土的强度机理及影响因素分析

土的强度机理及影响因素分析
摘要：介绍了土强度的形成机理及其特性，对土的强度的表现形式中的粘聚力和内摩擦角作了深入阐述，从中归纳总结出了土强度的影响因素。

关键词：土的强度库仑—莫尔强度理论粘聚力内摩擦角影响因素
1.引言
土与人类的关系十分密切。

在人类文明发展进程的几千年历史中，挖沟筑堤，疏河开渠，建造房屋，首先涉及的都是土的强度问题。

人们通过长期实践对土的强度的重要性有了较深刻的理解。

土的强度理论的研究甚至早于“土力学”学科的建立，也就是即早于太沙基1925年出版其著作《土力学与基础工程》。

1776年，法国工程师库仑在试验的基础上提出了著名的库仑公式，就开始了土强度的理论研究。

即：
τf=c+σ*tanυ（1）
1900年莫尔提出，在土的破坏面上的抗剪强度是作用在该面上的正应力的单值函数，即：
τf=f(σf)（2）
这样，库仑公式就只是在一定应力水平下的线性特例。

从而建立了著名的莫尔—库仑强度理论。

2.土的抗剪强度机理
从式（1）中可以看出，土的强度由两部分组成：c和σ*tanυ。

前者为粘聚强度，后者为摩擦强度。

实际上土的强度机理及影响因素十分复杂，不能将二者截然分开。

无粘性土一般不存在严格意义上的粘聚力，但碎石，卵石在很密实的情况下，相互间紧密咬合，可在其中垂直开挖而不倒塌。

对于干沙和静水下饱和的沙土，只有坡度小于天然休止角时才能稳定。

而对于稍湿沙及毛细饱和区沙土，同样可以垂直开挖一定深度而不倒塌，这是由于毛细吸力使沙土颗粒间产生正的压力，这种有效压应力在颗粒间产生摩擦强度，宏观上表现为“假粘聚力”。

这种强度表现形式与实际机理不一致的情况随处可见。

所以我们将它们在形式上分为摩擦强度和粘聚强度只是基于分析和解决问题的方便。

3.摩擦强度
砂性土间的摩擦强度可分为两个部分：滑动与咬合。

而后者又会引起土的剪胀、颗粒破碎和颗粒重新定向排列，它们对土的强度又不同影响。

3.1固体颗粒间的滑动摩擦。

固体表面间的滑动摩擦是沿着固体滑动面产生的真正意义上的摩擦，它一般是土摩擦强度的主要部分，可以表示为
μ=T/N=tanυμ （3）
其中：N为摩擦面上的正压力；T为摩擦力；μ为摩擦系数，是一个材料的常数；υμ为滑动摩擦角。

由此可知滑动摩擦力只和接触面上的正压力及材料有关。

3.2咬合摩擦。

由于土颗粒间不可能是平面接触。

颗粒间的交错排列，使在剪切面处的颗粒会发生提升错动、转动、拔出，并伴随着土体积的变化、颗粒的重新定向排列及颗粒本身的破坏断裂。

广义上讲，由于剪切引起的土体积变化称为剪胀，所以广义的剪胀包括剪胀和剪缩。

但是一般讲剪胀是剪切引起的土体积增加，剪胀的结果使土颗粒从低势能状态变为高势能状态，需要消耗额外的能量。

因而剪胀后的结果常常是不稳定的，即在卸载时可部分恢复。

一般而言，土剪胀时对应着峰值强度，而剪胀稳定时对应着土的残余强度。

所以在有剪胀情况下的内摩擦角要大于无剪胀时的内摩擦角。

这是由于外力要克服剪胀引起的变形额外做功。

而剪缩则会减小抗剪强度。

4.粘聚力
在有效应力情况下，将总抗剪强度扣除摩擦强度σ*tanυ，即得到所谓的粘聚力。

从另一个角度看，所谓粘聚力是破坏面没有任何正应力作用下的抗剪强度。

由于大多数强度包线都不是绝对线性的，所以通过外延直线段找其截距确定粘聚力的做法往往与实际有较大的偏差。

而在很多低围压的情况下，甚至是无围压的情况下（正压力为零）剪切试验也很难准确地确定粘聚力。

所以说土的纯粹的粘聚力在数值上是难以精确测定的。

土的颗粒间存在着相互作用力，其中：土颗粒—水—电系统间的相互作用最为普遍。

颗粒间的相互作用力可能是引力也可能是排斥力。

土的粘聚力是土颗粒间引力与斥力的综合。

粘土中的引力主要包括下列几种。

（1）静电引力。

静电引力包括库仑力和离子—静电力。

由于粘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。

所以当边和面侧接触时会相互吸引。

另外由于粘土颗粒整体带负电荷，在水溶液中会吸附阳离子，两侧相邻颗粒靠近时，双电层重叠，形成公共的结合水膜，通过阳离子将两颗粒相吸引。

（2）范德华力。

范德华力是分子间的引力。

物质的极化分子与相邻的另一个极化分子间可通过相反的偶极吸引，当极化分子与非极化分子靠近时，也可能诱发后者，而与其反号的偶极相吸引。

（3）颗粒间的胶结。

粘土颗粒间可以被胶结物所粘结，它是一种化学键。

颗粒间的胶结包括碳、硅、铅、铁的氧化物和有机混合物。

这些胶结材料可能来
源于土料本身，亦即在矿物的溶解和重析出过程中形成，也可能来源于土中的水溶液。

由胶结物形成的粘聚力可能达到几百千帕，这种胶结不仅对于粘土，有时对沙土也会产生一定的粘聚力，即使含量很小，也明显的改变了土的应力应变关系和强度包线。

（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形成超固结土时，其抗剪强度并没有随着有效正应力的减小而按比例减小，而是保留了很大部分的强度。

这是由于在这个过程中孔隙比减小，颗粒间接触点形成了初始的化合键，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）表观粘聚力。

这种粘聚力并分来源于粘土颗粒间的胶结和各种化合键，实际上是摩擦强度表现为粘聚力。

包括在非饱和土中吸力引起的强度和粗粒土中咬合表现的强度。

5.影响土强度的因素
影响土强度的因素很多，可以定性的用公式表示为
τf=f(e, υ,C, σ,c,H,T, ε，S)（4）
其中：e为土的空隙比；υ为内摩擦角；C土的颗粒组成；σ为剪切面上的正应力；c为颗粒间的粘聚力；H为应力历史；T为温度；ε为应变；S为土的结构。

应当注意的是式（4）只是一个一般的表达式，而不能写成具体的函数，同时其中的各影响因素也不完全相互独立，可能相互重叠。

纵观上式，能够发现各种因素可以分为两大类，一类是土本身的因素，主要是其物理性质；另一类是外界条件，主要是应力应变条件。

前者可称为内因，后者可称为外因。

参考文献
[1] 黄文熙. 土的工程性质[M].北京:中国水利水电出版社,1983
[2] 沈珠江. 理论土力学[M].北京:中国水利水电出版社,2000
[3] 李广信.高等土力学[M].北京: 清华大学出版社,2004。