土粒間的摩擦包括滑動(dòng)摩擦與咬合摩擦。相互咬合的顆粒間犬牙交錯(cuò),在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),顆粒會(huì)不可避免的滑移、錯(cuò)動(dòng)、翻轉(zhuǎn)、破碎亦即由此引起的顆粒間的重排列等。
1. 滑動(dòng)摩擦
其實(shí)摩擦這一概念最早是源于物體界面間的一種相互作用力,沿著固體表面滑動(dòng)即產(chǎn)生真正意義上的磨擦力,這也是人類最早認(rèn)識(shí)的摩擦。
圖1. 拋光的固體表面接觸的放大圖
從圖1可見,固體接觸平面間的性質(zhì)和影響因素是很復(fù)雜的。即使是很“光滑的”固體表面也是不完全平整的,其不平度在10nm~100nm(納米,10-9m)之間,不平處的坡度為120°~175°。因而所謂平面間的滑動(dòng)摩擦也存在不規(guī)則表面的咬合和“自鎖”作用。
滑動(dòng)摩擦是土摩擦強(qiáng)度的主要部分,可以表示為:
其中N為正壓力,T為開始滑動(dòng)時(shí)的剪切力,μ為摩擦系數(shù),

為滑動(dòng)摩擦角??梢娔Σ磷枇正比于正壓力N,兩物體間摩擦阻力與正壓力成正比,而與物體尺寸無(wú)關(guān)。對(duì)于三軸試驗(yàn),如果顆粒是六面體,圖2(a)所示的試樣就是一種純滑動(dòng)摩擦的情況,這時(shí)沿著45°+

/2的角度滑動(dòng),是固體顆粒間純滑動(dòng)摩擦;而圖2(b)就不是純滑動(dòng)摩擦的情況,也不會(huì)是沿著沿著45°+

/2的角度滑動(dòng)。實(shí)際上由于現(xiàn)實(shí)的土顆粒的不規(guī)則性,幾乎不可能是純滑動(dòng)摩擦的。表1表示的是組成土的常見的固體礦物間的滑動(dòng)摩擦角。
圖2滑動(dòng)摩擦與咬合
表1常見礦物的滑動(dòng)摩擦角
2.咬合摩擦
由于土顆粒間不可能都是平面接觸,土體的摩擦不會(huì)是簡(jiǎn)單的顆粒間沿表面的滑動(dòng)摩擦,。由于顆粒間的犬牙交錯(cuò)的排列,使在剪切面處的顆粒發(fā)生提升、錯(cuò)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、拔出,并伴隨著土的體積改變、顆粒的重定向排列及顆粒本身的破碎斷裂,見圖3。在剪切力作用下,如果組成土顆粒的強(qiáng)度高,壓力和剪力不大,則顆粒會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)而使土變松,土體積擴(kuò)大,產(chǎn)生剪脹,如圖3(b);如果顆粒礦物較弱,壓力與剪力很高,則可能產(chǎn)生顆粒的剪斷、破碎, 如圖3(c);在約束條件較松,顆粒中的針片狀較多,強(qiáng)度也不低??赡馨l(fā)生顆粒的重排列, 如圖3(d)。而實(shí)際上這幾種情況可能是同時(shí)、混合發(fā)生的。
圖3土顆粒的咬合
① 剪脹與剪縮
由于剪切引起的土體積變化稱為剪脹,所以廣義的剪脹包括剪脹和剪縮(見圖4)。在圖4(a)中,顆粒重心提升,顆粒的位能增加,剪脹需要額外的外部能量,正如我們推車上坡一樣。所以一般表現(xiàn)為強(qiáng)度的增加(相對(duì)于滑動(dòng)摩擦);而剪縮則部分釋放了顆粒的勢(shì)能(圖4(b),(c)),表現(xiàn)為強(qiáng)度的減小。剪脹的結(jié)果使顆粒從低勢(shì)能狀態(tài)變?yōu)楦邉?shì)能狀態(tài),要消耗額外能量,因而剪脹后的狀態(tài)常常是不穩(wěn)定的,通常顆粒發(fā)生剪脹后對(duì)應(yīng)著峰值強(qiáng)度,然后強(qiáng)度急劇下降,最后當(dāng)土的體積不變時(shí),對(duì)應(yīng)于土的相對(duì)穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度。參見圖5。

(a) 剪脹 (b) 剪縮 (c)剪縮
圖4 密砂的剪脹與松砂的剪縮
圖5 剪脹土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖6三軸試驗(yàn)的剪縮模型
圖6表示了三軸試驗(yàn)的剪脹模型,忽略試樣的壓縮,此圖示意表示了試樣在有無(wú)剪脹時(shí)的兩種狀態(tài)。圖6(a)表示無(wú)剪切體變情況。由于圍壓

與體應(yīng)變

不變(忽略壓縮變形),這時(shí)外荷載在單位體積上所作的功wr為:
而在有剪脹情況的圖6(b)中,在同樣圍壓

下,單位體積外力作功wf除包括上式中wr外,還需要克服

對(duì)于體變(體脹)阻力作的功:
其中Δεv是負(fù)值,即體脹。
兩側(cè)除以

,從上式得:
由于其中

與圖6(a)的

相等,式(4)兩側(cè)除以則

則得
在破壞時(shí)
由于

是負(fù)值(剪脹),所以在有剪脹情況下的內(nèi)摩擦角

比無(wú)剪脹時(shí)內(nèi)摩擦角

高。這是由于需克服

對(duì)體脹的阻力所作的額外功。
②土顆粒破碎與重排列
在圖3中表示了在有咬合情況下剪切土顆粒的三種可能的相互位置的變化(b),(c)和(d),在某一正應(yīng)力與剪切力作用下,這三種情況都是可能發(fā)生的,決定性的因素在于在這種具體內(nèi)外因條件下哪一個(gè)的抗力最小,或者說(shuō)哪一個(gè)耗費(fèi)的能量最小。所謂的“不是魚死就是網(wǎng)破”就是這個(gè)道理,或者說(shuō)“凡是現(xiàn)實(shí)的都是合理的”。
圖7 表現(xiàn)的是一種具有一定密度的砂土的強(qiáng)度包線。曲線①為該砂土礦物的純滑動(dòng)摩擦角(如圖2(a));而實(shí)際上砂土總是存在咬合的,在較密實(shí)或低圍壓下,會(huì)發(fā)生剪脹,提高了其強(qiáng)度包線;在松散或高圍壓下,會(huì)發(fā)生剪縮,則會(huì)降低其強(qiáng)度包線,見曲線②;如果砂土的顆粒都是剛性不可破碎的,就會(huì)以剪脹為主,包線會(huì)接近于線④;但實(shí)際顆粒會(huì)在高壓下破碎、斷裂,也可能顆粒的定向轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生重排列,不能一直剪脹,這樣它實(shí)際表現(xiàn)的包線就是線③。
與曲線①相比,曲線③表明由于咬合,顆粒的破碎與重定向排列也需要額外的外加能量,所以也增加了土的抗剪強(qiáng)度,但它比曲線④需要的能量要小。在高圍壓下,顆粒破碎量大,很少發(fā)生剪脹。顆粒的重排列往往會(huì)破壞土的原有結(jié)構(gòu),造成剪脹量減少。從這個(gè)角度來(lái)看,顆粒的破碎和重排列又減少了土的剪脹,與不發(fā)生顆粒的破碎和重排列的線④相比,實(shí)際上減少了土的剪脹性和抗剪強(qiáng)度。
圖9砂土的強(qiáng)度包線及其影響
隨著圍壓(或正應(yīng)力)的增加,顆粒破碎以及剪脹的減少,使土的內(nèi)摩擦角減小,因而對(duì)于粗粒土,其抗剪強(qiáng)度包線通常是非線性的,可表示為
對(duì)于由堅(jiān)硬巖石構(gòu)成的堆石壩料,式(7)中的

可達(dá)

,

達(dá)10°~12°;而軟巖堆石料的

則更大。
3 土的摩擦強(qiáng)度的討論
土體是土顆粒群的集合,土顆粒群組合成土骨架,這才形成為可抵抗外部作用的土體。它有強(qiáng)度、有剛度、可承載、可容納孔隙水,可成為孔隙水滲流的載體。易傳講:“地勢(shì)坤。君子以厚德載物”,“地”者土也,地球的表面以布滿由碎散顆粒組成的大地,在貌似軟弱的土組成的大地上,產(chǎn)生了生靈萬(wàn)物,承載著幾乎所有的建筑物與構(gòu)造物。
在自然界可以看到各種生物的群體,蟻群、蜂群、鳥群、魚群、羊群、牛群、象群、獅群、狼群、猴群與人群等,與土是由顆粒組成的散粒體集合一樣,它們也都是由很多個(gè)體組成的群體,作為一個(gè)群體它們能夠生存、遷移、繁衍、抵御天敵、覓食與捕獵,與土體一樣要形成整體的骨架,在首領(lǐng)、巫師、長(zhǎng)老、酋長(zhǎng)、領(lǐng)袖的統(tǒng)領(lǐng)下形成群落、部落。
與游離的個(gè)體相比,群體具有更強(qiáng)的抵抗力與戰(zhàn)斗力。凡是這種由很多個(gè)體形成的群體,都要服從庫(kù)侖公式,摩擦強(qiáng)度是群體生存的基礎(chǔ)。摩擦強(qiáng)度類似于軍隊(duì)的戰(zhàn)斗力,烏合之眾的土匪就沒(méi)有什么戰(zhàn)斗力,原因是他們?nèi)狈o(jì)律和約束。軍隊(duì)的戰(zhàn)斗力源于它的紀(jì)律。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代,吳王闔閭打算攻打楚國(guó),聽說(shuō)《孫子兵法》的作者孫武治兵有方,于是把他請(qǐng)來(lái)想讓他掛帥,并要求他首先把宮里的100名宮女操練起來(lái)給自己看看。 孫武將其分為兩隊(duì),指令吳王的兩個(gè)美姬為兩隊(duì)隊(duì)長(zhǎng),由他帶來(lái)的軍吏作監(jiān)軍。號(hào)令一下,宮女們卻嬉笑玩鬧,不成隊(duì)形。 孫武令監(jiān)軍將兩個(gè)美姬隊(duì)長(zhǎng)推出斬首,闔閭再三求情也沒(méi)用。 當(dāng)兩顆人頭端上后,這支沒(méi)有任何訓(xùn)練的宮女隊(duì)伍,立刻變得緊張嚴(yán)肅;令行禁止,進(jìn)退有序。“幽燕多壯士,江南多才子”,江南的吳越在春秋時(shí)代其軍力是孱弱的,但在孫武及伍子胥的統(tǒng)領(lǐng)下,一直打到大國(guó)楚國(guó)的國(guó)都,攻破了郢都,掘出墳?zāi)估锏某酵?,鞭尸三百。吳?guó)成為春秋后期的五霸之一。所以軍隊(duì)中的紀(jì)律就是土的圍壓,土的抗剪強(qiáng)度就是軍隊(duì)的戰(zhàn)斗力。從式(1)可見,

,其中的N就是壓力或圍壓。
一支軍隊(duì)的建制、紀(jì)律就是圍壓,緊緊地把顆粒團(tuán)結(jié)在一起,形成骨架,具有強(qiáng)大的摩擦強(qiáng)度,形成戰(zhàn)斗力。一支流寇就不如一支有建制的軍隊(duì)有戰(zhàn)斗力,原因就在于紀(jì)律。但是“盜亦有道”,即強(qiáng)盜亦有其規(guī)則,即所謂“黑道”。而潰散的游兵,逃荒的難民則就如泥石流一樣全無(wú)骨架,常常只有破壞力而無(wú)戰(zhàn)斗力。
群體中的規(guī)則與權(quán)威就像施加在土體上的圍壓一樣,使個(gè)體們具有固定的位置、分工、接觸關(guān)系和組構(gòu),個(gè)體間的摩阻力形成了群體的強(qiáng)度,也就是常說(shuō)的“團(tuán)結(jié)就是力量”。
一個(gè)社會(huì),一個(gè)國(guó)家也是如此。法律、規(guī)則、警察等國(guó)家機(jī)器其實(shí)就是加在人們外部的圍壓,有了這個(gè)圍壓,就形成骨架,有了約束,有了摩擦強(qiáng)度,分散的群體才能形成整體。不管是王道還是霸道,都可以維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的社會(huì)。
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