3.2 土的抗剪强度的机理 摩擦强度摩擦强度 tantan 与黏聚（力）强度与黏聚（力）强度 c c 一一般般不不可可能能将将二二者者截截然然分分开开。其其表表现现形形式式与实际机理往往不一致，例如：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）砂石土的咬合与毛细吸力表现为（假）黏聚力黏聚力 正常固结黏土强度包线过原点正常固结黏土强度包线过原点（假）摩（假）摩擦力擦力 饱和黏土饱和黏土 u u=0=0，c cu u：实际存在摩擦力实际存在摩擦力3.2 土的抗剪强度的机理3.2.1 摩擦强度1 1. .固体颗粒间的滑动摩擦固体颗粒间的滑动摩擦2 2. .咬合摩擦咬合摩擦3.2.2 黏聚力1 1. . 静电引力静电引力2 2. . 电磁引力电磁引力3 3. . 颗粒间的胶结颗粒间的胶结4 4. . 颗粒间接触点的化合价键颗粒间接触点的化合价键5 5. . 表观的（假）黏聚力表观的（假）黏聚力3.2.1 摩擦强度1 1. .固体颗粒间的滑动摩擦固体颗粒间的滑动摩擦1)1)固体表面的固体表面的“纯纯纯纯”滑动摩擦滑动摩擦2)2)其中其中N N 正压力，正压力，3)3)T T 为剪切力，为剪切力，4)4) 为摩擦系数，为摩擦系数，5)5) u u为滑动摩擦角。为滑动摩擦角。可见摩擦力可见摩擦力T T 正比于正压力正比于正压力N N；两物体间摩擦阻两物体间摩擦阻力与物体尺寸无关。力与物体尺寸无关。NT图图37 滑动摩擦n 即使是极光滑的表面：起伏在10nm100nm之间（纳米，10-9m），不平处的坡度为120175 n 对于看似光滑的石英矿物表面其凹凸不平可达到500nmn 一些松散矿物颗粒表面不平度可超过这个尺度10倍以上n 存在不规则表面的咬合和“自锁” 作用和分子层次的作用力。光滑表面的真实的固体表面图图38 固体接触表面的微观情形y：材料（矿物）的屈服应力m：材料抗剪强度摩擦系数 由于实际接触面积很小，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。图图39 粗粒土的实际接触面积NNT TAAc c不平表面吸附膜的影响不平表面吸附膜的影响吸附膜的c要比m小得多。所以清洁与否十分重要图图310 不平表面吸附膜的影响不平表面吸附膜的影响粗糙清洁n没没有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n粗糙表面受清洁与否影响较小n 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。图图311 不同情况下石英表面的滑动摩擦系数光洁光洁一般状态下石英砂：0.5， 26常见矿物的滑动摩擦角图图311 常见矿物的滑动摩擦角3.2.1 摩擦强度2 2. .咬合摩擦咬合摩擦1)1)颗粒间的咬合：颗粒间的咬合：2)2)微观现象：颗粒的微观现象：颗粒的提升、错动、转动、拔出、断提升、错动、转动、拔出、断裂、接触点的破损裂、接触点的破损3) 3) 宏观现象：剪胀、破碎、定向和重排列宏观现象：剪胀、破碎、定向和重排列提高抗提高抗剪强度剪强度图图313 颗粒间的咬合摩擦咬合摩擦咬合的三种结果剪胀剪胀剪胀剪胀折断，破碎折断，破碎折断，破碎折断，破碎定向与重排列定向与重排列定向与重排列定向与重排列3=13.7MPa高围压下密砂三轴试验破坏后，砂的孔隙比e=0.37，明显小于初始（最小）孔隙比(0.61)。n n颗粒的破碎颗粒的破碎试验前后的级配曲线-颗粒的破碎三轴剪胀a.无剪胀时：外力作功 （1）b.有剪胀：外力作功增加（2）假设（v1:D1:有剪胀有剪胀D=1:D=1:无剪胀无剪胀（2）（3）（4）如 相等：（5）强度增加！（1 1）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图图315 土的强度及其影响因素1)1)剪胀提高了抗剪强度；剪缩（负剪胀）减少了抗剪强度；剪胀提高了抗剪强度；剪缩（负剪胀）减少了抗剪强度；2) 2) 颗粒的破碎与重定向排列需要额外作功，也增加了土的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；的可能性，甚至会发生剪缩；3)3)在高围压下，颗粒破碎量大，很难发生剪胀；在高围压下，颗粒破碎量大，很难发生剪胀；4)4)颗粒的重排列往往会破坏土的原有结构，造成剪胀量减颗粒的重排列往往会破坏土的原有结构，造成剪胀量减少。少。从这个角度来看，颗粒的破碎和重排列减少了土的剪胀，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。擦强度。几点结论3.2.2 黏聚力1 1. .静电引力静电引力（electrostatic attractionelectrostatic attraction） 颗粒颗粒 平面部分带负电荷，而两端边角处带正平面部分带负电荷，而两端边角处带正电荷，异号电荷吸引；电荷，异号电荷吸引； 黏土颗粒的边角与平面相对时，两个反号的黏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。双电层相互作用而产生吸引力。2 2. . 范得华力范得华力. .Van der Waals forcesVan der Waals forces 它是分子层次间的引力。物质的极化分子与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，也可能引；极化分子与非极化分子接近时，也可能诱发后者。诱发后者。 只有很小的颗粒只有很小的颗粒（1m1m，1010-6-6mm) )，在很近的在很近的时候它才会起作用。距离稍远它衰减很快，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。可认为与于颗粒距离的四次方成反比。3.2.2 黏聚力3. . 颗粒间的胶结颗粒间的胶结1)1)它它们们包包括括碳碳、硅硅、铅铅、铁铁的的氧氧化化物物和和有有机机混合物。混合物。2)2)这这些些胶胶结结材材料料可可能能来来源源于于土土料料本本身身，亦亦即即矿矿物物的的溶溶解解和和重重析析出出过过程程；也也可可能能来来源源于于土中水溶液中。土中水溶液中。3)3)由胶结物形成的黏聚力可达到几百由胶结物形成的黏聚力可达到几百kPakPa。4)4)这这种种胶胶结结不不仅仅对对于于黏黏土土，而而且且对对于于砂砂土土也也会会产产生生一一定定的的黏黏聚聚力力，即即使使含含量量很很小小，也也明明显显改改变变了了土土的的应应力力应应变变关关系系及及强强度度包包线线。也是土的结构性的主要原因。也是土的结构性的主要原因。n n 当当正正常常固固结结土土在在固固结结后后再再卸卸载载而而成成为为超超固固结结，其其抗抗剪剪强强度度并并没没有有随随有有效效正正应应力力的的减减少少而而按按比比例例减减少少，而而是是保保留留了了很很大大部部分分的的强度。强度。n n在在这这个个过过程程中中由由于于孔孔隙隙比比减减少少，造造成成在在颗颗粒粒间接触点形成初始的化合价键是重要原因。间接触点形成初始的化合价键是重要原因。n n这这种种化化合合键键主主要要包包括括离离子子键键、共共价价键键和和金金属属键，其键能很高。键，其键能很高。4. 4. 颗粒间接触点的化合价键颗粒间接触点的化合价键5. 5. 表观的黏聚力表观的黏聚力 机械咬合机械咬合毛细吸力毛细吸力冰冻等冰冻等黏聚力总结黏聚力总结 黏聚力都是来源于颗粒间由于各种土内部吸引黏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。有人认为这种黏聚引力而产生的粒间的摩擦。有人认为这种黏聚抗剪强度来源于抗剪强度来源于“ “内部压力内部压力” ”产生的摩擦力。产生的摩擦力。 据测试分析表明，粒间吸引力引起的黏聚力较据测试分析表明，粒间吸引力引起的黏聚力较小，化学胶结力是黏聚力的主要部分。小，化学胶结力是黏聚力的主要部分。各种黏聚力的数值范围图图316