论有效应力原理与有效应力

有效应力原理是土力学区别于一般固体力学的基础,是土力学的核心基石。Terzaghi有效应力原理从提出至今就一直饱受争议,特别是有关Terzaghi有效应力的近似性问题是争议的焦点。从有效应力原理的任务出发,阐明有效应力原理的内涵是土体可量测荷载效应—外荷载间的一般规律。指出有效应力的作用是联接土体强度、变形等可量测荷载效应与外荷载间的纽带,定义对土体强度特性和变形行为等可量测荷载效应产生直接影响的土体应力为有效应力,因此,有效应力不是唯一的,它们是土体中真实存在应力的名义表述,可以依据应力平衡原理和流体压力与土颗粒间的相互作用关系给出,不同的有效应力定义就对应不同的有效应力计算公式,从而解释了Terzaghi有效应力原理近似性的原因。提出了强度相关有效应力和变形相关有效应力（Terzaghi有效应力）的概念,严格推导了他们的计算表达式,阐述了强度相关有效应力与土体剪切强度、变形相关有效应力与土体变形的一般关系。进一步,基于莫尔库仑强度准则,推导了土体抗剪强度与Terzaghi有效应力和孔压的关系。

非饱和土的有效应力探讨

由于非饱和土强度季节性变化,缺失统一的非饱和土有效应力公式而无法准确预警预防,导致非饱和土堆土、边坡出现滑坡、塌陷等诸多问题,基于Terzaghi的有效应力理论和土力学三相介质原理,推导得到非饱和土土颗粒之间的相互作用力,建立了非饱和土的有效应力公式.在此基础上,分别考虑应变功与能量守恒原理、非饱和土气水运移和受力平衡等不同情形,进一步论证了该非饱和土有效应力公式的科学性,同时利用不同的非饱和土剪切强度试验数据对这一有效应力公式进行计算验证,证明了其正确性和有效性.研究结果表明,所建立的非饱和土有效应力公式可适用于饱和土和非饱和土,并便于相关工程的设计和灾变防治应用.

非饱和黏性土的广义有效应力三剪弹塑性本构模型

将非饱和土广义有效应力原理与三剪强度准则相结合,提出了非饱和土广义有效应力三剪强度准则。将所提准则作为破坏准则,分别采用等量代换法和坐标平移法推导出新的破坏应力比,并将其与非饱和土修正剑桥模型相结合得到了新的屈服函数。相比于原来修正剑桥模型中的破坏应力比为定值,新的屈服函数可以更好地反应土体全应力状态、中间主应力效应和拉压不等效应。在弹塑性理论的框架下,建立了非饱和土的广义有效应力三剪弹塑性本构模型。以江西正常固结非饱和重塑红黏土作为试验研究对象,进行室内土工试验、土水特征曲线试验、压缩回弹试验、非饱和土常规三轴固结排水试验。将该本构模型计算结果与非饱和土三轴固结排水试验结果进行对比验证。结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了该本构模型的正确性。在轴向应变较小时,等量代换法和坐标平移法模拟结果比较接近,随着轴向应变增大直至偏应力达到平稳状态的过程中,等量代换法计算结果要大于坐标平移法计算结果,且更接近于试验值。真三轴计算预测结果表明:在固结排水条件下,初始压实度、净围压、基质吸力相同,中间主应力影响系数越大,则剪应力和体应变越大。b值相同的情况下,轴向应变较小时,等量代换法计算结果和坐标平移法计算结果比较接近,随着轴向应变的增大,二者之间的差值也越来越大。

对多孔介质双重有效应力理论的讨论

李传亮先生提出的双重有效应力理论认为,受挤压的多孔介质承受两种应力,即本体有效应力和结构有效应力,二者分别决定多孔介质的本体变形和结构变形。针对上述理论,采用力学分析的方法研究了多孔介质变形的机理。结果表明,多孔介质的本体变形实质为弹性变形,它并不取决于本体有效应力,而取决于外加应力、粒间接触应力、流体压力的大小及其分布;多孔介质的结构变形并不取决于结构有效应力,而取决于外加应力、粒间接触应力、流体压力、粒间摩擦应力、粒间黏着应力的大小及其分布。显然,"双重有效应力"的作用被夸大了。

围压对低渗砂岩渗透率有效应力系数的影响

多孔岩石渗透率有效应力系数的取值至今仍没有一致的认识,影响取值的因素较为复杂.为了探索围压对低渗砂岩渗透率有效应力系数的影响,实验上采用较大的围压范围(10MPa～50MPa),选取两块低渗致密砂岩岩样,进行渗透率测试,并利用二元线性回归方法,计算了不同围压组合下的渗透率有效应力系数值,获取了该系数随围压的变化趋势.实验中,两块岩样的渗透率有效应力系数随围压的增加而减小,但各自的减小趋势略有不同.利用Bernabé和Berryman提出的模型,理论上解释了围压对渗透率有效应力系数的影响,并得到渗透率有效应力系数的下限值为岩样孔隙度.尽管渗透率有效应力系数不是一个常数,但可以表示为压差的函数,进而起到简化分析的作用.

一维向上渗流作用下多层地基有效应力性状研究

研究了一维向上渗流作用下多层地基有效应力的计算问题,推导了有效应力的计算公式,讨论了有效应力性状。定义了渗流有效应力的概念。渗流作用下土层有效应力由两部分组成:一部分是自重有效应力,它由重力引起,体现了静水压力的影响;另一部分是渗透有效应力,由土层水头差产生,体现超静水压力的影响。一维向上渗流作用使土层的有效应力减小。一维向上渗流作用下多层地基有效应力沿土层厚度呈线性分布,在土层层面处发生转折。多层地基有效应力计算的关键是确定土层层面处的有效应力,而确定土层层面处的有效应力的关键是计算各土层的水头差。文后给出了实例计算。

双层地基渗流作用下有效应力性状研究

研究了一维向上渗流作用下双层地基有效应力的计算问题 ,推导了有效应力的计算公式 ,讨论了有效应力性状。渗流作用下土层有效应力由两部分组成 :一部分是自重有效应力 ,由重力引起的 ,体现了静水压力的影响 ;另一部分是渗透有效应力 ,是由土层水头差产生的 ,体现超静水压力的影响 。

有效应力恢复条件下水力压裂后煤层气分区渗流特征

目前煤层气单井主要通过水力压裂技术来提高产量,但水力压裂技术会导致煤层裂缝出现分区现象,在有效应力作用下不同裂缝分区的渗流特征将直接影响煤层气抽采效果。为了更好地研究有效应力对不同裂缝分区渗流特征的影响,以沁水盆地煤样为例,设计了完整煤样、微裂缝煤样和贯穿裂缝煤样的串、并联多腔体试验方法,分析了水力压裂后煤层气的横向沿区渗流和纵向跨区渗流,构建了有效应力影响下的不同损伤煤岩体串、并联渗透率模型,分析了有效应力恢复过程中水力压裂不同致裂分区的渗流特征,并预测了不同致裂深度和扰动范围下的煤层总体渗透性。研究结果表明:(1)随着有效应力的恢复,串、并联试验的总流量均呈现负指数形式的衰退;(2)在并联试验中,穿过完整煤样的流量占比极少,随着有效应力的恢复,穿过微裂缝煤样的流量占比逐渐增加,而贯穿裂缝煤样的流量逐渐减小,并逐渐趋于相等;(3)纵向渗流总渗透率小于横向渗流,纵向渗流总渗透性的变化受完整煤样的渗透性影响较大,而横向渗流总渗透性取决于贯穿裂缝煤样渗透性;(4)基于横纵向渗透率的大小,可以将煤层气产期曲线划分为单峰型与双峰型。结论认为,提高水力裂缝深度与射孔孔眼周围裂缝宽度有利于提高煤层气的抽采量,该认识可以为煤层气水力压裂参数设计提供参考,有助于推动煤层气的效益开发。

反压诱导有效应力增生模式与土体强度关联机制研究

反压施加是提高土体饱和度的常用有效方法,但易引起土体强度参数表观偏离。采用标准球形玻璃珠砂,开展基准固结不排水(consolidated undrain,CU),固结排水(consolidated drained,CD)及干样试验,对偏应力与孔压(或体积应变)数据进行实时精准测记与对比分析,借助p′-q应力路径图,显著呈现并定量分析了反压施加对土体力学特性的影响规律,初步厘清了反压施加对土体强度的影响机制。反压设置对CU试验结果影响显著,孔压发展形态控制着偏应力发展的形态,最终影响强度参数的确定,但应力路径始终约束在修正类剑桥模型的框架范围内。孔压发展模式和速率主要受限于反压设置大小及试样相对密实度,反压越大,孔压潜在变化幅度越大,进而导致偏应力变化区间增大;相对密实度越大,孔压发展速率越大,偏应力增速渐大。初始状态相同时,CU试验孔压发展与CD试验体积应变发展趋势高度一致,展示了试样体积应变势在不同边界条件下的共同本质。初步给出了临界状态时CU残余强度定量预测公式,根据相对密实度及反压值可初步定量评定残余孔压值,进而可确定CU残余强度。

煤储层等效有效应力系数变化规律实验研究

煤储层进入饱和气体单相流后,储层有效应力系数的变化规律是正确评估储层渗透性的关键。本文采集不同变质程度的煤岩样品,对不同外界荷载和孔隙压力条件下煤储层的等效有效应力系数进行了研究,结果表明:在孔隙压力一定的条件下,外界荷载对煤储层等效有效应力系数具有负效应,随外界荷载加载,煤储层等效有效应力系数减小,且外界荷载越大负作用越强;在外界荷载一定条件下,随孔隙压力增加,煤储层等效有效应力系数增大,孔隙压力对煤储层等效有效应力系数具有正效应;相对于中阶煤和高阶煤储层,低阶煤储层由于孔隙类型多样,孔隙尺度大,储层的等效有效应力系数在外界荷载和孔隙压力耦合作用下影响程度相对较小。由于煤储层等效有效应力系数在不同外界荷载和孔隙压力下差异较大,煤储层进入饱和气体单相流后,在不考虑解吸收缩效应条件下,煤储层的有效应力变化并非等同于储层孔隙压力的变化,而与煤阶类型、地应力高低和孔隙压力大小密切相关,原位高地应力条件下,由于煤储层的等效有效应力系数较小,随孔隙压力降低,煤储层有效应力变化相对微弱。

单层地基一维渗流有效应力性状研究

研究了一维渗流作用下单层地基有效应力的计算问题 ,推导了有效应力的计算公式 ,讨论了有效应力性状。定义了渗流有效应力的概念。单层地基一维渗流有效应力与渗流方向密切相关。渗流作用下土层有效应力由两部分组成 :一部分是自重有效应力 ,其由重力引起的 ,体现了静水压力的影响 ;另一部分是渗透有效应力 ,其由土层水头差产生的 ,体现了超静水压力的影响。

基于有效应力影响的岩石物理建模研究

研究工区W区块位于四川盆地南部,目标储层埋藏较深,普遍大于3500m,自北向南深度逐渐增加,地层压力系数较高。从有效应力与孔隙纵横比的关系出发,结合测井资料、实验数据等进行岩石物理建模,最后通过建立的岩石物理模型进行速度预测,预测结果与实际测井资料吻合较好,验证了模型的有效性和准确性。

比奥固结理论下基于有效应力法的尾矿库稳定性分析

抗滑稳定计算是尾矿库安全评价的重要内容。由于无法有效估算因尾矿库上升而引起的超静孔隙水压力,目前常采用总应力法进行稳定性分析。然而,尾矿库的整个生命周期内,均可能存在超静孔隙压力,且该部分超静孔隙压力的影响不可忽视。以某平地型尾矿库为例,基于比奥固结理论,采用有限单元法定性分析尾矿库断面堆坝期和退役期超静孔隙压力的产生和消散,并以此进行有效应力法的稳定性计算。结果表明:1)超静孔隙压力在堆坝末期达到最大,约为130 kPa,全部消散需要约28 a;2)在堆坝末期,利用有效应力法计算的抗滑稳定安全系数为1.486,随着坝体有效应力的增长,超静孔压全部消散后的安全系数达到1.648,增长幅度约为11%;3)采用有效应力法可以较为细致地考虑尾矿库上升过程中超静孔隙水压力对坝体稳定性的影响,且结果更为科学可靠。

有效应力下连续级配煤体的渗透特性试验

瓦斯抽采钻孔孔周煤体的应力变化是影响其渗透特性的重要因素之一。为研究瓦斯抽采孔周不同破碎程度的煤体渗透特性,采用连续级配法制备不同粒径区间的煤颗粒组合试样,开展不同Talbol幂指数n的三轴渗透试验,分析有效应力对破碎煤样孔隙结构和渗透特性的影响。结果表明:在加载过程中,轴向应力通过改变破碎煤体孔隙率从而影响渗透率,其随轴向应力升高呈幂指数降低。加载初期,轴向应力升高使得煤样体积压缩,其内部空隙闭合,引起孔隙率减小及渗透作用减弱,导致渗透率降低。当轴向应力加载到孔隙率趋于0.1时,煤样内部密实使得渗透率趋于稳定;破碎煤体Talbol幂指数n从0.1到1.0增大的过程中,渗透率k呈现出缓慢、线性、指数3个增长阶段,分别受低级粒径、粒径比例、高级粒径的影响。渗流速度受Talbol幂指数、压力梯度、围压和轴向应力的共同影响,但压力梯度的作用更为显著,表现出Talbol幂指数和压力梯度越大,围压和轴向应力越小,渗流速度越大,存在渗流速度的Talbol幂指数促进效应和渗流速度的轴向应力及围压抑制效应;有效应力能较好地表征渗流速度的轴向应力及围压抑制效应,不同Talbol幂指数的破碎煤体渗透率随着有效应力的增大总体上呈指数衰减,但Talbol幂指数增大对渗透率的促进作用逐步减弱,而有效应力对渗透率的抑制作用和幅值效应逐渐强化。有效应力与渗透率的关系方程参数变化存在与渗透率曲线对应的3个阶段。随着Talbol幂指数n增大,关系方程参数a逐渐减小,有效应力的抑制作用增强;而b逐渐增大,幅值效应逐渐强化。

基于有效应力法的单桩负摩阻力解析解

桩侧负摩阻力的计算方法尚未统一。为提高负摩阻力作用下竖向受荷单桩设计计算水平,基于有效应力法确定桩侧摩阻力极限值,分析桩土相对位移和桩身深度对桩侧摩阻力的影响,进而建立了桩侧摩阻力非线性计算模型。根据发挥程度不同,桩侧摩阻力分为弹性和塑性状态,在弹性区间摩阻力与桩身深度呈二次函数关系,在塑性区间摩阻力与桩身深度呈线性关系,且斜率为负摩阻力系数与桩周土有效重度之积,进而得到了相应桩段的摩阻力解析解。基于桩身轴力计算理论,得到了桩侧摩阻力不同分布形态下单桩轴力计算式。采用该模型计算分析不同实际工况,并与实测数据进行对比,验证了模型的可靠性、适用性和实用性。研究结果对充分发挥桩基础性能和提高桩基础设计水平具有显著的实用意义。

塔巴庙低渗致密砂岩渗透率有效应力定律实验研究

为了从实验角度探索低渗砂岩是否存在很小的ESCK值及重新认识低渗砂岩ESCK的变化规律,用两种修正的析因设计方案开展了塔巴庙低渗致密砂岩渗透率有效应力定律实验研究.一种方案包含了3个循环,每个循环是在孔隙流体压力不变,通过加载和卸载围压完成的;另一种方案包含4个循环,每个循环是在围压不变,通过降低和增加孔隙流体压力完成的.采用稳态法采集每个测点的渗透率值,并选择合适的经验模型拟合实验数据.为了使模型更好地拟合实验数据,本文采用最大似然函数法确定的转换系数转换实验得到的渗透率数据,使拟合得到的经验模型计算的渗透率值与实验值偏差的联合概率密度趋于极大值且残余平方和最小.拟合得到的经验模型可以用渗透率-围压-内压响应面直观地表示,再用Bernabe的ESCK计算式将这一响应面转换成渗透率有效应力系数ESCK-围压-内压响应面.ESCK响应面的响应特征表明,ESCK随围压和孔隙流体压力的变化而变化,随围压的增加而降低,随内压的增加而增加,反之亦然;实验研究还表明,ESCK的变化范围在0.0～1.02之间,这一变化范围和以往实验的结果存在巨大的差异,为此,文中分析了产生这一差异原因,同时提出一新的机理模型解释了实验获取的ESCK的变化规律是低渗岩石中微裂缝和孔隙变形共同作用的结果.

变围压循环下低渗透致密砂岩有效应力方程研究

采用了修正的析因设计方案,对低渗透致密砂岩进行了有效应力方程的实验研究。实验方案中包含多个循环,每个循环都是在孔隙流体压力不变,增加和降低围压的方式下进行。用稳态法采集各测点的渗透率,并用响应面法进行数据处理分析。结果表明,有效应力系数随着围压的增加而减小,随着孔隙流体压力的增加而增大。在实验研究范围内,有效应力系数的最大值不超过0.88,当围压大、孔隙流体压力小时,有效应力系数远小于1.0,表明孔隙流体压力对渗透率变化的影响变得很小。用响应面方法获取的有效应力系数确定了有效应力,建立了渗透率与有效应力的关系,与传统有效应力的概念相吻合。

有效应力原理解析

分析了关于饱和土有效应力原理的一些错误理解,基于土颗粒-水相互作用分析,给出了土体中有效应力的物理含义,是单位截面的土体中土颗粒骨架所传递的有效荷载,其大小等于总应力与孔隙水压力之差。利用土体的力平衡方程,一方面证明了Terzaghi饱和土有效应力原理,并分析了该原理的适用范围;另一方面证明了Bishop非饱和土有效应力原理,解释了参量χ的物理含义,将二原理统一在一个力学框架下,从理论上说明了Terzaghi有效应力原理是Bishop有效应力原理在有效饱和度χ=1时的特例,并分析了Bishop非饱和土有效应力原理的适用范围。研究表明,从荷载条件和土性条件两个角度分析有效应力原理,清晰地解释了有效应力的物理概念,并且提出孔隙水压力影响土体力学特性的机理。

粒间应力、土骨架应力和有效应力

有效应力的概念和有效应力原理对于土力学具有奠基性的意义。但对于诸如"有效应力是虚拟的应力还是真实应力","有效应力方程是否需要修正"等问题在土力学界一直存有争议,尚没有形成共识。在明确有效应力就是不包含孔隙流体压强作用的土骨架应力的基础上,由土颗粒间力的平衡分析和土骨架单元体的平衡分析得到有效应力与总应力以及孔隙流体压强关系的表达式。对于饱和土,这一表达式就是Terzaghi的有效应力方程。表明Terzaghi的有效应力是真实的物理量,具有明确的物理意义,Terzaghi的有效应力方程不需要做任何修正。文中阐明了有效应力、粒间应力和土骨架应力的物理意义及其相互关系。说明在分离考虑孔隙流体压强作用的情况下,有效应力、粒间应力和土骨架应力三者可以是一致的,即不包含孔隙水压强作用的粒间应力和土骨架应力就是有效应力。土骨架应力可以分成孔隙流体压强产生的土骨架应力和有效应力两部分,两者都对土体的变形和强度有贡献,但是作用效果不同。在孔隙流体压强作用对土体的变形和强度的贡献可以忽略的条件下,有效应力决定土的变形和强度。

水位降落期总应力法与有效应力法对比分析

水位降落期稳定计算方法有总应力法和有效应力法,二者在使用上各有优势。文章在分析抗剪强度公式的基础上,指出使用有效应力原理更为科学可靠,但需要获得降落期的超静孔隙水压力。对某土石坝断面进行了详细的稳定分析,其中超静孔隙水压力来自比奥固结分析。结果显示,有效应力法能更科学的反应降落期迎水坡的实际情况,并指出在降落时间较短的情况下,总应力法得出的结果可能偏危险。实践也显示比奥固结分析能较好地分析降落期超静孔压。