谈有效应力原理和现实中的相关现象
但现实生活中不是这样的。土块在深海中要被压成一个个的土颗粒，因为水压造成了土块的变形；人不能潜入很深的水中，因为水压会对你造成伤害；一块10Mpa强度的卵石在20Mpa的水压中也要变形，因为水对卵石有压力，造成了卵石的粉碎；深海中无土块，也是这个道理。因此，太沙基有效应力原理是存在问题的，应该由优化的新饱和土有效应力原理代替，让理论土力学更“理论”。
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谈有效应力原理与有效应力的计算
王国义，蒋宗全
（中电建成都建设投资有限公司 四川 成都 610212）
摘 要：笔者通过引入岩土给水度参数，基于力的平衡原理推导出一个新的有效应力原理公式，实现了水土压力的统一计算。通过对深海中岩土的有效应力进行分析，指出孔隙水压力的一部分或全部也是有效应力的一部分。通过试验分析，指出黏性土中的弱结合水在压力状态下可以转化为自由水，此时应将转化的自由水看作孔隙水，并传递静水压力，未转化为自由水的弱结合水，不传递静水压力，应看作土骨架的一部分。黏性土在不同压力条件下的给水度值可通过实验测量、计算。希望能对理论土力学的发展和水土压力计算有所帮助。
关键词：给水度；新有效应力原理；统一计算；有效应力；弱结合水；压力状态；转化
【中图分类号】U451 文献标识码：A 文章编号：
Principle of effective stress and calculation of effective stress
Wang Guoyi，Jiang Zongquan
（PowerChina Chengdu Construction Investment Co. Ltd, Chengdu, Sichuan 610212)
Abstract: Based on the principle of force balance, a new formula of effective stress principle is derived by introducing the water yield parameter of rock and soil to realize the unified calculation of water and soil pressure. By analyzing the effective stress of rock and soil in deep sea, it is pointed out that part or all of pore water pressure is also a part of effective stress. Through experimental analysis, it is pointed out that weak cohesive water in cohesive soil can be transformed into free water under pressure. At this time, the transformed free water should be regarded as pore water and transfer hydrostatic pressure. Weak cohesive water not transformed into free water and not transfer hydrostatic pressure should be regarded as part of soil skeleton. The water yield of cohesive soil under different pressure conditions can be measured and calculated by experiment. It is hoped to be helpful to the development of theoretical soil mechanics and the calculation of soil and water pressure.
Key words: water yield; new effective stress principle; unified calculation; effective stress; weak binding water; pressure state; conversion.
0 引言
太沙基有效应力原理[1]自从提出以来，由于有效应力原理在黏性土上的不适应性，越来越多的专家、学者对其正确性提出质疑，并提出自己的观点，希望能达到“水土分算”与“水土合算”的统一计算。支持太沙基有效应力原理的专家、学者对太沙基有效应力原理提出质疑者进行了反驳，并坚持太沙基有效应力原理的正确性。太沙基有效应力原理的质疑者和支持者都不能说服对方，导致争论不断。笔者[2～5]通过对岩土水平截面的力平衡原理，通过引入岩土给水度参数，推导出一个新的有效应力原理公式，实现了水土压力的统一计算。
通过对深海岩土的有效应力进行分析，提出孔隙水压力的一部分或全部也是有效应力的一部分或全部，这也是深海岩土无土骨架只有一个个土颗粒的原因。通过试验分析，饱和黏性土中的自由水可传递静水压力，弱结合水不传递静水压力。当饱和黏性土中压力较大时，无压状态下的弱结合水将转化为自由水，弱结合水含量降低，甚至无弱结合水，自由水含量增加。
1 新有效应力原理
笔者[2] 定义了土骨架中的一种“土颗粒“：将不能传递静水压力的强结合水、弱结水等的水颗粒与土颗粒组成的内部无孔隙水相通的不规则体看作“土颗粒”。这样土骨架由一个个的真正土颗粒和一个个的“土颗粒“组成。通过对饱和岩土的水平截面进行分析，通过力平衡原理推导出一个新有效应力原理公式：
新有效应力原理中的水应力（中和应力）是孔隙水压力产生的作用力在水平截面上的平均水应力，土骨架应力（有效应力）是土骨架之间传递的竖向力（土的浮容重产生的力）在水平面积上的平均应力。
通过新有效应力原理可计算饱和岩土静止侧向水土压力。设基坑侧向水土总压力为σ总，静止土压力侧向系数为k0，则：
由于不同饱和岩土有不同的给水度值，砂的给水度值相对较大，黏性土的给水度值很小。由式（4）可知在同种条件下不同岩土计算出来的侧向水土压力不同，比“水土分算值”小，比“水土合算”值大，与现场实际情况更相符。此新饱和土有效应力原理公式如果正确，实现了水土压力的统一计算。实际上此公式也适用于非饱和岩土和所有宏观上均质的材料（如饱和岩石、混凝土等）。
2 有效应力分析
现对有效应力原理的有效应力进行分析。如图1，假设海深h为11000米，海水容重ϒ水为10.4Kn/m3,深海下是裂隙砂岩，抗压强度P为10MPa，给水度m为0.05，饱和容重ϒ饱和为25 Kn/m3。现对深海下埋深h1为1米的砂岩的有效应力进行分析。设ab水平截面面积A为1m3。
图1 裂隙砂岩截面示意图
1）新有效应力原理的有效应力
由式（5）、式（7）计算值可知，在此种条件下新有效应力原理计算的有效应力远远大于太沙基有效应力原理计算的有效应力，由于σ1′值也远大于裂隙砂岩的抗压强度P，因此此种条件下裂隙砂岩在深海中土骨架将产生变形，被孔隙水压力挤压成一个个独立的土颗粒。如果按照太沙基有效应力原理计算的有效应力值，此种条件下裂隙砂岩在深海中土骨架不会产生变形。深海中实际上是无土骨架的，只有一个个的土颗粒，与新有效应力原理计算结果一致。实际上如果将碎石投入深海中，碎石的抗压强度低于水压时，碎石也将被海水水压挤压成一个个更小的颗粒。如果将土骨架变形定义为有效应力的作用结果，那么作用在土骨架上的力（土颗粒传递力和孔隙水压力产生的力）产生的应力都是有效应力。孔隙水压力的一部分或全部也是有效应力的一部分。
3 黏性土结合水与自由水之间的关系
低于液限的塑性黏性土在常压下是无水渗出的（如图2），说明在此条件下是无自由水（重力水）的，如果有自由水，应该渗出才对。
图2 塑性黏性土
但当对塑性黏性土加压时，产生自由水水压（如图3），如果排水，将有水渗出，随着压力的增大，渗出的水量越多，此时渗出的水应该是自由水。此试验可以证明黏性土在加压状态下弱结合水是可以转化为自由水的，随着压力的增加，弱结合水逐渐减少，甚至可达到无弱结合水的情况。黏性土中弱结合水的含量实际上决定了黏性土的强度。因此，可通过对饱和黏性土加压至指定压力，最终渗出的自由水量与原饱和黏性土的体积比就是此压力下的饱和黏性土的给水度。
综上所述，当在有压状态下黏性土中的弱结合水可转化为自由水，转化的自由水要传递静水压力。
图3 塑性黏性土加压产生自由水水压图
4 结论
1）引入岩土给水度参数，通过力平衡原理，推导出了新有效应力原理，实现了水土压力的统一计算。
2）作用在土骨架上的力（土颗粒传递力和孔隙水压力作用力）产生的应力是有效应力，有效应力增加可直接造成岩土变形。
3）在加压状态下常压下的弱结合水可转化为传递静水压力的自由水。
4）通过对饱和黏性土加压至指定压力，最终渗出的自由水量与原饱和黏性土的体积比就是此压力下的饱和黏性土的给水度。
参考文献：
[1] 美 太沙基.理论土力学[J].徐志英.北京：地质出版社，1960 .
[2] 王国义，蒋宗全. 饱和土有效应力原理下的水土压分算和合算的统一计算[J].山西建筑，2020，46（11）：4-7.
[3] 王国义，蒋宗全. 谈太沙基有效应力原理的是是非非[J].隧道建设（中英文），2020，40（增刊2）：45-49.
[4] 王国义，蒋宗全. 再谈新饱和土应力原理与水土压力的统一计算[J].现代隧道技术，2020，57（增刊1）：302-305.
[5] 王国义. 新饱和土有效应力原理下的地下建筑浮力计算 [J].山西建筑，2021，47（6）：62-64.