土的抗剪强度的机理详解

3.2土的抗剪强度的机理摩擦强度tan

与黏聚（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）黏聚力正常固结黏土强度包线过原点—（假）摩擦力饱和黏土u=0，cu：实际存在摩擦力3.2土的抗剪强度的机理摩擦强度1.固体颗粒间的滑动摩擦2.咬合摩擦黏聚力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）黏聚力摩擦强度

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正压力，3)T为剪切力，4)μ为摩擦系数，5)u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。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”作用和分子层次的作用力。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3－9粗粒土的实际接触面积NTAc不平表面吸附膜的影响吸附膜的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光洁一般状态下石英砂：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)微观现象：颗粒的提升、错动、转动、拔出、断裂、接触点的破损……3)宏观现象：剪胀、破碎、定向和重排列—提高抗剪强度图3－13颗粒间的咬合摩擦咬合的三种结果剪胀折断，破碎定向与重排列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)。

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（v<0)图3－14剪胀模型D>1:有剪胀D=1:无剪胀（2）（3）（4）如

相等：（5）强度增加！（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。几点结论黏聚力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；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。2.范得铅华力挑.Van私de匹rW已aal拘sf厚orc慢es它是分朋子层次少间的引冻力。物矮质的极乏化分子例与相邻键的另一贸个极化暖分子间魔通过相帅反的偶述极吸引凑；极化案分子与测非极化阁分子接悟近时，感也可能慕诱发后绢者。只有很役小的颗朴粒（<1妈μm，萝10-6m)，在而很近的倦时候它需才会起湿作用。挠距离稍乓远它衰猫减很快晶，可认签为与于题颗粒距决离的四交次方成芒反比。黏聚爽力3.颗粒邻间的货胶结1)它们免包括擦碳、细硅、抬铅、独铁的层氧化远物和兔有机母混合锻物。2)这些胶晓结材料绍可能来残源于土漏料本身概，亦即抄矿物的畅溶解和赖重析出有过程；篇也可能陵来源于炉土中水奥溶液中异。3)由胶结炉物形成改的黏聚折力可达研到几百kP楼a。4)这种胶遇结不仅己对于黏店土，而其且对于尘砂土也英会产生建一定的幸黏聚力亏，即使设含量很震小，也境明显改燥变了土边的应力豪应变关乌系及强嗓度包线船。也是他土的结舰构性的孩主要原广因。当正常带固结土忍在固结鼻后再卸逗载而成衣为超固废结，其着抗剪强浮度并没动有随有妄效正应掏力的减姥少而按凝比例减民少，而矮是保留辩了很大垒部分的茄强度。在这个翻过程中吸由于孔芝隙比减玻少，造胜成在颗配粒间接睬触点形谷成初始呜的化合将价键是章重要原呜因。这种化忘合键主欢要包括熟离子键泰、共价很键和金穿属键，包其键能浩很高。4.颗粒间荡接触点形的化合死价键5.表观私的黏蓝聚力机械果咬合毛细慕吸力冰冻比等黏聚力芹总结黏聚力蚂都是来稿源于颗盲粒间由舰于各种泰土内部延吸引而破产生的免正应力秤。而抗退剪强度同则是由臣于这些伸吸引力欺而产生葱的粒间鱼的摩擦字。有人资认为这扮种黏聚告抗剪强典度来源质于“内嫩