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笔者引入给水度,通过力平衡原理推导出优化的有效应力原理和有效应力计算公式。
式(2)中有效应力是导致土骨架变形的作用应力。但土变形过程中自由水是可以流失的。随着外荷载的增加,土中的弱结合水将转化为自由水流失,此时给水度变小,式(1)中的土骨架平均应力增大,也可以说是有效应力增大,土变形平衡后实际上是土承载力增加。 土承载力是指土单位面积上随荷载增加所发挥的承载潜力。式(1~3)是不能体现土的承载力的。土之所以能够变形是土中有空气或水,当土被压缩时空气或水溢出,只有当土无可压缩空间(即土中无空气和水)时,土的承载力最大。因此,对于无粘结力的土承载力大小取决于土的孔隙度。 采用笔者推导有效应力原理的方法,也可推导出土的承载力:
式(4)是将土水平截面分为两部分,一部分为土颗粒面积,另一部分为水(含所有类型水)面积,总作用力是两部分面积承载力的总和。通过式(4)可知,在总应力和土中水在水截面上的平均应力不变前提下,土颗粒在土单位面积上的承载力主要受土孔隙度影响,随着土孔隙度的增加,土的承载力降低,这与现场实际情况相符。当土孔隙度为0时土承载力达到最大。
土孔隙度如下图:
从图中可以看出,泥炭土的孔隙度远大于砾石孔隙度,现实生活中泥炭土的承载力远小于砾石承载力。
综上所述,土承载力大小与土孔隙度有关,土孔隙度越大,土承载力越小。当土孔隙度为0时,土承载力达到最大。
也许有的人会问,为什么式(1)和式(4)不同,无论式(1)和式(4)总应力是不变的,只是式(1)的主要目的是为了计算水土侧压力,自由水是各向同性的,但强结合水和弱结合水与土颗粒一起呈各向异性特性,因此将除自由水之外的水纳入土骨架范围。式(4)是为找出土承载力与其他参数的关系,土承载力的大小主要与是否有压缩空间有关,压缩空间与孔隙度有直接关系,所以式(4)与式(1)不同是正常的,为了达到不同的目的,推导出不同的表达式。