饱和土有效应力原理连载（科普版4）

连载（四）

饱和土有效应力原理解释现实生活中的现象

1 基础知识的学习

为了让读者清楚本论文上的名称，现对以后内容解释如下：

1）应力就是初中学习的压强，

2）法向就是竖直方向；

3）孔隙水压力实际就是孔隙水压强；

4）水土压力计算即水土压强计算，实际就是基坑侧向土压强和水压强的总和；

5）k₀为静止土压力系数即静止土压强系数，是土的侧向压强与竖直向下压强的比值；

6）土由土颗粒（固相）、水（液相）和气体（气相）三相组成，当土中所有孔隙被水填充（定义为饱和土），只有土颗粒和水二相；

7）饱和土中水有三部分：强结合水、弱结合水和自由水。当土颗粒中只有强结合水时，土还是固体；当土颗粒中含有强结合水和弱结合水时，土为塑性体，无水流出，弱结合水吸附在土颗粒表面；当土颗粒中还含有自由水时，水会从土中空隙流出，流出的水为自由水，也是以后内容所说的孔隙水。孔隙水与自由水是同一种水的不同名称而已（实际上土骨架为稳定骨架时孔隙中能流出的水为孔隙水；土骨架不稳定，但有压力时有水流出时的水为自由水）。

土颗粒：指含有不能传递静水压力的强结合水、弱结合水等的水颗粒的土颗粒组成的内部无孔隙水的不规则体。

8）初中有力平衡和压强平衡，都是针对同一个平面。压强=压力（即力）/面积。

9）给水度m：饱和的土壤或岩层在重力（解释：也可以是外力）作用下排出的水量（解释：自由水或孔隙水）与土壤或岩层体积的比值。

10）容重ϒ：单位体积的重量，kn/m³。

11）中和应力：对土体变形无影响的压强。

12）有效应力：总应力与中和应力的差值（实际上也可以说是对土体变形有影响的压强）。

13）孔隙水中和应力系数m₁：地层中孔隙水通道面积占整个截面面积的比值。m₁=m^2/3。

2 饱和土有效应力原理解释

饱和土有效应力原理：σ₁ =σ₁′+μ₁。σ₁是饱和土竖直方向总应力；平均水应力μ₁是孔隙水对孔隙面积的作用力在总截面上的平均应力，对土骨架无力的作用，是中和应力；土骨架应力σ₁′是土骨架重力、土骨架所受浮力和孔隙水压力在土骨架截面上的作用力的合力在截面上的平均应力，直接影响土骨架的变形，是有效应力。对于饱和土有效应力可以这样理解：在一个截面上，作用在土骨架上的力都是有效力，作用在孔隙中的力都是中和力，中和应力和有效应力都是在分析截面上的平均应力。

水土侧向压力计算公式：P_总=（k₀（ϒ_sat-ϒ_wm₁）+ ϒ_wm₁）h

3 饱和土有效应力原理解释实际生活中的现象

（1）砂层采用水土分算与实际值接近，粘土采用水土合算与实际值接近

根据水土侧向压力计算式P_总=（k₀（ϒ_sat-ϒ_wm₁）+ ϒ_wm₁）h可知，砂层给水度值较大，粘土给水度值非常小，所以会出现砂层可采用水土分算，粘土采用水土合算现象，但都不是理论计算，理论计算应采用饱和土有效应力原理计算。

（2）城市水位下降，地表发生沉陷

由连载（三）计算式可知，饱和土土骨架的合力F_合= F_重- ϒ_wh A(m₁-m)。

由于0<m<1，所以m₁>m。当为饱和土时，F_合< F_重；当土中无孔隙水时F_合=F_重。当城市水位下降后，截面上的有效应力增加，导致土骨架传递应力增加，土骨架产生变形，下沉。

（3）深海中不存在有孔隙的土

由连载（三）计算式可知，土骨架受到孔隙水压力的作用力F_水= ϒ_wh A（1-m₁），孔隙水压力对土骨架的应力为σ_水= ϒ_wh（1-m₁）。由于是深海，h值太大，孔隙水压力对土骨架的应力σ_水值很大，土颗粒间的粘结力无法承受σ_水值，土颗粒变形，全部变为一个一个的单一土颗粒，分散于深海中。蛟龙号载人潜水器现还不能潜到深海最深处也是这个道理，水压力为有效应力。

饱和土有效应力原理解释到现在我认为已经完全说清楚了，不再出连载了。感谢读者持续关注，如果有时间我将陆续推出盾构相关技术知识。