Введение
Эффективное напряжение можно определить как напряжение, зависящее от приложенного напряжения и порового давления, которое контролирует деформационное или прочностное поведение почвы и горных пород (или любого пористого тела) при любом значении порового давления. Иными словами, это напряжение, приложенное к сухому пористому телу (т.е. при p=0), которое обеспечивает такое же деформационное или прочностное поведение, как и при p≠0. В случае гранулярных сред его можно рассматривать как силу, удерживающую совокупность частиц в жестком состоянии. Обычно это применимо к песку, почве или гравию, а также ко всем типам горных пород и ряду других пористых материалов, таких как бетон, металлические порошки, биологические ткани и т.д. Для него термин "эффективный" означал вычисленное напряжение, которое действительно вызывало перемещение почвы или деформации. Его часто интерпретируют как среднее напряжение, воспринимаемое скелетом грунта. Впоследствии было предложено несколько формулировок для эффективного напряжения. Морис Био полностью разработал теорию трехмерной консолидации грунта, расширив одномерную модель, ранее разработанную Терзаги, на более общие предположения и введя набор основных уравнений пороупругости. Алек Скемптон в своей работе 1960 года, проведя серию экспериментов в Университете Витватерсранда, включая одометрические и компрессионные испытания различных типов грунтов, показал, что такие явления, как изменение объема и прочность на сдвиг частично насыщенных грунтов, не соответствуют прогнозам, основанным только на изменении эффективного напряжения. Его результаты показали, что структурные изменения, вызванные дефицитом давления, ведут себя иначе, чем изменения, вызванные приложенной нагрузкой. При использовании этих моделей важно знать общий вес грунта выше (включая воду) и поровое давление воды внутри плоскости скольжения, предполагая, что она действует как замкнутый слой. Однако формула становится запутанной при рассмотрении истинного поведения частиц грунта в различных измеримых условиях, поскольку ни один из параметров фактически не является независимым фактором, действующим на частицы. Рассмотрим группу круглых кварцевых песчинок, сложенных неплотно в классической "пушечной" форме. Как видно, существует контактное напряжение в точках соприкосновения сфер. Добавьте больше сфер, и контактные напряжения увеличатся, вплоть до возникновения фрикционной неустойчивости (динамического трения) и, возможно, разрушения. Независимым параметром, влияющим на контакты (как нормальные, так и касательные), является сила, действующая со стороны вышележащих сфер. Ее можно рассчитать, используя общую среднюю плотность сфер и высоту столба сфер выше. Если поместить эти сферы в стакан и добавить немного воды, они начнут немного всплывать в зависимости от их плотности (за счет выталкивающей силы). В случае природных грунтов эффект может быть значительным, о чем может свидетельствовать любой, кто поднимал большой камень из озера. Контактное напряжение на сферах уменьшается по мере заполнения стакана водой до уровня сфер, но дальнейшее добавление воды не вызывает изменений. Хотя давление воды между сферами (поровое давление) увеличивается, эффективное напряжение остается прежним, поскольку понятие "общего напряжения" включает вес всей воды выше. Здесь уравнение может стать запутанным, и эффективное напряжение можно рассчитать, используя кажущуюся плотность сфер (грунта) и высоту грунта выше. Понятие эффективного напряжения становится особенно интересным при рассмотрении негидростатического порового давления. В условиях градиента порового давления подземные воды текут в соответствии с законом проницаемости (законом Дарси). Используя наши сферы в качестве модели, это аналогично впрыскиванию (или откачке) воды между сферами. Если вода впрыскивается, сила фильтрации стремится разъединить сферы и уменьшить эффективное напряжение, тем самым ослабляя грунтовую массу. Если вода откачивается, сферы сжимаются вместе, и эффективное напряжение увеличивается. Двумя крайними проявлениями этого эффекта являются плывуны, где градиент грунтовых вод и сила фильтрации действуют против силы тяжести, и "эффект песчаного замка", где дренаж воды и капиллярные силы укрепляют песок. Кроме того, эффективное напряжение играет важную роль в устойчивости склонов и других геотехнических и инженерно-геологических задачах, таких как оседание, связанное с подземными водами.