The concept of effective stress for soil, concrete and rock

Abstract

Many different expressions have been proposed for the effective stress principle for porous media, but none has clearly been acknowledged as being the correct one. It should be possible to determine the correct expression, because this is fundamental principle of mechanics. Following review of the candidate expressions proposed for soil, concrete and rock, a comprehensive expression is derived involving the factors observed in experiments on 'artificial rock'. In this new expression a distinction is made between the compressibilities of grains and skeleton due to total stresses and pore pressures. This general and more comprehensive expression is then tested against the experimental evidence. The expression may be specialized for (a) granular materials with separate grains with contact points and (b) solid rock with interconnected pores. The new expression for the effective stress contains most of the previously proposed expressions as special cases. Based on results of compression tests on quartz (with hard grains) and on gypsum (with soft grains) it is shown that Terzaghi's effective stress principle works well for most geotechnical applications, but significant deviations occur at very high stresses. Un grand nombre d'expressions différentes du principe de la tension efficace ont été proposées pour les matériaux poreux, mais aucune n'a vraiment été acceptée comme parfaite. II devrait Être possible de déterminer la bonne expression, vu qu'il s'agit là d'un principe fondamental de mécanique. Après avoir examiné les expressions proposées pour le sol, le béton et la roche, les auteurs ont dérivé une expression globale qui met en jeu les facteurs observés lors d'essais sur de la « roche artificielle» Cette nouvelle expression fait la distinction entre les compressibilités des grains et du squelette dues aux contraintes totales et aux pressions interstitielles. Les ré sultats d'études expérimentales servent ensuite à véerifier la validité de cette expression générale et plus étendue. L'expression pent Être modifiée pour (1) les matériaux granulaires à grains séparés avec points de contact et (2) la roche en place à interstices interconnectés. Cette nouvelle expression de la tension efficace contient comme cas particuliers la plupart des expressions proposées antérieurement. À partir des résultats d'essais sur du quartz (à grains durs) et du gypse (à grains tendres), on montre que le principe de la tension efficace de Terzaghi s'applique à la plupart des cas géotechniques, mais qu'il se produit des écarts importants quand les contraintes sont très élevées.