土的黏聚力与摩擦力
zsd_7964612046
2022年09月27日 13:14:25
来自于岩土工程
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根据摩尔-库伦强度准则,土的抗剪强度通常表示为                        (3) 亦即土的抗剪强度可分为摩擦强度和黏聚强度(力)c,一般认为,土的摩擦强度源于土骨架中颗粒间的由于法向压力而产生的摩擦力;将总抗剪强度扣除了摩擦强度,剩下的就是所谓的黏聚强度,这似乎是显而易见,很容易区分的。但如果认真分析土的抗剪强度的机理,事情就不那么简单了。作为一种散体材料,似乎土的摩擦更能反映土的力学性质的本质。

根据摩尔-库伦强度准则,土的抗剪强度通常表示为

图片                       (3)

亦即土的抗剪强度可分为摩擦强度图片和黏聚强度(力)c,一般认为,土的摩擦强度源于土骨架中颗粒间的由于法向压力而产生的摩擦力;将总抗剪强度扣除了摩擦强度图片,剩下的就是所谓的黏聚强度,这似乎是显而易见,很容易区分的。但如果认真分析土的抗剪强度的机理,事情就不那么简单了。作为一种散体材料,似乎土的摩擦更能反映土的力学性质的本质。

土的真正的黏聚力是在直剪试验中正应力图片等于0,或者三轴试验中的围压图片等于0时,土所具有的抗剪强度。如上文上述,这种试验难以实现,另外由于强度非线性、粗颗粒的咬合、破碎等原因,认为内摩擦角图片为常数,则会从强度包线与竖坐标轴的截距得到不甚真实的黏聚力。

有人简单地认为。所谓黏性土就是有黏聚力的土,无黏性土就是黏聚力为零的土。如上所述,这并不是其区分的准则。在土力学中,正常固结黏土的有效应力强度包线过原点,即黏聚力c=0,但在一定围压下固结,具有一定密度的黏土肯定具有黏聚力,它源于颗粒间接触点的化合价键。在图2中,上图为固结(侧限压缩)试验的p(图片)-e曲线,下图为压力对应的直剪试验的强度包线。在图片时,正常固结黏土的前期固结应力为零(如黄河泥沙在河口刚刚沉积),呈泥浆状态,颗粒没有形成骨架,全部抗剪强度为零,黏聚力也就为零;当固结应力分别为图片时,对应的孔隙比为e1、e2与e3,表明土颗粒间逐渐靠近,颗粒间接触点产生化合价键,对应的黏聚力分别为ce1ce2ce3。但这部分黏聚力图片是固结应力的函数而被宏观上归入摩擦强度部分中。

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这种情况下的强度包线不能真实地反映土的强度机理,使我们无法用试验的黏聚力定义黏性土,而用图片>10就更能反映黏性土中黏性的实质。

在上述所列的土的各项黏聚力中,可以发现它们都是源于颗粒群、颗粒、分子、离子与原子键各种层次的相互作用。由此而产生的黏聚力多来源于颗粒中粒子间各种内部吸引,例如库伦静电吸力、范德华力、基质吸力等,而表观的黏聚力则是由于这些吸力而产生的粒间的压力而形成的摩擦力(见图3、图4)。

在图3中的非饱和土中,两个颗粒间由粒间毛细水的毛细张力将二者拉在一起,在两个颗粒间产生压力,这个压力产生的摩擦力,在宏观上的抗剪强度表现为黏聚力。同样,在图4中黏土颗粒带有不均匀分布的正负电荷,颗粒的角-面接触或公用阳离子都会由静电引力将黏土颗粒拉在一起,颗粒间的压力产生的摩擦力表观上为土的黏聚力。有人认为这种黏聚力主要来源于所谓的“内部压力(intrinsic pressure)”。这种内部压力产生的黏聚抗剪强度本质上还是摩擦强度。

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在拥挤的人群中,大人手拉着孩子可以经受很大的由人群涌动产生的拉力与剪力,而不致使孩子失散,似乎是大人与孩子之间存在着黏聚力。可是进一步观察分析就可以发现,其实是大人的手紧握孩子的手,紧握的压力产生了较大的摩擦力,这才是抗拉与抗剪强度的实质。

测定土的强度的室内试验有直剪试验和三轴试验,对于饱和土根据排水条件可以有固结排水CD(慢剪)、固结不排水CU(固结快剪)和不固结不排水UU(快剪)三种类型的试验。对于某原状的饱和黏土试样的三种试验结果见图5.

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可见不同的排水条件试验得到的强度包线的黏聚力是不同的,其实CU和 UU试验中较大的黏聚力是由试验中的超静孔压力引起的,使一部分摩擦强度表现为黏聚力。

从此可见直接用有无黏聚力,及黏聚力的大小来定义与区分黏性土与无黏性土是行不通得的。宏观上抗剪强度中的黏聚强度与摩擦强度在其机理上是相当复杂的,往往不能再于本质上反映土的强度机理。因而前面所说的:黏性土是塑性指数大于10 的细粒土;无黏性土是“颗粒间不具有黏聚力,在抗剪强度中黏聚力可以忽略的粗粒土”,是更合理与实用的。


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