出的有效應力原理為基礎，如式(3)。式中α為有效應力系數即Biot系數，p為孔隙壓力。太沙基的有效應力方程是針對單孔隙提出的，而對于像煤層這些雙重孔隙/裂隙介質的多孔介質而言，需要作出一些修正，如式(4)。式(4)中考慮了基質中孔壓與裂隙中孔壓對有效應力的影響。對于流固耦合問題，便是討論有效應力下的變形控制方程，這樣便考慮到孔壓對固體變形的影響。
從土的變形特性的角度，土力學的發展是否可以分為四個階段：
第一階段：e-p曲線
有效應力原理是土力學的基石，主要是研究飽和土中土骨架與土中水的應力轉換，認為控制土體強度的主要是土骨架的有效應力，然后對于土的沉降，也認為主要是土中水的排出而引起的壓縮固結沉降，因而把地基的沉降主要看作為一維壓縮沉降，從而研究土的孔隙比e與壓力p的關系，通過一維壓縮試驗確定e-p曲線，主要是用于計算土的壓縮沉降
通過均勻化方法使用Python腳本從細觀尺度得到材料宏觀的等效模量
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具體腳本使用方法及理論介紹詳見視頻教程
有效應力原理成了土力學區別于一般材料力學的主要標志，在土工計算中產生了總應力法和有效應力法兩種原理和方法。在飽和土中，由于孔隙水壓力的增長和消散，不同的加荷速率地基承載力不同；是否及時支撐，對軟土基坑穩定有不同的表現；滲透系數和地層組合的差別, 導致基礎沉降速率的差別等等。飽和土中的超靜水壓力可導致擠土效應，使樁被擠斷、擠歪和上浮；地震時的超靜水壓力導致砂土和粉土液化。
新書譯者、同濟大學朱合華教授這樣寫道：“在學習中，我們從《土力學》教材中第一次知道了卡爾·太沙基這個名字，知道了有效應力原理、一維固結理論、流網理論、地基承載力理論、土壓力理論等，進而又閱讀了太沙基的諸多論文和著作，深感土力學的科學嚴謹和太沙基的創造性；工作中，我們進一步體會了太沙基‘科學和藝術’的論斷，對其提出的‘觀察法’敬而廣之，借助新時期信息化的技術手段，拓展了對巖土體的觀察和認知，形成了數字化巖土工程
太沙基關于飽和土的有效應力原理及基于有效應力原理的固結理論很好地解釋了海洋粘土受壓后長時間緩慢沉降及強度逐漸增長的內在原因及規律。自從太沙基明確了孔隙水壓力和有效應力的概念之后，才使土力學對許多自然界復雜現象的研究得以深入。并發展成為獨立的學科。大量的實踐已證明了有效應力原理的正確性。
樹脂流動-壓實行為可被視做多孔介質飽和流問題，基于Darcy定律和有效應力原理可推導出其控制方程。
復合材料的熱脹冷縮效應、樹脂化學收縮效應及模具作用等是構件內部產生殘余應力的主要因素。此過程中用到的子程序主要有Uexpan和Umat。
Uexpan子程序簡介
Uexpan子程序通常用于實現變化的熱膨脹系數。
由于將固體骨架與孔隙流體的滲透同步考慮，不僅需滿足平衡方程，物理方程和幾何方程，還需考慮有效應力原理和連續方程，必要時進行考慮滲流場、應力場、溫度場、化學場等多場耦合的分析。
地球表面很大一部分處于干旱或半干旱地帶，因此，工程中遇到的土大多數處于非飽和狀態，濕陷性黃土、膨脹土、熱帶殘積土和人工填土等都是典型的非飽和土。
通常情況下，大多數文獻所給出的地應力為總應力（根據有效應力原理可知），而我們在ABAQUS軟件中所要輸入的時有效應力。這是由于我們再輸入材料屬性時沉積物密度要輸入干密度，而輸入地應力時要按照浮密度計算所決定的。
