Эффективный стресс

Эффективное напряжение можно определить как напряжение, зависящее от приложенного напряжения. ${\boldsymbol {\sigma }}_{ij}$ и поровое давление $p$ , который контролирует деформационное или прочностное поведение грунта и горной породы (или обычного пористого тела) для любого значения порового давления или, другими словами, напряжения, которое прикладывается к сухому пористому телу (т. е. при $p=0$ ) обеспечивает такое же поведение деформации или прочности, которое наблюдается при $p$ ≠ 0. ^[1] В случае сыпучей среды ее можно рассматривать как силу , удерживающую совокупность частиц в жестком состоянии. Обычно это относится к песку , почве или гравию , а также ко всем видам камней и некоторым другим пористым материалам, таким как бетон, металлические порошки, биологические ткани и т. д. ^[1] Полезность соответствующей формулировки ЭСП состоит в том, что она позволяет оценить поведение пористого тела при любом значении порового давления на основе экспериментов с сухими образцами (т.е. проводимых при нулевом поровом давлении).

История

Карл фон Терцаги впервые предложил зависимость эффективного стресса в 1925 году. ^[2]^[3]^[4] Для него термин «эффективный» означал рассчитанное напряжение , эффективное для перемещения грунта или вызывающее перемещения. Его часто интерпретировали как среднее напряжение, переносимое скелетом почвы . ^[5] Впоследствии были предложены различные формулировки эффективного напряжения. Морис Био полностью разработал теорию трехмерной консолидации почвы , расширив одномерную модель, ранее разработанную Терзаги, до более общих гипотез и введя набор основных уравнений пороупругости . Алек Скемптон в своей работе в 1960 году. ^[5] провел обширный обзор доступных формулировок и экспериментальных данных в литературе об эффективных напряжениях, действующих в почве, бетоне и горных породах, чтобы отвергнуть некоторые из этих выражений, а также прояснить, какое выражение было подходящим в соответствии с несколькими рабочими гипотезами, такими как поведение напряжения-деформации или прочности, насыщенные или ненасыщенные среды, поведение камня/бетона или грунта и т. д.

В 1962 году Джеремия Дженнингс и Джон Берланд исследовали применимость принципа эффективного напряжения Терзаги к частично насыщенным почвам . ^[6] С помощью серии экспериментов, проведенных в Университете Витватерсранда , включая одометрические и компрессионные испытания на различных типах почв, они показали, что такие поведения, как изменения объема и прочность на сдвиг в частично насыщенных почвах, не соответствуют прогнозам, основанным только на эффективных изменениях напряжения. Их результаты показали, что структурные изменения, вызванные дефицитом давления, ведут себя иначе, чем изменения, вызванные приложенным напряжением. ^[7]^[8]^[9]^[6]

Описание

Эффективное напряжение (σ'), действующее на грунт, рассчитывается по двум параметрам: общему напряжению (σ) и поровому давлению воды (u) по формуле:

\sigma '=\sigma -u\,

Обычно для простых примеров

{\begin{aligned}\sigma &=H_{\mathrm {soil} }\,\gamma _{\mathrm {soil} }\\u&=H_{\mathrm {w} }\,\gamma _{\mathrm {w} }\end{aligned}}

Как и сама концепция напряжения, формула представляет собой конструкцию, предназначенную для упрощения визуализации сил, действующих на массив грунта, особенно простых моделей анализа устойчивости склона , включающих плоскость скольжения. ^[10] При использовании этих моделей важно знать общий вес вышележащего грунта (включая воду) и поровое давление воды в плоскости скольжения, предполагая, что он действует как ограниченный слой. ^{[ нужна ссылка ]}

Однако формула становится запутанной при рассмотрении истинного поведения частиц почвы в различных измеримых условиях, поскольку ни один из параметров на самом деле не является независимым фактором, влияющим на частицы. ^{[ нужна ссылка ]}

Рассмотрим группу круглых зерен кварцевого песка, сложенных в классическом порядке в виде «пушечных ядер». Как можно видеть, там, где сферы действительно соприкасаются, возникает контактное напряжение. Наложите больше сфер, и контактные напряжения возрастут до такой степени, что вызовут фрикционную нестабильность (динамическое трение ) и, возможно, отказ. Независимым параметром, влияющим на контакты (как нормальные, так и сдвиговые), является сила сфер, указанных выше. Это можно рассчитать, используя общую среднюю плотность сфер и высоту сфер, указанных выше. ^{[ нужна ссылка ]}

Сферы, погруженные в воду, снижают эффективный стресс.

Если затем положить эти сферы в стакан и добавить немного воды, они начнут немного плавать в зависимости от их плотности ( плавучести ). При использовании натуральных почвенных материалов эффект может быть значительным, что может подтвердить любой, кто поднимал большой камень из озера. Контактное напряжение на сферах уменьшается по мере наполнения стакана доверху сфер, но затем ничего не меняется, если добавить больше воды. Хотя давление воды между сферами (давление поровой воды) увеличивается, эффективное напряжение остается прежним, поскольку понятие «общее напряжение» включает в себя вес всей воды, находящейся выше. Здесь уравнение может запутаться, и эффективное напряжение можно рассчитать, используя плавучую плотность сфер (почвы) и высоту почвы над ней. ^{[ нужна ссылка ]}

Сферы закачиваются водой, что снижает эффективное напряжение.

Концепция эффективного напряжения действительно становится интересной, когда речь идет о негидростатическом давлении поровой воды. В условиях градиента порового давления грунтовые воды текут, согласно уравнению проницаемости ( закону Дарси ). Используя наши сферы в качестве модели, это то же самое, что впрыскивать (или забирать) воду между сферами. Если впрыскивается вода, сила просачивания разделяет сферы и снижает эффективное напряжение. Таким образом, почвенная масса становится слабее. Если вода забирается, сферы сжимаются, и эффективное напряжение увеличивается. ^[11]

Двумя крайностями этого эффекта являются зыбучие пески , где градиент грунтовых вод и сила просачивания действуют против силы тяжести ; и «эффект замка из песка», ^[12] где дренаж воды и капиллярное действие укрепляют песок. Кроме того, эффективное напряжение играет важную роль в устойчивости склонов и других проблемах геотехнической инженерии и инженерной геологии , таких как проседание грунтовых вод .

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Геррьеро, В; Маццоли, С. (2021). «Теория эффективного напряжения в почве и горных породах и последствия для процессов разрушения: обзор» . Геонауки . 11 (3): 119. Бибкод : 2021Geosc..11..119G . doi : 10.3390/geosciences11030119 .
^ Терцаги, Карл (1925). Механика земляных работ на основе физики грунтов . Ф. Дойтике.
^ Терцаги, Карл (1936). «Связь между механикой грунтов и проектированием фундаментов: послание президента». Материалы Первой международной конференции по механике грунтов и проектированию фундаментов, Бостон . 3, 13–18.
^ «Вертикальное напряжение в грунте» . fbe.uwe.ac.uk. Архивировано из оригинала 18 июня 2006 года.
^ Jump up to: ^а ^б Скемптон, AW (1984-01-01), «Эффективное напряжение в почвах, бетоне и горных породах» , ИЗБРАННЫЕ СТАТЬИ ПО МЕХАНИКЕ ПОЧВ , Thomas Telford Publishing, стр. 106–118, doi : 10.1680/sposm.02050.0014 , ISBN 978-0-7277-3982-7 , получено 11 апреля 2023 г.
^ Jump up to: ^а ^б Дженнингс, JEB; Берланд, Дж. Б. (1962). «Ограничения использования эффективных напряжений в частично насыщенных грунтах» . Геотехника . 12 (2): 125–144. дои : 10.1680/geot.1962.12.2.125 . ISSN 0016-8505 . Проверено 12 апреля 2024 г. - через виртуальную библиотеку Института инженеров-строителей .
^ Эскарио, В.; Саес, Дж. (1986). «Сопротивление сдвигу частично насыщенных грунтов» . Геотехника . 36 (3): 453–456. дои : 10.1680/geot.1986.36.3.453 . ISSN 0016-8505 . Проверено 12 апреля 2024 г. - через виртуальную библиотеку Института инженеров-строителей .
^ Бишоп, AW; Блайт, GE (1963). «Некоторые аспекты эффективного напряжения в насыщенных и частично насыщенных почвах» . Геотехника . 13 (3): 177–197. дои : 10.1680/geot.1963.13.3.177 . ISSN 0016-8505 . Проверено 12 апреля 2024 г. - через виртуальную библиотеку Института инженеров-строителей .
^ Шридхаран, А.; Рао, Г. Венкатаппа; Пандиан, Р. Самудра (1973). «Поведение частично насыщенных глин при изменении объема во время замачивания и роль концепции эффективного напряжения» . Почвы и фундаменты . 13 (3): 1–15. дои : 10.3208/sandf1972.13.3_1 . Проверено 12 апреля 2024 г. - через Science Direct .
^ «Геоинженерия в Даремском университете» .
^ «Грунтовые воды» . fbe.uwe.ac.uk. Архивировано из оригинала 2 сентября 2006 года.
^ «Капиллярное старение контактов между стеклянными сферами и поверхностью кварцевого резонатора» (PDF) . home.tu-clausthal.de . Архивировано из оригинала (PDF) 30 мая 2008 г.

Терзаги, К. (1925). Основы механики грунтов. Engineering News-Record, 95 (19-27).

[Guerriero-1] Jump up to: ^а ^б Геррьеро, В; Маццоли, С. (2021). «Теория эффективного напряжения в почве и горных породах и последствия для процессов разрушения: обзор» . Геонауки . 11 (3): 119. Бибкод : 2021Geosc..11..119G . doi : 10.3390/geosciences11030119 .

[2] Терцаги, Карл (1925). Механика земляных работ на основе физики грунтов . Ф. Дойтике.

[3] Терцаги, Карл (1936). «Связь между механикой грунтов и проектированием фундаментов: послание президента». Материалы Первой международной конференции по механике грунтов и проектированию фундаментов, Бостон . 3, 13–18.

[4] «Вертикальное напряжение в грунте» . fbe.uwe.ac.uk. Архивировано из оригинала 18 июня 2006 года.

[:0-5] Jump up to: ^а ^б Скемптон, AW (1984-01-01), «Эффективное напряжение в почвах, бетоне и горных породах» , ИЗБРАННЫЕ СТАТЬИ ПО МЕХАНИКЕ ПОЧВ , Thomas Telford Publishing, стр. 106–118, doi : 10.1680/sposm.02050.0014 , ISBN 978-0-7277-3982-7 , получено 11 апреля 2023 г.

[:1-6] Jump up to: ^а ^б Дженнингс, JEB; Берланд, Дж. Б. (1962). «Ограничения использования эффективных напряжений в частично насыщенных грунтах» . Геотехника . 12 (2): 125–144. дои : 10.1680/geot.1962.12.2.125 . ISSN 0016-8505 . Проверено 12 апреля 2024 г. - через виртуальную библиотеку Института инженеров-строителей .

[7] Эскарио, В.; Саес, Дж. (1986). «Сопротивление сдвигу частично насыщенных грунтов» . Геотехника . 36 (3): 453–456. дои : 10.1680/geot.1986.36.3.453 . ISSN 0016-8505 . Проверено 12 апреля 2024 г. - через виртуальную библиотеку Института инженеров-строителей .

[8] Бишоп, AW; Блайт, GE (1963). «Некоторые аспекты эффективного напряжения в насыщенных и частично насыщенных почвах» . Геотехника . 13 (3): 177–197. дои : 10.1680/geot.1963.13.3.177 . ISSN 0016-8505 . Проверено 12 апреля 2024 г. - через виртуальную библиотеку Института инженеров-строителей .

[9] Шридхаран, А.; Рао, Г. Венкатаппа; Пандиан, Р. Самудра (1973). «Поведение частично насыщенных глин при изменении объема во время замачивания и роль концепции эффективного напряжения» . Почвы и фундаменты . 13 (3): 1–15. дои : 10.3208/sandf1972.13.3_1 . Проверено 12 апреля 2024 г. - через Science Direct .

[10] «Геоинженерия в Даремском университете» .

[11] «Грунтовые воды» . fbe.uwe.ac.uk. Архивировано из оригинала 2 сентября 2006 года.

[12] «Капиллярное старение контактов между стеклянными сферами и поверхностью кварцевого резонатора» (PDF) . home.tu-clausthal.de . Архивировано из оригинала (PDF) 30 мая 2008 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]