高等土力学(李广信)3.2-土的抗剪强度的机理

3.2土的抗剪强度的机理摩擦强度tg与粘聚（力）强度c一般不可能将二者截然分开。其表现形式与实际机理往往不一致，例如：砂石土的咬合与毛细吸力－表现为（假）粘聚力正常固结粘土强度包线过原点—（假）摩擦力饱和粘土u=0，cu：实际存在摩擦力ftgc3.2土的抗剪强度的机理3.2.1摩擦强度1.固体颗粒间的滑动摩擦2.咬合摩擦3.2.2粘聚力1.静电引力2.电磁引力3.颗粒间的胶结4.颗粒间接触点的化合价键5.表观的（假）粘聚力3.2.1摩擦强度1.固体颗粒间的滑动摩擦1)固体表面的“纯”滑动摩擦2)其中N为正压力，3)T为剪切力，4)μ为摩擦系数，5)φμ为滑动摩擦角。可见摩擦力T正比于正压力N；两物体间摩擦阻力与物体尺寸无关。μNTtgNT图3－7滑动摩擦即使是极光滑的表面：起伏在10nm~100nm之间（纳米，10-9m），不平处的坡度为120°~175°对于看似光滑的石英矿物表面其凹凸不平可达到500nm一些松散矿物颗粒表面不平度可超过这个尺度10倍以上存在不规则表面的咬合和“自锁”作用光滑表面的真实的固体表面图3－8固体接触表面的微观情形yNAcy：材料的屈服应力mcATm：抗剪强度摩擦系数由于接触实际面积很小，局部压力很大，会使材料达到屈服；由于距离是单分子的尺度，形成吸附引力；可能使局部矿物产生重结晶。图3－9表面接触面与接触面积NTAcmyTN不平表面吸附膜的影响cmc)1(AT吸附膜的τc要比τm小得多。所以清洁与否十分重要图3－10不平表面吸附膜的影响粗糙清洁没有化学清洁的表面由于吸附膜的润滑作用，抛光表面摩擦角很小粗糙表面受清洁与否影响较小在饱和情况下，由于水对吸附膜的破坏，其滑动摩擦角有所提高对于片状矿物颗粒的土，水也可起润滑作用及使矿物软化干燥，不清洁水中，不清洁0.41.0非常清洁一般清洁不同情况下石英表面的滑动摩擦系数。图3－11不同情况下石英表面的滑动摩擦系数饱和石英22~24.5°饱和长石28~37.6°饱和方解石34.2°非粘土矿物饱和绿泥石12.4°高岭石12°伊里石10.2°粘土矿物蒙脱石4~10°一般状态下石英砂：μ≈0.5，≈26°常见矿物的滑动摩擦角图3－11常见矿物的滑动摩擦角3.2.1摩擦强度2.咬合摩擦1)颗粒间的咬合：2)微观结果：颗粒的提升、错动、转动、拔出、断裂、接触点的破损……3)宏观结果：剪胀、破碎、定向和重排列—提高抗剪强度图3－13颗粒间的咬合摩擦1v1ddD剪胀r113rwa.无剪胀时：外力作功（1）f113rv3f113v3rwwb.有剪胀：外力作功增加（2）假设（v0)图3－14剪胀模型D1:有剪胀D=1:无剪胀3vr3113vrf311fww（2）3r31f311v（3）1v3131rf（4）如相等：1vrf222245tg45tg（5）强度增加！1单纯滑动摩擦2滑动＋剪胀（缩）3滑动＋剪胀＋颗粒破碎及重排列3图3－15土的强度及其影响因素1)剪胀提高了抗剪强度；剪缩（负剪胀）减少了抗剪强度；2)颗粒的破碎与重定向排列需要额外作功，也增加了土的抗剪强度。但由于颗粒破碎与重排列减少了土产生剪胀的可能性，甚至会发生剪缩；3)在高围压下，颗粒破碎量大，很难发生剪胀；4)颗粒的重排列往往会破坏土的原有结构，造成剪胀量减少。从这个角度来看，颗粒的破碎和重排列减少了土的剪胀，与不发生颗粒的破碎和重排列相比，实际上减少了土的摩擦强度。几点结论3.2.2粘聚力1.静电引力（electrostaticattraction）颗粒平面部分带负电荷，而两端边角处带正电荷，异号电荷吸引；粘土颗粒的边角与平面相对时，两个反号的双电层相互作用而产生吸引力。2.范得华力.VanderWaalsforces它是分子层次间的引力。物质的极化分子与相邻的另一个极化分子间通过相反的偶极吸引；极化分子与非极化分子接近时，也可能诱发后者。只有很小的颗粒（1μm，10-6m)，在很近的时候它才会起作用。距离稍远它衰减很快，可认为与于颗粒距离的四次方成反比。3.2.2粘聚力3.颗粒间的胶结1)它们包括碳、硅、铅、铁的氧化物和有机混合物。2)这些胶结材料可能来源于土料本身，亦即矿物的溶解和重析出过程；也可能来源于土中水溶液中。3)由胶结物形成的粘聚力可达到几百kPa。4)这种胶结不仅对于粘土，而且对于砂土也会产生一定的粘聚力，即使含量很小，也明显改变了土的应力应变关系及强度包线。也是土的结构性的主要原因。4.颗粒间接触点的化合价键当正常固结土在固结后再卸载而成为超固结，其抗剪强度并没有随有效正应力的减少而按比例减少，而是保留了很大部分的强度。在这个过程中由于孔隙比减少，造成在颗粒间接触点形成初始的化合价键是重要原因。这种化合键主要包括离子键、共价键和金属键，其键能很高。5.表观的粘聚力机械咬合毛细吸力冰冻等粘聚力总结粘聚力都是来源于颗粒间由于各种土内部吸引而产生的正应力。而抗剪强度则是由于这些吸引力而产生的粒间的摩擦。有人认为这种粘聚抗剪强度来源于“内部压力”产生的摩擦力。据测试分析表明，粒间吸引力引起的粘聚力较小，化学胶结力是粘聚力的主要部分。各种粘聚力的数值范围图3－16