地基土有效應(yīng)力原理淺析

白宏濤 楊麗琛 陶健

摘要：很多工程師將土的有效應(yīng)力簡單地理解為土的自重應(yīng)力扣除水浮力，直接采用浮重度計(jì)算，概念不清，且在復(fù)雜的地質(zhì)條件下計(jì)算并不準(zhǔn)確，本文簡單的介紹地基土的有效應(yīng)力原理，并通過簡單算例說明靜水條件下土有效應(yīng)力的計(jì)算方法和有穩(wěn)定滲流時(shí)土有效應(yīng)力的變化。

關(guān)鍵詞：有效應(yīng)力 孔隙水壓力 穩(wěn)定滲流

1 土的有效應(yīng)力原理

土是一種由三相物質(zhì)構(gòu)成的碎散材料，土的體積變化（壓縮變形）和抗剪強(qiáng)度變化并不直接取決于土體所受到的總應(yīng)力，而是取決于土的有效應(yīng)力。

飽和土是由固體顆粒構(gòu)成的骨架和充滿顆粒間孔隙的水組成的兩相體，當(dāng)外力作用于土體后，一部分力由土骨架承擔(dān)，通過土骨架顆粒間的接觸面?zhèn)鬟f，稱為粒間力；另一部分由孔隙中的水來承擔(dān)，水不能承擔(dān)剪應(yīng)力，但能承受各向等壓的法向應(yīng)力，并可以通過連通的孔隙水傳遞，稱為孔隙水壓力。有效應(yīng)力原理就是研究飽和土中這兩種應(yīng)力的不同性質(zhì)和它們與總應(yīng)力的關(guān)系。

太沙基提出了土的有效應(yīng)力原理，其主要內(nèi)容是：飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力可分為有效應(yīng)力和孔隙水壓力兩部分，分別由土骨架和孔隙水來承擔(dān)。

2 兩種靜水條件下土有效應(yīng)力的計(jì)算

2.1 如圖1所示，M點(diǎn)在靜地下水位以下H2處，其總自重應(yīng)力為σz=γH1+γsatH2，孔隙水壓力為u=γwH2，M點(diǎn)有效自重應(yīng)力為：

2.2 如圖2所示，地面以上有深度為H1的靜水，M點(diǎn)的總自重應(yīng)力為σz=γwH1+γsatH2，孔隙水壓力為u=γw（H1+H2），根據(jù)有效應(yīng)力原理，M點(diǎn)有效自重應(yīng)力為：

3 有穩(wěn)定滲流時(shí)土有效應(yīng)力的變化

近年來由于大量開采地下水，使很多地區(qū)的地下水分布呈十分復(fù)雜的狀態(tài)，形成多層地下水，并且各層地下水間還有豎向滲流發(fā)生，本文通過算例簡單分析當(dāng)土中發(fā)生向上或向下的穩(wěn)定滲流時(shí)，土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計(jì)算。

3.1 如圖3所示，為厚度H的飽和黏性土層，地下水位于黏性土層表面，其下為砂層，砂層中有承壓水，在黏土層與砂層的界面A處安裝一測壓管，測壓管內(nèi)穩(wěn)定水位高出黏性土層表面Δh，因此，黏性土層中將發(fā)生向上的穩(wěn)定滲流，此時(shí)，A點(diǎn)的總自重應(yīng)力σz=γsatH，A點(diǎn)的孔隙水壓力u=γw（H+Δh）=γwH+γwΔh，A點(diǎn)的有效應(yīng)力為：

與靜水條件下的σz′相比較可知，在發(fā)生向上滲流時(shí)，孔隙水壓力u增加了γwΔh，土的有效應(yīng)力則減少了γwΔh，因?yàn)橛行?yīng)力是土骨架承擔(dān)的土顆粒接觸點(diǎn)傳遞的應(yīng)力，在發(fā)生向上滲流時(shí)，土骨架受到向上的滲透力作用，因此有效應(yīng)力較靜水條件下減少了滲透力γwΔh。

3.2 如圖4所示，Δh為測壓管內(nèi)穩(wěn)定水位低于黏性土表面的高度，黏性土層中將發(fā)生向下的穩(wěn)定滲流，此時(shí)，A點(diǎn)的總自重應(yīng)力σz=γsatH，A點(diǎn)的孔隙水壓力u=γw（H-Δh）=γwH-γwΔh，A點(diǎn)的有效應(yīng)力為：

與靜水條件下的σz′相比較可知，在發(fā)生向下滲流時(shí)，將使土的有效應(yīng)力增加γwΔH，同樣，因?yàn)橥凉羌苁艿较蛳碌臐B透力作用，因此有效應(yīng)力較靜水條件下增加了滲透力γwΔH。

4 結(jié)語

4.1 在地下水位以下的土體中，計(jì)算飽和土的有效應(yīng)力時(shí)，應(yīng)先計(jì)算土的總應(yīng)力和孔隙水壓力，然后根據(jù)有效應(yīng)力原理計(jì)算土的有效應(yīng)力，這種方法較直接采用浮重度γ′計(jì)算，過程更清晰，準(zhǔn)確，不易出錯(cuò)。

4.2 目前工程上較為常見的由于人工抽水等原因造成地下水位下降，這將使地基土的有效應(yīng)力增加，土體壓縮，變形增大，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視。

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