●李传亮
有效应力是多孔介质力学的一个基本概念,它经历了三个发展阶段。
1、Terzaghi有效应力阶段 1923年,K.Terzaghi针对疏松的土介质提出了第一个有效应力,即介质外应力与内应力的简单差值:
后人也把上式定义的有效应力称之为Terzaghi有效应力。由于Terzaghi第一次提出了有效应力的概念,人们也把有效应力定律称之为Terzaghi定律。
2、Biot有效应力阶段 Terzaghi有效应力适用于疏松的土介质,但并不适用于致密的岩石。针对致密的岩石,1941年M.A.Biot对Terzaghi有效应力进行了修正,Biot公式为:
上式
计算的有效应力被称作Biot有效应力,Biot公式中的
α为经验常数,它没有确切的物理意义,一般通过实验进行测量,但由于受实验条件的限制,实验测量结果相差较大,一般在0-1之间变化,错误时也会测量出大于1或小于0的实验结果。大于1,表示介质会自动膨胀;小于0,表示介质会自动收缩。
3、双重有效应力阶段 1999年,笔者提出多孔介质存在两种基本的变形机制:本体变形和结构变形。与此相对应,多孔介质也存在两个有效应力:本体有效应力和结构有效压力,合称为双重有效应力,计算公式为:
本体有效应力决定介质的本体变形,结构有效应力决定介质的结构变形。
至此,多孔介质的有效应力概念,在经历了三个发展阶段之后基本上完善了起来。
然而,有效应力概念一直被误用,人们至今仍然使用Terzaghi有效应力,并且使用Terzaghi有效应力的代名词:有效上覆压力和净围压。不论是有效上覆压力,还是净围压,都是岩石所受外压与内压的简单差值,人们使用该差值试图表示岩石受到的有效应力,实际上并未做到。外压与内压的差值,是岩石受到的有效应力吗?差值越大,是否表明岩石受到的有效应力就越大?这是必须要回答的问题,否则,外压与内压的差值就失去了意义。
两位百岁老人的年龄之差为0,这表明两位老人都很年轻吗?显然不是。两位小学生的年龄相差5岁,这表明两位小学生都很老吗?显然也不是。当岩心的内外压均为100MPa时,内外压差为0,这表示岩石不受压吗?显然不是。当岩石的外压为5MPa、内压为0时,外压与内压的差值为5MPa,这表示岩石受到的有效应力很大吗?显然也不是。人们不应该继续误用多孔介质的有效应力概念了。