4.3 静水和稳定渗流情况下土的应力状态

第3章土体中的应力中介绍了土的有效应力原理，太沙基提出了饱和土体中部应力和有效应力、孔隙水压力三者间的关系式，即σ=σ′+u。本节重点分析静水和稳定渗流情况下土体中的孔隙水压力和有效应力。

4.3.1 静水情况下土体中的孔隙水压力和有效应力

图4-8所示为浸没在水下的饱和土体，设浸没水深为h₁,土的饱和容重为γ_sat，则土面下深度为h₂的a-a平面上的总应力为

孔隙水压力为

u=γ_wh_w=γ_w(h₁+h₂)

根据有效应力原理，a-a平面上的有效应力为

可见，在静水条件下无渗流发生时，孔隙水压力等于研究平面上单位面积水柱的重量，与水深成正比，呈三角形分布；而有效应力等于研究平面上单位面积土的有效重量，与土层深度成正比，也呈三角形分布，而与土层以上静水压力的大小无关。

4.3.2 稳定渗流情况下土体中的孔隙水压力和有效应力

4.3.2.1 当渗流由上而下发生时

图4-9为土体在水位差作用下发生由上而下渗流的情况。此时，在土层表面b-b面上的孔隙水压力与静水情况相同，仍为γ_wh₁,而在a-a面上的孔隙水压力因渗流产生水头损失减少了h,故其值为

式中：h为b-b面到a-a面间渗流产生的水头损失。

a-a平面上的总应力仍保持不变，即

σ=γ_wh₁+γ_sath₂

于是，根据有效应力原理，a-a平面上的有效应力为

与静水情况相比，当向下渗流发生时，a-a平面的总应力仍保持不变，孔隙水压力减小了γ_wh，而有效应力相应增加γ_wh。因而证明了在总应力不变的条件下，孔隙水压力的减小等于有效应力的增加。

4.3.2.2 当渗流由下而上发生时

自下向上发生渗流的情况如图4-10所示。此时a-a平面上的总应力不变，其值为

σ=γ_wh₁+γ_sath₂

而孔隙水压力应为

于是a-a平面上的有效应力为

比较图4-8～图4-10无渗流和有渗流三种情况，可见：①有、无渗流发生；a-a面上总应力σ不变；②有渗流情况下，有效应力增加值，等于孔隙压力减小值；反之，有效应力减小值，等于孔隙水压力增加值。