高等土力学李广信32土的抗剪强度的机理.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,，,c,u,：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,.,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),为摩擦系数，,5),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。,N,T,图,3,7,滑动摩擦,即使是极光滑的表面：起伏在,10nm100nm,之间（纳米，,10,-9,m,），不平处的坡度为,120175,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,y,：,材料的屈服应力,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,N,T,A,c,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,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,0.4,1.0,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,一般状态下石英砂：,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,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,1:,有剪胀,D=1:,无剪胀,（,2,）,（,3,）,（,4,）,如,相等：,（,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,（,electrostatic attraction,）,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,.,Van der Waals forces,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,（,1m,，,10,-6,m,),，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,