浅议土压力计算中的有效应力法和总应力法

从有效应力原理的角度来讲，土压力计算分为两种方法：有效应力法和总应力法。这两种方法中的土压力计算公式和抗剪强度参数等均不同。目前，有效应力法其实大家已经很熟悉，因为我们在规范上、教科书上学习的朗肯土压力、库伦土压力都是基于有效应力法进行推导的，而总应力法在国内用的还比较少。今天就和大家分享一下这两种方法分别适用于什么样的土体情况，以及两者的区别和特点等，以帮助大家更好的使用GEO5中提供的有效应力法和总应力法。

有效应力法

 　　太沙基饱和土有效应力原理公式：σ =σ′+μ

 　　式中:σ为总应力； σ′为有效应力； μ为孔隙水压力

　　总应力为由固体颗粒、孔隙中的水和气体共同承担的应力；有效应力为土颗粒间的接触应力，控制着土体体积变化和抗剪强度。

　　有效应力原理阐明了碎散颗粒材料与连续固体材料在应力——应变关系上的重大区别。有效应力原理表示研究平面上的总应力、有效应力与孔隙水压力三者之间的关系：保持不变时，孔隙水压力与有效应力可以相互转化，即：空隙水压力的减小等于有效应力的等量增加。

　　采用有效应力法计算主动土压力的基本公式如下（被动土压力同理）：

　　式中：

　　p_a—第i层土中计算点的主动土压力

　　σ_z土中竖向总应力

　　μ_a孔隙水压力

　　k_a,i第i层土的主动土压力系数

　　c_i第i层土的有效粘聚力

　　其中土压力的计算方法由具体的土压力理论确定。

　　采用有效应力法计算土压力时，需要采用有效应力强度指标—有效内摩擦φ’和有效粘聚力c’。有效应力强度指标可以通过固结不排水试验或固结排水试验得到。对于渗透性好的土，例如砂土，可以很容易地通过室内试验得到其有效应力强度指标，但是，对于渗透压性差的土，例如粘土，则很难通过室内试验得到其有效应力强度指标， 通常情况下，设计时往往会采用一些经验参数来作为粘性土的有效应力强度指标。

总应力法

　　由于很难获得饱和粘性土的有效应力强度指标，因此，在计算饱和粘性土的土压力时，我们通常采用另外一种强度指标—不排水抗剪强度cu。总应力法中采用不排水抗剪强度cu作为土体强度参数，该参数可以由不固结不排水试验得到。饱和粘性土不固结不排水试验结果如下图：

　　从上图可以看到，φu=0，因此，国际上也称总应力法为φ=0法。对于主动土压力的计算，图中σ1即为土体竖向总应力σz，σ3即为土体水平向应力σx，因此，我们可以得到总应力中计算主动土压力的基本公式如下（被动土压力同理）：

　　GEO5的总应力法中还可以考虑结构和土体之间的粘结力a，修正后的总应力法主动土压力计算公式为：

　　可以注意到，总应力法计算公式中并没有水压力μ_a一项，因为所谓的总应力法是忽略了土体在剪切时产生超静孔压的影响而采用总应力不变的概念, 并不牵涉到静水压力。当然， 不管在砂性土或枯性土中， 在地下水位以下始终存在静水压力，但它与总应力法的计算没有关系。

小结

　　1.  有效应力法采用有效内摩擦角φ’和有效粘聚力c’作为土体的强度参数，土体和结构接触面上的强度参数采用摩擦角δ。有效应力强度指标可以通过固结不排水试验和固结排水试验得到。有效应力法适合于容易得到有效应力强度指标的渗透性较好的土体。

　　2.  总应力法采用不排水抗剪强度指标cu作为土体的强度参数，土体和结构接触面上的强度参数采用粘结力a。不排水抗剪强度通过不固结不排水试验得到。总应力法适用于不容易得到有效应力强度指标的渗透性很差的土，例如饱和粘性土。

更多关于有效应力法和总应力法的文章点击这里：

GEO5中有效应力法、总应力法、水土分算、水土合算的说明

土压力计算中有效应力法、总应力法、水土分算、水土合算的异同点