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李传亮石油观| 说说Terzaghi有效应力

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Karl Terzaghi(1883-1963),美籍奥地利人,1923年提出了Terzaghi有效应力,1925年出版了《土力学》 ,是土力学的创始人,世界著名的科学家。

在Terzaghi之前,人们把土和岩石之类的多孔介质都当作普通固体进行研究,用固体力学 的理论分析多孔介质的力学行为,即只考虑外压(绿色应力圆),而不考虑孔隙中的流体压力。这样做的结果,严重高估了基础工程的安全性,并导致大坝、水电站等工程项目的事故频发。Terzaghi提出的有效应力概念,一举扭转了这个局面,让基础工程的安全性大幅度提高(红色应力圆),他也因此而蜚声世界,经常请去各地演讲和指导工作,从而开启了轰轰烈烈又波澜壮阔的职业生涯。

多孔介质同时受外压(外应力)和内压(内应力)的共同作用,外应力使介质压缩,内应力使介质膨胀,二者的作用效果正好相反,把内应力的作用从外应力中扣除,就是所谓的有效应力。

Terzaghi有效应力的计算公式为

很显然,Terzaghi直接从外应力中减去了内应力。Terzaghi有效应力的提出,是基于下面的Terzaghi实验。Terzaghi实验用弹簧模拟骨架,骨架的占比较小,即介质的孔隙度较高,几乎为1。从实验结果中总结出了Terzaghi有效应力。

当然,孔隙度为1的多孔介质并不存在,即使是疏松的土介质,其孔隙度也不是1。因此,Terzaghi有效应力并没有严格意义上的适用对象,这也为Terzaghi有效应力在长期的应用实践中出现的各种偏差埋下了伏笔。

实际上,外应力的作用面积为整个多孔介质,而内应力只作用在孔隙中,作用面积远小于外应力,二者不能直接相减,Terzaghi在建立有效应力时明显减多了。正确的有效应力应为下式,即本体有效应力

Terzaghi有效应力的误差还是很大的,孔隙度为80%的疏松土介质误差为20%,孔隙度为20%的致密岩石误差为80%,因此,Terzaghi有效应力应用于土介质时近似正确,应用于岩石时则完全错误。例如,外应力和内应力皆为50MPa时,土和岩石的Terzaghi有效应力皆为0,而土的本体有效应力为10MPa,岩石的本体有效应力为40MPa,数值相差甚大。

用莫尔-库伦强度理论 分析介质的强度时,可以有三个选择:

(1)选用外应力

选用不同的有效应力,得出的结果是完全不同的。

石油地质长期使用的有效上覆压力概念,石油工程实验长期使用的净围压概念,其实都是Terzaghi有效应力的代名词,都需要调整为本体有效应力,否则,研究结论的正确性就很难保证了。

来源:岩层书旅
多孔介质理论
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首次发布时间:2026-01-25
最近编辑:8月前
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