1.2 有效應力的概念和有效應力原理

有效應力的概念是Terzaghi在1936年提出的，論述的原文見附錄1。大意是“在土體剖面上任何一點的應力可根據作用在這點上的總主應力σ1、σ2、σ3來計算，如果土中的孔隙是在應力u下被水充滿，那么總主應力由兩部分組成：一部分是u，以各方向相等的強度作用于水和固體，這一部分稱作中和應力（或稱孔隙水壓強）；另一部分為總應力σ和中和應力之差，即=σ1-u, =σ2-u, =σ3-u，它只在土的固相中發生作用。總主應力的這一部分稱為有效主應力。改變中和應力實際上并不產生體積變化，中和應力與所在應力條件下土體的破壞無關。多孔材料（如砂、黏土和混凝土）對u的反應似乎是不可壓縮的，好像內摩擦等于零。改變應力所能測得的結果，諸如壓縮變形和剪切阻力的變化，僅僅是由有效應力, 和的變化引起的[1]”。

Terzaghi的這一段話揭示了以下幾點：①習慣上，人們計算土的應力是土體的總應力；②土的總應力由有效應力和孔隙水壓強兩部分組成；③孔隙水壓強所引起的土的體積和強度變化小到幾乎觀測不到，有效應力是引起土的變形和強度變化的原因。后來，土力學學者，如Bishop、Jennings等將Terzaghi的觀點歸納為兩方面，并稱之為有效應力原理。這兩方面的內容是：土體體積和剪切強度的變化完全取決于有效應力的變化；土體有效應力等于總應力與孔隙水壓力之差。

在Terzaghi之前，人們說土體的應力一般都是指總應力，即土體總體（土骨架和孔隙流體的混合體）的應力。雖然以土體總體為分析對象計算其應力比較簡單，也比較符合人們的思維習慣，但是卻難以反映土體強度和變形的物理本質。原因是：形成土體結構的是土的固體骨架，土體的強度和變形其實是土骨架的強度和變形；而總應力不是土骨架應力，決定土體強度和變形的不是總應力，總應力與土體的強度和變形不存在本質上的對應關系。有效應力概念的提出和確立才使得我們有可能把握土的強度和變形的本質，建立土的強度和變形與應力之間的關系，建立土的應力應變的本構關系，進而建立和完善土力學的知識體系。

有效應力原理被認為是土力學中最重要的原理。Jennings認為Terzaghi飽和土有效應力原理的正確性已不容置疑，在土力學中所展現的意義是非常重要的[2]。Bishop認為有效應力原理不僅在對于土體變形和強度特性的理解方面提供了滿意的基礎，更為實際工程設計提供了很好的基礎，這一點早已被廣泛接受[3]。J.K.Mitchell認為太沙基關于飽和土體的有效應力原理是土力學的“拱心石”[4]，亦即是石拱結構中封頂的那一塊石頭，可見其重要性。李廣信認為“經典土力學中的太沙基一維滲流固結理論，比奧固結理論，土的排水與不排水強度及其指標，Skempton的孔隙水壓力系數，水下土體的自重應力與附加應力的計算，滲透變形，土中水的壓力（揚壓力與側壓力），地基的預壓滲流固結，有水情況下的極限平衡法邊坡的穩定分析等課題，都是建立在有效應力原理基礎上的。太沙基的有效應力原理也是土力學能夠成為一門獨立的力學學科的標志性理論”[5]。

雖然有效應力原理非常重要，也被大家普遍接受，但是作為土力學的基礎卻并非圓滿無缺。首先，盡管對于飽和土，室內試驗和巖土工程實踐反復證明了有效應力原理的適用性和正確性，可是對于非飽和土，到目前為止尚沒有大家都接受的有效應力表達式。其次，Terzaghi提出有效應力的概念基于觀察和經驗，沒有給出理論依據，其定義也不是很清晰。他只是提出有效應力等于總應力減去孔隙水壓強以及有效應力決定土的變形和強度，卻沒有說明原因。這導致了到目前為止，大多數學者都認為有效應力是虛擬的物理量，同時也使得有效應力概念和有效應力原理自提出以來一直伴隨爭議。