1.2 有效应力的概念和有效应力原理

有效应力的概念是Terzaghi在1936年提出的，论述的原文见附录1。大意是“在土体剖面上任何一点的应力可根据作用在这点上的总主应力σ1、σ2、σ3来计算，如果土中的孔隙是在应力u下被水充满，那么总主应力由两部分组成：一部分是u，以各方向相等的强度作用于水和固体，这一部分称作中和应力（或称孔隙水压强）；另一部分为总应力σ和中和应力之差，即=σ1-u, =σ2-u, =σ3-u，它只在土的固相中发生作用。总主应力的这一部分称为有效主应力。改变中和应力实际上并不产生体积变化，中和应力与所在应力条件下土体的破坏无关。多孔材料（如砂、黏土和混凝土）对u的反应似乎是不可压缩的，好像内摩擦等于零。改变应力所能测得的结果，诸如压缩变形和剪切阻力的变化，仅仅是由有效应力, 和的变化引起的[1]”。

Terzaghi的这一段话揭示了以下几点：①习惯上，人们计算土的应力是土体的总应力；②土的总应力由有效应力和孔隙水压强两部分组成；③孔隙水压强所引起的土的体积和强度变化小到几乎观测不到，有效应力是引起土的变形和强度变化的原因。后来，土力学学者，如Bishop、Jennings等将Terzaghi的观点归纳为两方面，并称之为有效应力原理。这两方面的内容是：土体体积和剪切强度的变化完全取决于有效应力的变化；土体有效应力等于总应力与孔隙水压力之差。

在Terzaghi之前，人们说土体的应力一般都是指总应力，即土体总体（土骨架和孔隙流体的混合体）的应力。虽然以土体总体为分析对象计算其应力比较简单，也比较符合人们的思维习惯，但是却难以反映土体强度和变形的物理本质。原因是：形成土体结构的是土的固体骨架，土体的强度和变形其实是土骨架的强度和变形；而总应力不是土骨架应力，决定土体强度和变形的不是总应力，总应力与土体的强度和变形不存在本质上的对应关系。有效应力概念的提出和确立才使得我们有可能把握土的强度和变形的本质，建立土的强度和变形与应力之间的关系，建立土的应力应变的本构关系，进而建立和完善土力学的知识体系。

有效应力原理被认为是土力学中最重要的原理。Jennings认为Terzaghi饱和土有效应力原理的正确性已不容置疑，在土力学中所展现的意义是非常重要的[2]。Bishop认为有效应力原理不仅在对于土体变形和强度特性的理解方面提供了满意的基础，更为实际工程设计提供了很好的基础，这一点早已被广泛接受[3]。J.K.Mitchell认为太沙基关于饱和土体的有效应力原理是土力学的“拱心石”[4]，亦即是石拱结构中封顶的那一块石头，可见其重要性。李广信认为“经典土力学中的太沙基一维渗流固结理论，比奥固结理论，土的排水与不排水强度及其指标，Skempton的孔隙水压力系数，水下土体的自重应力与附加应力的计算，渗透变形，土中水的压力（扬压力与侧压力），地基的预压渗流固结，有水情况下的极限平衡法边坡的稳定分析等课题，都是建立在有效应力原理基础上的。太沙基的有效应力原理也是土力学能够成为一门独立的力学学科的标志性理论”[5]。

虽然有效应力原理非常重要，也被大家普遍接受，但是作为土力学的基础却并非圆满无缺。首先，尽管对于饱和土，室内试验和岩土工程实践反复证明了有效应力原理的适用性和正确性，可是对于非饱和土，到目前为止尚没有大家都接受的有效应力表达式。其次，Terzaghi提出有效应力的概念基于观察和经验，没有给出理论依据，其定义也不是很清晰。他只是提出有效应力等于总应力减去孔隙水压强以及有效应力决定土的变形和强度，却没有说明原因。这导致了到目前为止，大多数学者都认为有效应力是虚拟的物理量，同时也使得有效应力概念和有效应力原理自提出以来一直伴随争议。