前言

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。Terzaghi提出有效应力原理，指出有效应力等于总应力减去孔隙水压强，有效应力决定土的变形和强度。但是他没有说明原因。

为了说明有效应力的物理意义以及有效应力方程成立的原因，我们以土骨架为研究对象分析其受力。当独立地取土骨架脱离体进行内力平衡分析时，土骨架脱离体表面的应力包括两部分：一部分是孔隙流体压强作用产生的，这一部分只有正应力；另一部分是除去孔隙流体压强之外所有其他外力作用产生的。通过对脱离体内力平衡分析得到土骨架的平衡微分方程，由土骨架平衡微分方程与总应力平衡微分方程的比较可以得到总应力和不包含孔隙流体压强的所有其他外力作用产生的土骨架应力与孔隙流体压强之间的关系式。可以发现在完全饱和条件下这一关系式就是太沙基的有效应力方程。由此我们把不包含孔隙流体压强的所有其他外力作用产生的土骨架应力称为有效应力，说明了有效应力方程成立的原因以及有效应力决定土的变形和强度的条件，同时也说明了无论对饱和土还是非饱和土有效应力方程恒成立。

这意味着，用土骨架的粒间应力来解释有效应力，并且认为有效应力应根据土的变形和强度变化等效原则导出的观点不合适；Bishop给出的非饱和土的有效应力表达式不应该被放弃，只是其系数需要修改并赋予其明确的物理意义。

将土骨架作为独立的研究对象进行内力平衡分析的一个重要理由是孔隙流体的抗剪性可以忽略，土体的强度就是土骨架的强度，土体的变形就是土骨架的变形。

我们当然可以通过对包含孔隙流体在内的土体混合体进行内力平衡分析得到总应力的平衡方程，再通过引入有效应力方程的方式得到有效应力（土骨架应力）的平衡方程（事实上Boit就是这样做的）。只是对于非饱和土，在没有得到有效应力方程的情况下，自然也就没有办法得到有效应力（土骨架应力）表示的平衡方程。这其实是一个思维逻辑的问题，或者说是一个处理土力学问题的思维方式问题。以土体混合体为研究对象符合人们的习惯，避开了比较复杂的土骨架和孔隙流体之间的相互作用，看起来更简单。可是这种做法难以抓住土力学问题的本质。以土骨架为研究对象则相反，它可以使土力学研究变得逻辑清晰、路径简单。因为土体的强度和变形就是土骨架的强度和变形，所以研究土的强度和变形理当以土骨架为研究对象。

科学研究的一个重要出发点或者目的是解释现象而不是描摹现象。根据土的强度和变形确定有效应力的做法显然是试图描摹现象。因为影响土的强度和变形的因素不仅仅只是应力，或者说应力是决定土的强度和变形的因素，却不是唯一因素，所以这种试图把所有影响土的强度和变形的因素都归结到应力的做法显然是不合理的。

以土骨架为研究对象进行内力平衡分析导出平衡微分方程说起来很简单，但是在此之前却没有人这样做。虽然Fredlund也是分别以土骨架、孔隙水、孔隙气，还包括收缩膜（表面张力膜）为分析对象，导出平衡方程和控制土的结构平衡的应力状态变量，可是他并没有直接推导土骨架的平衡微分方程。在他的研究中，土结构包含土骨架和收缩膜，土骨架的平衡微分方程是由总应力的平衡方程与孔隙水、孔隙气以及收缩膜的平衡方程相减得到的。混合物理论是分别以土骨架、孔隙水、孔隙气为研究对象得到各自的平衡微分方程，但是在对土骨架进行内力分析时没有区分孔隙流体压强和外力这两组不同的平衡力系。

上述研究成果解释了有效应力的物理意义，奠定了有效应力原理的理论基础，对于土力学的意义是明显的。这些研究成果包含着对传统土力学和土力学研究传统的挑战，让同行们理解和接受这些研究成果需要付出时间和努力。到目前为止土力学界并不完全了解和接受这些研究成果，主流的学术观点仍然是“饱和土的有效应力是虚拟应力，应该按照强度或者变形变化等效的原则导出”以及“对于非饱和土不存在控制其强度和变形的有效应力”。这使得作者觉得有必要更加详细地讲解和阐释有效应力和有效应力方程，并且对于传统的有关观点逐条加以辨析，以使读者能够更好地理解和把握有效应力的概念，推动饱和土与非饱和土统一的土力学理论体系的建立。这是作者出版这本书的动机。

本书中作者先简要回顾了土力学的发展历程，特别是有效应力的历史。然后介绍土体空间中点的概念、土的物理力学量的定义以及土的连续介质物质模型。接着讲述了有效应力方程的导出，其中重点讲述了土骨架脱离体的受力分析以及土骨架应力平衡方程的导出过程。之后阐述了有效应力的物理意义、土的强度和体积变形与有效应力之间的关系以及土的应力应变关系，修正了有效应力原理的表述。最后是关于有效应力传统观念的辨析，详细说明了太沙基的有效应力方程不需要修正；有效应力是真实应力，而根据土的体积变形等效或抗剪强度等效导出的应力应称为等效应力；渗透力公式需要修改；非饱和土存在有效应力以及是否有必要把收缩膜作为独立的第4相等相关问题。

全书共3章，为了读者讨论和查阅参考文献方便，还增加了附录的内容。第1章为引言，主要介绍土力学的发展历程和有效应力的历史。第2章为有效应力的连续介质力学理论基础，主要介绍土的物理力学量的定义和土的连续介质物质模型、有效应力方程的推导过程以及有效应力的物理意义及其应用，重点在于应用连续介质力学方法重新阐释有效应力原理。第3章是相关问题的讨论。这些问题对土力学很重要，并且大都存有争议而且与有效应力或者平衡方程相关。讨论这些问题的目的是为了澄清有争议的观点，并使读者能够了解平衡方程的作用，更好地理解和把握有效应力的概念。

本书由邵龙潭统稿。第1章和附录由郭晓霞执笔，邵龙潭修改，第2、第3章由邵龙潭执笔，郭晓霞补充修订了图表、公式和参考文献并对全书做了审校。

书中的错误和不妥之处，敬请读者批评指正。

邵龙潭

2013年11月