謝 瀟

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)責(zé)任有限公司，陜西 西安 710075； 2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；3.國(guó)土資源退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075； 4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

1 粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的含義

土體抗剪強(qiáng)度由兩部分組成：摩擦強(qiáng)度σtanφ和粘聚強(qiáng)度c。c和φ是巖土體最基本的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。1776年法國(guó)科學(xué)家?guī)靵鐾ㄟ^(guò)試驗(yàn)分析和總結(jié)，將土的抗剪強(qiáng)度表述為：

τf=c+σtanφ

(1)

對(duì)土樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，做出應(yīng)力莫爾圓，做其公切線，斜率即為內(nèi)摩擦角φ，τ軸上的截距即粘聚力c(見(jiàn)圖1)。

由式(1)可以看出，當(dāng)土體的正應(yīng)力σ=0時(shí)，粘聚力c即為土體的抗剪強(qiáng)度。粘聚力是使土顆粒相互聯(lián)接在一起的作用力，主要由靜電引力、范德華力、顆粒之間的膠結(jié)、顆粒間接觸點(diǎn)的化合價(jià)鍵及表觀粘聚力組成。摩擦角涉及到顆粒間的相對(duì)移動(dòng)，包括發(fā)生剪切時(shí)，顆粒與顆粒接觸面上產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦，及顆粒間脫離咬合狀態(tài)而移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的咬合摩擦[1]。前者是由于顆粒間接觸面粗糙不平所致；后者表現(xiàn)為剪脹效果，土體剪脹需要消耗能量，這部分能量由剪切力做功來(lái)完成。

2 c,φ值的確定

c,φ主要通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得，室內(nèi)獲得c,φ值的方法主要是直剪和三軸試驗(yàn)。

2.1 直剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)主要使用應(yīng)變控制式直剪儀(如圖2所示)來(lái)進(jìn)行，使用直剪儀測(cè)定巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)一般需要四個(gè)試樣，對(duì)其分別施加四個(gè)不同的垂直壓力p，測(cè)定試樣剪切時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力S，根據(jù)測(cè)得的幾組數(shù)據(jù)繪制S—p關(guān)系曲線，即可確定土樣的c，φ值。

按照土樣是否排水及固結(jié)，直剪試驗(yàn)可分為三種：快剪試驗(yàn)是對(duì)土樣施加了豎向應(yīng)力之后，迅速進(jìn)行剪切試驗(yàn)，上下盒均放置不透水板。固結(jié)快剪是指土樣需先在一定的豎向應(yīng)力下充分排水固結(jié)，然后再同上進(jìn)行剪切。慢剪指土樣先在豎向應(yīng)力下充分排水固結(jié)，然后再進(jìn)行剪切，剪切速率較緩，使試樣在剪切過(guò)程中也能充分排水固結(jié)。

2.2 三軸剪切試驗(yàn)

三軸剪切試驗(yàn)即三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，三軸儀組成見(jiàn)圖3。據(jù)固結(jié)和排水條件的差異，試驗(yàn)可分為以下三種：

不固結(jié)水排水剪試驗(yàn)(UU)：試驗(yàn)過(guò)程中，關(guān)閉壓力室的排水閥門，保持沒(méi)有水排出，可測(cè)得孔壓的變化。固結(jié)不排水試驗(yàn)(CU)：先打開(kāi)排水閥門，對(duì)試樣施加圍壓，使其進(jìn)行充分排水固結(jié)。待固結(jié)完成后，保持排水閥關(guān)閉，施加軸向壓力直至土樣剪切破壞。固結(jié)排水試驗(yàn)(CD)：在上述實(shí)驗(yàn)條件下，待固結(jié)完成后仍使排水閥打開(kāi)，施加軸向力直至土樣破壞。剪切過(guò)程中土樣可充分排水。

相較于直剪試驗(yàn)，三軸試驗(yàn)可更真實(shí)的模擬土樣在剪切過(guò)程中的受力情況，土樣側(cè)向變形并不受很大限制，可嚴(yán)格控制排水條件并測(cè)定孔壓變化，且可以測(cè)出飽和土樣的體積變化，在工程設(shè)計(jì)中利用三軸試驗(yàn)獲得的參數(shù)更加合理。

工程中需要用到c,φ值時(shí)，應(yīng)據(jù)實(shí)際的排水固結(jié)條件選取。在實(shí)際中，若迅速加載，并且現(xiàn)場(chǎng)條件不利排水，則應(yīng)選用由快剪試驗(yàn)或UU試驗(yàn)確定的c,φ值。例如在粘土地基上快速施工的填方或者建筑物。如果在一些工程中，土體在現(xiàn)有條件下已充分固結(jié)，但在其上迅速加載，并未形成排水條件，則可用CU試驗(yàn)或固結(jié)快剪試驗(yàn)確定的c,φ值，如在正常固結(jié)粘土地基上快速施工的填筑工程等。在一些工程中，若在已有條件下，土樣已進(jìn)行充分固結(jié)并且排水條件良好，則在實(shí)際中應(yīng)選用由慢剪試驗(yàn)或CD試驗(yàn)確定的c,φ值，如天然狀態(tài)下長(zhǎng)期穩(wěn)定的土坡等。

3 c,φ值影響因素

3.1 內(nèi)部因素

影響c,φ值的內(nèi)部因素包括土體的含水率、干密度、結(jié)構(gòu)、顆粒形狀、級(jí)配、礦物成分等。

土體含水率發(fā)生變化，會(huì)使得結(jié)合水膜厚度發(fā)生變化，并且對(duì)顆粒之間的摩擦強(qiáng)度有影響。當(dāng)土體含水率增大時(shí)，結(jié)合水膜增厚，同時(shí)減小土顆粒之間的摩擦。據(jù)以往的研究成果，隨著含水率的增大，粘聚力和內(nèi)摩擦角均呈減小的趨勢(shì)。且含水率對(duì)粘聚力的影響明顯，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小[3]。

干密度代表土的密實(shí)程度，干密度越大，土顆粒之間接觸越緊密，接觸面積越大，顆粒間的范德華力和接觸點(diǎn)的化合鍵都會(huì)增強(qiáng)[4]，土樣粘聚力增大，并且土樣越密實(shí)，土顆粒之間咬合越緊密。王林浩等和王碩等[5,6]對(duì)不同干密度的壓實(shí)黃土狀填土和重塑黃土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)土樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨土樣干密度的增大而增大。徐宏偉等[7]通過(guò)對(duì)不同孔隙比土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，通過(guò)總結(jié)分析得出：隨密實(shí)度增加，粘聚力增強(qiáng)；而內(nèi)摩擦角以孔隙比0.7為界，先隨著孔隙比的增大而減小；后又隨著孔隙比的增大而增大，形成一條拋物線。

土體結(jié)構(gòu)指的是土顆粒的形狀、大小及土顆粒排列方式等的總體特征。相同干密度和含水率原狀土的抗剪強(qiáng)度高于重塑土，就是因?yàn)樵瓲钔辆哂薪Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而重塑作用使得原狀土結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而抗剪強(qiáng)度降低。

土顆粒按粒徑大小可劃分如表1所示。

表1 土顆粒粒組劃分

通常來(lái)說(shuō)，土體顆粒越大，其咬合能力越強(qiáng)，內(nèi)摩擦角越大。

土顆粒的形狀即土體顆粒的幾何形狀，代表著顆粒表面的粗糙程度，是否帶有棱角等，因而土顆粒形狀會(huì)對(duì)土體的內(nèi)摩擦角產(chǎn)生影響。

土顆粒粒徑級(jí)配越好，通常密實(shí)度就越大，土顆粒之間相互嵌入咬合更加緊密，內(nèi)摩擦角更大。土中粘粒含量越多，土的粘聚力越大，砂土被認(rèn)為沒(méi)有粘聚力。

土顆粒由不同礦物成分組成，不同礦物成分的性質(zhì)差異，如滑動(dòng)摩擦角和親水性的差異，也就造成了土體內(nèi)摩擦角和粘聚力的差異。已有研究成果表明土體內(nèi)摩擦角主要決定因素是土體礦物成分[8]。夏紅春[9]制取了不同含量的膨潤(rùn)土、高嶺土以及石英粉的人工土樣，利用三軸儀對(duì)其進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，研究了礦物成分對(duì)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，結(jié)果表明不同礦物成分含量對(duì)土抗剪強(qiáng)度的影響不同，且該影響與含水率及圍壓無(wú)關(guān)。

3.2 外部因素

外部因素包括土體的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力水平、應(yīng)力路徑及試驗(yàn)條件等。

土體在不同應(yīng)力狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)不同，如在平面應(yīng)變的砂土內(nèi)摩擦角比軸對(duì)稱應(yīng)變狀態(tài)下的高約10%[5]。

應(yīng)力水平也會(huì)對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)產(chǎn)生影響，土體的強(qiáng)度指標(biāo)由強(qiáng)度包線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的切線決定，而土體抗剪強(qiáng)度包線一般是曲線，如圖4所示為兩個(gè)不同應(yīng)力水平的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，可看出若應(yīng)力水平不同，則抗剪強(qiáng)度參數(shù)不同。

文獻(xiàn)[8]以一粘土的三軸試驗(yàn)為例，闡述了兩種不同應(yīng)力路徑下土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的不同。因而實(shí)驗(yàn)室測(cè)試土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的過(guò)程中應(yīng)盡量保持與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力水平、應(yīng)力路徑相近。

粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ可用不同的測(cè)試方法及儀器進(jìn)行測(cè)定，例如直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)測(cè)得的c,φ值是有差異的，試驗(yàn)時(shí)的排水和固結(jié)條件的不同，也會(huì)影響c,φ值的測(cè)試結(jié)果。

4 c,φ之間的聯(lián)系

之前認(rèn)為c和φ是負(fù)相關(guān)的。但鄭德賓等[10]認(rèn)為，c和φ根本上都是來(lái)源于接觸面上的分子引力。因此，從簡(jiǎn)單黏著理論上來(lái)看，兩者之間必然存在著某種聯(lián)系，這種聯(lián)系依賴于土體的形成歷史、組分等。雖然現(xiàn)階段不能揭示兩者之間的聯(lián)系，但其通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)揭示出黏土、粉質(zhì)黏土之間的c，φ存在正相關(guān)性。在飽和土的不固結(jié)不排水剪(UU)試驗(yàn)中，φuu=0，粘結(jié)力Cuu=1/2(σ1-σ3)。在這里φuu=0并不意味著土不具有摩擦強(qiáng)度，摩擦強(qiáng)度隱含于粘結(jié)強(qiáng)度中，兩者難以區(qū)分。這也說(shuō)明兩者是存在聯(lián)系的。

5 結(jié)論

本文在總結(jié)以往粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ研究的基礎(chǔ)上，主要得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

1)室內(nèi)確定c,φ值的方法有多種，室內(nèi)試驗(yàn)仍有其缺陷，一方面我們應(yīng)改進(jìn)試驗(yàn)儀器，完善試驗(yàn)方法，另一方面，在實(shí)際的工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定c,φ值。

2)c,φ值受到很多因素的影響，現(xiàn)有的研究已對(duì)不同影響因素下的c,φ值變化的規(guī)律性進(jìn)行了探究，但對(duì)這些因素綜合影響的研究相對(duì)還較少，今后的研究也可從這方面入手。

3)c,φ之間存在著一定的聯(lián)系，兩者確實(shí)代表著土體的不同強(qiáng)度，只是有時(shí)候兩者有一些重疊部分。土體的摩擦強(qiáng)度由咬合摩擦提供，而粘聚力是土顆粒相互粘結(jié)在一起的作用，兩者都與土顆粒間的排列方式和顆粒本身有關(guān)，因而兩者之間必然存在某種聯(lián)系。想要對(duì)兩者有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和了解，就要從微觀方面入手。