论土的黏聚强度

2017-08-22 09:52  来源:中国岩土网  阅读:1509
作为一种散体材料,似乎土的摩擦力更能反映土的力学性质的本质。

土的黏聚强度

土力学中的库伦公式表示为

图片未命名                        (1)     

可见土的抗剪强度由两部分组成:图片未命名图片未命名。前者为黏聚强度,后者为摩擦强度。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未命名,剩下的就是所谓的黏聚强度,这似乎是显而易见的,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,似乎土的摩擦力更能反映土的力学性质的本质。

 

1.黏聚力的机理

  根据式(1),严格地讲,土的黏聚力是在直剪试验中正应力sn等于0,或者三轴试验中的围压s3等于0时(式(2)),土所具有的抗剪强度。对于三轴试验,土的摩尔-库伦强度准则可表示为

图片未命名                   (2)

       由于图片未命名的直剪试验与图片未命名的三轴试验很难操作,一般是完成几个不同正应力sn或者不同围压s3的直剪或三轴试验,然后将强度包线外延,得到与竖坐标的截距,即认为它就是黏聚强度c,这往往并不是真正意义上的黏聚力。一般认为,式(1)中的黏聚强度的机理有以下几个方面。

1粗粒土的咬合

在农村,我们常常会看到,农民用块石或片石可以竖直干砌成1~3m高的围墙;我们用碎石击实制成的试样进行图片未命名的大型三轴试验时,也可以得到c>0的黏聚强度。例如造成300余人死亡的严重溃坝事故的青海沟后水库砂砾石面板坝,在分析计算中采用有效应力强度指标为图片未命名这些没有黏聚性的粗粒土为什么会有黏聚力呢?在图1的直剪试验中,表示的是两块固体间有咬合情况下界面处的抗剪强度情况。在图1(b)中,如果图片未命名,其包线的宏观摩擦角为图片未命名;当图片未命名,图1(a)中的“齿”就会折断,石块间的摩擦角就是石块间的滑动摩擦角图片未命名。如果图片未命名,则剪切力必须首先折断互相咬合的齿,即使图片未命名,也会有抗剪强度,表观上为一种黏聚力。这种咬合其实是一种隐形的摩擦力,是在固体自重作用下的摩擦力,表现为宏观的黏聚力c(见图1(b))

图片未命名

(a)                                     (b)

1锯齿状界面的抗剪强度试验

2基质吸力

在处于稍湿和潮湿的砂土中,可以开挖直立的边壁到一定高度而不倒塌,这表明它存在“黏聚力”。这种黏聚力可表示为图片未命名,它实质上是基质吸力s=ua-uw引起的,在砂土干燥或浸水饱和后吸力与与相应的黏聚力会迅速消失,即所谓浮光掠影,纸壁砂墙。所以也被称为“假黏聚力”。对于粉土和黏性土,这种吸力的影响是很大的。由于黏性土具有黏聚力,我们可以雕塑成各种形状,各种艺术品,烧制成瓷器与陶器;而并无黏聚力的砂土,在河(海)摊上同样可以制作蔚为壮观的砂雕作品,主要也是靠这种毛吸力(基质吸力)。

图片未命名

2 土粒间的毛吸力

在图2中,两个颗粒间为接触处的毛细水所连接,由于基质吸力亦即毛细力,它们会被紧紧连结在一起。吸力值s=ua-uw,它使两个颗粒间产生了吸力的反作用力——有效压应力,该压力产生了摩擦力,这一摩擦力在表观上似乎是黏聚力,即

图片未命名                            (3)

 3静电引力

它包括库仑力和离子-静电力。由于黏土矿物颗粒是片状的,在平面部分带负电荷,而两端边角处带正电荷。边角与面间的接触则会相互吸引,见图3(a)。另外,由于黏土颗粒表面带负电,在水溶液中吸附阳离子,两相邻颗粒靠近时,双电层重叠,形成公共结合水膜,通过阳离子将两颗粒相互吸引,见图3(b)。这也是一种由静电引力产生的黏聚力。

图片未命名

(a)黏土颗粒的面、边角间相吸引      (b)黏土颗粒通过阳离子和极化水分子相吸引

3  黏土颗粒间的静电引力

4范得华力van der Waals forces

范得华力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,而与其反号的偶极相吸引。所谓极化,是指尽管分子的总的正负电荷相等,但分布不均匀,正电荷集于一端,负电荷集于另一端。图4为水分子的结构的示意图,可见其中电荷的两极化。

5颗粒间的胶结

黏土颗粒间可以被胶结物所粘接,它是一种化学键。它们包括碳、硅、铅、铁的氧化和有机混合物。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。由胶结物形成的黏聚力较高,可达到几百kPa

图片未命名

4 水分子的结构示意图

6颗粒间接触点的化合价键

当正常固结黏土在固结后再卸载而成为超固结土,其抗剪强度并没有随有效正应力图片未命名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接近,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。

7冰冻

土中水的冻结可以产生土的黏聚力。因而冻土(砂土、黏性土)具有抗拉强度、无侧限抗压强度和无围压抗剪强度。

 在大气压力下,天然水在低于0℃时就会结晶成为冰。这种固体状态的水的晶体,分子呈规则排列。三个水分子在一个平面上,三个分子又组成另外一个平面(见图5)。氧与氧之间为氢键所连接,在一个平面上水分子间距离为4.5Å;冰的键能为19kJ/mol。当温度升高接近融点时,氢键间的破裂增多,冻土的强度降低,蠕变速率提高。可见冻土中的黏聚力与上述的化合价键相似。

图片未命名

5冰的分子结构

8)加筋土的黏聚力

通常认为加筋提高了土的黏聚力,而内摩擦角基本不变,见图6。其实这种黏聚力来源于筋材对于土的附加约束力Ds3,是由摩擦力转化的黏聚力。

6(a)表示一个加筋的砂土三轴试样,筋材通过筋土间的摩擦力对土体施加一个附加约束力Ds3 通过莫尔圆的换算可以得到式(4)的关系。

图片未命名                            4

可见这个黏聚力增量是由筋材施加的附加约束应力Ds3产生的,是由施加Ds3而增加的摩阻力而转化的。 

图片未命名  图片未命名

(a)                                     (b)

6 加筋土的强度增量

 

2.土的黏聚力与摩擦力的转化

(1)清楚地表明了土的抗剪强度的两个部分,即摩擦力与黏聚力。实际上土的抗剪强度机理及影响因素十分复杂,很难将二者截然分开,其工程上土强度的的表观形式与实际机理往往不一致。

图片未命名

7 正常固结黏土的强度包线

正常固结黏土的有效应力强度包线过原点,即c=0,不存在黏聚力,而在一定围压固结,具有一定密度的黏土肯定具有黏聚力。在图7中,这种正常固结黏土在固结应力图片未命名时,呈泥浆状态,颗粒没有形成骨架,所以黏聚力图片未命名;当固结应力分别为图片未命名时,对应的孔隙比为e1e2e3,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未命名是固结应力的函数而被宏观上归入内摩擦角部分中。

这种黏聚力与摩擦力在宏观上都被内摩擦角图片未命名所反映的现象,与土力学中的变形模量E0相似:土受力后的总变形既包括弹性变形,也包括塑性变形,在土力学中常常用一个类似于弹性理论中的杨氏模量的参数——变形模量E0表示,并使用各种弹性理论模型计算应力变形问题。

在图8中,饱和黏性土的不排水强度指标为图片未命名实际上黏土颗粒间肯定也存在摩擦强度,只是由于存在的超静孔隙水压力使所有破坏时的有效应力莫尔圆唯一,无法单独反映图片未命名部分强度。

图片未命名

8不固结不排水的三轴试验强度指标

在图7中,某一个固结压力s对应于一个土的孔隙比e,也就对应于一个抗剪强度图片未命名,而在不固结不排水试验中,所有试验中的试样始终只有一个不变的孔隙比e,因而也就只有一个抗剪强度图片未命名,其摩擦力与内摩擦角无法区分,所以图片未命名是没有意义的,并且极易误导学生,所以与其说cu是一个强度指标,不如说它是饱和土在这个孔隙比e下的抗剪强度。

3. 土的黏聚力与土中的内压力的关系

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,而抗剪强度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2)。有人认为这些黏聚抗剪强度来源于所谓的“内部压力(intrinsic pressure)”。这种内部压力产生的抗剪强度本质上还是摩擦强度,亦即图片未命名。颗粒间的胶结、接触点的化合价键以及冰冻主要是化学键形成的引力,它们已经深入到连续介质的分子、原子粒子层次,很难区分摩擦与黏聚;而粗粒土的咬合、加筋等可以直观看出它们的摩擦本质。

在拥挤的人群中,大人手拉着孩子可以经受巨大的拉力与剪力,似乎是大人与孩子之间存在着黏聚力。可是进一步分析就可以发现,其实是手与手之间紧握的压力,产生了较大的摩擦力,这才是抗拉与抗剪强度的实质。有人认为凡是这种相互吸引产生的粒间压力引起的摩擦力都是“假黏聚力”,只有颗粒的物质间以分子、离子和原子(电子和质子)层次结合在一起的才是真黏聚力。所以夫妻间由于异性相吸,所谓的爱情产生的黏聚力也是假黏聚力,正如基质吸力(毛细力)一样,可能由于毛细水的蒸发,或者浸水饱和而消失,相吸的颗粒会各奔东西一样,夫妻间会因内因或外因离婚而分手。这样看来,只有连体的双胞胎之间才是个体间的真黏聚力,是无法通过机械力将其分开的,但却是很罕见的。

4. 土的黏聚力的讨论

土体是由个体的颗粒形成的群体骨架,在自然界经常可以看到虫群、鱼群、鸟群、兽群与人群,与土是由颗粒组成的散粒体集合一样,它们也都是由很多个体组成的群体,与游离的个体相比,群体具有更强的抵抗力与战斗力。这源于它们的凝聚力。而血缘关系与基因(DNA)往往是其凝聚力与黏聚强度的渊源。

土的黏聚力正如军队的凝聚力,国民党的军队在抗日期间,在民族仇恨和爱国主义感情驱使下,正义的战争性质形成较强的凝聚力与战斗力,在武器装备训练远不如日军的情况下,打出了有声有色的台儿庄会战、长沙会战、滇缅战役、松山战役等。 1945年抗日胜利以后,人们都希望国家统一,安居乐业,不再内战。那时领导全国抗战的作为执政党的国民党本来在全国是有很的威信,但是由于它极度的贪污腐败,黑暗独裁。“想中央,盼中央,中央来了更遭殃”,使民心尽失。由于官兵不愿打内战,即使在抗日时很有战斗力的,武装精良的“王牌军”也全无斗志。而共产党及时地开展了土地改革和阶级教育,使贫苦农民分的了土地,使他们相信,只有打败国民党和地主阶级,才能保住分的的土地和财产,过好日子。在淮海战役中,百万民夫的支前壮举成为胜利的保证。有些被俘的国军,一旦变成解放军,其战斗力令人刮目相看,就是这个道理。

在动物界,虫群、鸟群与鱼群是低等级的,它们形成的群体主要靠本能的组构与信息的联系,成群地猎食与逃生。而哺乳动物的群体则要复杂得多。它们主要基于共同的基因与血缘,群体内有类似于语言交流。在大约7万年之前,人类在智人阶段的群体与黑猩猩群体并无很大差别,主要靠共同的DNA组成群体,据科学家观察,这种个体与个体间的交流,形成的群体最大规模约为150个体,否则它们之间就无法真正交流与合作。这与其他高级哺乳动物的群体的情况类似,成为凝聚成群的上限。

据说在由类人猿进化到人的过程中,曾有若干分支,谁取得最后的胜利就在于其凝聚的规模与能力。智人所以战胜并消灭了高大的尼安德特人、矮小的弗洛里斯人、鲁道夫人与匠人等其他人类,成为目前地球的主宰,是由于发展了更强大的黏聚力,突破了150个体的群体的门槛,形成百万人的部落、城堡与王国。这个黏聚力来源于所谓的“认知革命”,那是超越了其他生物界的认识与抽象的能力,亦即“文化”。

现代人的群体、社会与国家的强大黏聚力表现在如下各方面:

(1)民族主义

这似乎与动物群体的基因有关,但它后来超越了动物间血缘的范畴。例如纳粹的雅利安人优胜论,日本军国主义的大和民族,现代恐怖主义的东突厥斯坦伊斯兰共和国和伊斯兰国等。民族主义可产生强大的凝聚力,也极易为政客们所利用,产生很大的破坏力,它成为发动第二次世界大战的动力之一。他们也会用煽动名族主义和宗族主义以缓和国内的矛盾,但民族主义是一柄双刃剑,它可以激发爱国主义,也极易成为一种绑架政治的力量。冷战结束以后世界上的民族主义势力有抬头的趋势。

(2)宗教

最早的宗教与政治几乎是同一的,即政教合一。部落的巫师可能就是最高统治者。强大宗教力量可以是人类战争和动乱的根源,例如十字军东征,恐怖组织和中东的乱局;也可是社会维稳和进步的重要工具,如西方世界目前的基督教,全球性的宗教具有难以想象的凝聚力,但是一些邪教对于社会和人类也具有很大的破坏力。所以说,民族主义和宗教各是一把双刃剑:进步与后退、和平与动乱、建设与破坏都可能源于它们。

(3)意识形态、 政治理论、主义、思想、观点等

一个统一的党派、团体要靠共同的信仰、倾向与观点,政治上的个人迷信往往近乎于宗教,甚至邪教。这些由意识形态构建的理论体系,与科学技术体系不同,很难判断对错、好坏及邪恶与正义。它们只是一种“忽悠”、发动与凝聚人们的工具,朝鲜这个国家在意识形态上信奉马克思主义;国家体制上是社会主义国家;又坚持“红色基因”:发誓要用枪保卫万景台血统和白头山血统,可以基于血统而传递统治权力三代。它也可凝聚3000万人的意志,人们见到那个乳臭未干的“伟大领袖”会激动得泪流满面,而围绕着金正恩的哪些高官们也都挤出一种献媚的谄笑。但它可以研制出原子弹,据说其军队战斗力也不差。

如果仔细分析人类社会的黏聚力,同样可以发现所谓的宗族、宗教、主义等实际上是将人们集中与团结在一起的吸引力,产生了类似于土体中的“内压力”,靠个体间的组构与摩擦力产生强度,实际上也是一种假黏聚力。

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我有话说

全部评论(8)

  • wengtiande发表于 11月12日 13:44让我们共同努力:让道路不再坑洼,让土地不再沉陷
  • 看了李老的一些文章,深入浅出、释疑解惑!非常感谢! 但个人一直在怀疑:土力学是否一直想套用其他学科的术语或创造一些术语想解释土体问题,想用各种模拟的力学公式争取精确计算,是否在把问题复杂化 ..... 李老师您说过:“土力学是一门很‘土’的力学”,我想:去掉空气,土的问题也就只是“水、土”的问题而已,很多“土”的问题是否可以删繁就简,从“土”性出发、用“土”办法去简单解释和解决?
点评:
  • 梦无痕发表于 10月10日 09:34熟练地采选,了解物化遥,掌握勘测监,精通水工环。
  • 于岩土曰黏聚力,于社会曰凝聚力。李教授把土和社会一同比拟,社会就是流动的土,万事相通。
点评:
  • lsh_kai发表于 09月04日 14:40多交流,多查看。多实践,
  • 谢谢李老师的 这篇精美文章答疑解惑,我之前在学习土力学的时候 与 很多人 有过讨论,我们就在想,到底什么是 粘聚力,如何形成的?为什么 实验室测定粘聚力的方法 是间接的而不是直接的。 也想到过 是不是粘聚力也是一种 更微观方面的 摩擦力。 读了李老师这篇文章 真是茅塞顿开!!!大赞。。。还有您上一篇中的 论摩擦强度也很美,真想跟李老师 继续学习,研究研究 岩土中的 真知。
点评:
  • pdly发表于 08月29日 01:48这家伙很懒,没有个性签名!
  • 李教授的水平不是一般的高啊!
点评:
  • 岩土k发表于 08月28日 09:03学习、交流,思辨、笃行!
  • 说得全面、在理。
点评:
  • wingho2zju发表于 08月27日 15:59越简单越好。
  • 李教授高屋建瓴,从自然规律联想到社会学,对粘聚力的解释很有意思。
点评:
  • wajw1988发表于 08月26日 18:22这家伙很懒,没有个性签名!
  • 感觉微观物理化学的结合!
点评:
  • fs3357发表于 08月26日 09:22这家伙很懒,没有个性签名!
  • 沙发空缺中,快抢~
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李广信

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教授
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