前言

有效應力的概念和有效應力原理對于土力學具有奠基性的意義。Terzaghi提出有效應力原理，指出有效應力等于總應力減去孔隙水壓強，有效應力決定土的變形和強度。但是他沒有說明原因。

為了說明有效應力的物理意義以及有效應力方程成立的原因，我們以土骨架為研究對象分析其受力。當獨立地取土骨架脫離體進行內力平衡分析時，土骨架脫離體表面的應力包括兩部分：一部分是孔隙流體壓強作用產生的，這一部分只有正應力；另一部分是除去孔隙流體壓強之外所有其他外力作用產生的。通過對脫離體內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與總應力平衡微分方程的比較可以得到總應力和不包含孔隙流體壓強的所有其他外力作用產生的土骨架應力與孔隙流體壓強之間的關系式。可以發現在完全飽和條件下這一關系式就是太沙基的有效應力方程。由此我們把不包含孔隙流體壓強的所有其他外力作用產生的土骨架應力稱為有效應力，說明了有效應力方程成立的原因以及有效應力決定土的變形和強度的條件，同時也說明了無論對飽和土還是非飽和土有效應力方程恒成立。

這意味著，用土骨架的粒間應力來解釋有效應力，并且認為有效應力應根據土的變形和強度變化等效原則導出的觀點不合適；Bishop給出的非飽和土的有效應力表達式不應該被放棄，只是其系數需要修改并賦予其明確的物理意義。

將土骨架作為獨立的研究對象進行內力平衡分析的一個重要理由是孔隙流體的抗剪性可以忽略，土體的強度就是土骨架的強度，土體的變形就是土骨架的變形。

我們當然可以通過對包含孔隙流體在內的土體混合體進行內力平衡分析得到總應力的平衡方程，再通過引入有效應力方程的方式得到有效應力（土骨架應力）的平衡方程（事實上Boit就是這樣做的）。只是對于非飽和土，在沒有得到有效應力方程的情況下，自然也就沒有辦法得到有效應力（土骨架應力）表示的平衡方程。這其實是一個思維邏輯的問題，或者說是一個處理土力學問題的思維方式問題。以土體混合體為研究對象符合人們的習慣，避開了比較復雜的土骨架和孔隙流體之間的相互作用，看起來更簡單。可是這種做法難以抓住土力學問題的本質。以土骨架為研究對象則相反，它可以使土力學研究變得邏輯清晰、路徑簡單。因為土體的強度和變形就是土骨架的強度和變形，所以研究土的強度和變形理當以土骨架為研究對象。

科學研究的一個重要出發點或者目的是解釋現象而不是描摹現象。根據土的強度和變形確定有效應力的做法顯然是試圖描摹現象。因為影響土的強度和變形的因素不僅僅只是應力，或者說應力是決定土的強度和變形的因素，卻不是唯一因素，所以這種試圖把所有影響土的強度和變形的因素都歸結到應力的做法顯然是不合理的。

以土骨架為研究對象進行內力平衡分析導出平衡微分方程說起來很簡單，但是在此之前卻沒有人這樣做。雖然Fredlund也是分別以土骨架、孔隙水、孔隙氣，還包括收縮膜（表面張力膜）為分析對象，導出平衡方程和控制土的結構平衡的應力狀態變量，可是他并沒有直接推導土骨架的平衡微分方程。在他的研究中，土結構包含土骨架和收縮膜，土骨架的平衡微分方程是由總應力的平衡方程與孔隙水、孔隙氣以及收縮膜的平衡方程相減得到的。混合物理論是分別以土骨架、孔隙水、孔隙氣為研究對象得到各自的平衡微分方程，但是在對土骨架進行內力分析時沒有區分孔隙流體壓強和外力這兩組不同的平衡力系。

上述研究成果解釋了有效應力的物理意義，奠定了有效應力原理的理論基礎，對于土力學的意義是明顯的。這些研究成果包含著對傳統土力學和土力學研究傳統的挑戰，讓同行們理解和接受這些研究成果需要付出時間和努力。到目前為止土力學界并不完全了解和接受這些研究成果，主流的學術觀點仍然是“飽和土的有效應力是虛擬應力，應該按照強度或者變形變化等效的原則導出”以及“對于非飽和土不存在控制其強度和變形的有效應力”。這使得作者覺得有必要更加詳細地講解和闡釋有效應力和有效應力方程，并且對于傳統的有關觀點逐條加以辨析，以使讀者能夠更好地理解和把握有效應力的概念，推動飽和土與非飽和土統一的土力學理論體系的建立。這是作者出版這本書的動機。

本書中作者先簡要回顧了土力學的發展歷程，特別是有效應力的歷史。然后介紹土體空間中點的概念、土的物理力學量的定義以及土的連續介質物質模型。接著講述了有效應力方程的導出，其中重點講述了土骨架脫離體的受力分析以及土骨架應力平衡方程的導出過程。之后闡述了有效應力的物理意義、土的強度和體積變形與有效應力之間的關系以及土的應力應變關系，修正了有效應力原理的表述。最后是關于有效應力傳統觀念的辨析，詳細說明了太沙基的有效應力方程不需要修正；有效應力是真實應力，而根據土的體積變形等效或抗剪強度等效導出的應力應稱為等效應力；滲透力公式需要修改；非飽和土存在有效應力以及是否有必要把收縮膜作為獨立的第4相等相關問題。

全書共3章，為了讀者討論和查閱參考文獻方便，還增加了附錄的內容。第1章為引言，主要介紹土力學的發展歷程和有效應力的歷史。第2章為有效應力的連續介質力學理論基礎，主要介紹土的物理力學量的定義和土的連續介質物質模型、有效應力方程的推導過程以及有效應力的物理意義及其應用，重點在于應用連續介質力學方法重新闡釋有效應力原理。第3章是相關問題的討論。這些問題對土力學很重要，并且大都存有爭議而且與有效應力或者平衡方程相關。討論這些問題的目的是為了澄清有爭議的觀點，并使讀者能夠了解平衡方程的作用，更好地理解和把握有效應力的概念。

本書由邵龍潭統稿。第1章和附錄由郭曉霞執筆，邵龍潭修改，第2、第3章由邵龍潭執筆，郭曉霞補充修訂了圖表、公式和參考文獻并對全書做了審校。

書中的錯誤和不妥之處，敬請讀者批評指正。

邵龍潭

2013年11月