Эффективное напряжение можно определить как напряжение, зависящее от приложенного натяжения и порового давления , которое контролирует деформационное или прочностное поведение почвы и скалы (или общего пористого тела) для любого значения порового давления или, другими словами, напряжение, которое приложено к сухому пористому телу (т. е. при ), обеспечивает такое же деформационное или прочностное поведение, которое наблюдается при ≠ 0. [1] В случае зернистых сред его можно рассматривать как силу , которая удерживает совокупность частиц жесткой. Обычно это относится к песку , почве или гравию , а также к любому виду скальных пород и нескольким другим пористым материалам, таким как бетон, металлические порошки, биологические ткани и т. д. [1] Полезность соответствующей формулировки ESP заключается в том, что она позволяет оценить поведение пористого тела для любого значения порового давления на основе экспериментов с использованием сухих образцов (т. е. проводимых при нулевом поровом давлении).
Карл фон Терцаги впервые предложил соотношение для эффективного напряжения в 1925 году. [2] [3] [4] Для него термин «эффективное» означал расчетное напряжение , которое было эффективным при перемещении почвы или вызывании смещений. Его часто интерпретировали как среднее напряжение, переносимое скелетом почвы. [5] Впоследствии были предложены различные формулировки для эффективного напряжения. Морис Био полностью разработал трехмерную теорию консолидации почвы , расширив одномерную модель, ранее разработанную Терцаги, до более общих гипотез и введя набор основных уравнений пороупругости . Алек Скемптон в своей работе в 1960 году [5] провел обширный обзор имеющихся формулировок и экспериментальных данных в литературе об эффективном напряжении, действительном в почве, бетоне и скале, чтобы отвергнуть некоторые из этих выражений, а также прояснить, какое выражение было уместным в соответствии с несколькими рабочими гипотезами, такими как поведение напряжения-деформации или прочности, насыщенные или ненасыщенные среды, поведение скалы/бетона или почвы и т. д.
В 1962 году Джереми Дженнингс и Джон Берланд в своей работе исследовали применимость принципа эффективного напряжения Терцаги к частично насыщенным почвам . [6] Благодаря серии экспериментов, проведенных в Университете Витватерсранда , включая одометрические и компрессионные испытания на различных типах почв, они показали, что поведение, такое как изменение объема и прочность на сдвиг в частично насыщенных почвах, не согласуется с прогнозами, основанными только на изменении эффективного напряжения. Их выводы показали, что структурные изменения, вызванные дефицитом давления, ведут себя иначе, чем изменения, вызванные приложенным напряжением. [7] [8] [9] [6]
Эффективное напряжение (σ'), действующее на грунт, рассчитывается на основе двух параметров: общего напряжения (σ) и давления поровой воды (u) по формуле:
Обычно для простых примеров
Подобно самой концепции напряжения, формула представляет собой конструкцию для более легкой визуализации сил, действующих на массу грунта, особенно простых моделей анализа устойчивости склона , включающих плоскость скольжения. [10] В этих моделях важно знать общий вес грунта выше (включая воду) и давление поровой воды в плоскости скольжения, предполагая, что она действует как ограниченный слой. [ требуется ссылка ]
Однако формула становится запутанной, если учесть истинное поведение частиц почвы в различных измеряемых условиях, поскольку ни один из параметров на самом деле не оказывает независимого воздействия на частицы. [ необходима цитата ]
Рассмотрим группу круглых зерен кварцевого песка, сложенных внахлест, в классическом расположении «пушечного ядра». Как можно видеть, существует контактное напряжение, где сферы фактически соприкасаются. Навалите больше сфер, и контактные напряжения возрастут, вплоть до того, что вызовут фрикционную неустойчивость (динамическое трение ) и, возможно, разрушение. Независимым параметром, влияющим на контакты (как нормальные, так и сдвиговые), является сила сфер выше. Ее можно рассчитать, используя общую среднюю плотность сфер и высоту сфер выше. [ необходима цитата ]
Если затем поместить эти сферы в стакан и добавить немного воды, они начнут немного плавать в зависимости от их плотности ( плавучести ). С природными почвенными материалами эффект может быть значительным, как может подтвердить любой, кто поднимал большой камень из озера. Контактное напряжение на сферах уменьшается по мере того, как стакан заполняется доверху сфер, но затем ничего не меняется, если добавить больше воды. Хотя давление воды между сферами (поровое давление воды) увеличивается, эффективное напряжение остается прежним, потому что концепция «общего напряжения» включает вес всей воды выше. Вот где уравнение может стать запутанным, и эффективное напряжение можно рассчитать, используя плавучую плотность сфер (почвы) и высоту почвы выше. [ необходима цитата ]
Концепция эффективного напряжения действительно становится интересной, когда имеешь дело с негидростатическим давлением поровой воды. В условиях градиента порового давления грунтовые воды текут в соответствии с уравнением проницаемости ( законом Дарси ). Используя наши сферы в качестве модели, это то же самое, что и закачивание (или изъятие) воды между сферами. Если вода закачивается, сила просачивания действует, чтобы разделить сферы и уменьшить эффективное напряжение. Таким образом, масса почвы становится слабее. Если вода изымается, сферы прижимаются друг к другу, и эффективное напряжение увеличивается. [11]
Две крайности этого эффекта — зыбучие пески , где градиент грунтовых вод и сила просачивания действуют против силы тяжести ; и «эффект песчаного замка» [12] , где дренаж воды и капиллярное действие действуют для укрепления песка. Кроме того, эффективное напряжение играет важную роль в устойчивости склона и других проблемах геотехнической инженерии и инженерной геологии , таких как просадка, связанная с грунтовыми водами .
