固態(tài)水膜對(duì)土中力鏈傳遞的影響機(jī)理

段曉夢(mèng)，邵龍?zhí)?/p>

(1.大連理工大學(xué) 大連工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023；2.大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系，遼寧 大連 116023)

土是自然界中廣泛存在的顆粒物質(zhì)，是由多種組分所構(gòu)成的復(fù)雜體系，具有明顯的離散性和隨機(jī)性.其中，礦物顆粒是土體固相的核心組成，其堆積而成的結(jié)構(gòu)可稱為顆粒骨架[1].如果相鄰礦物顆粒相互接觸，則可形成諸多強(qiáng)度迥異的力鏈，由幾個(gè)至十幾個(gè)顆粒組成，并相互交織構(gòu)成非均勻的網(wǎng)絡(luò)貫穿于土中，其是土骨架傳遞外荷載的途徑，也是土力學(xué)研究的主要矛盾[2].在整個(gè)受荷、加載過(guò)程中，力鏈網(wǎng)絡(luò)會(huì)不斷發(fā)展演變、斷裂和重構(gòu)，并對(duì)整個(gè)加載過(guò)程中的土體力學(xué)行為產(chǎn)生影響[3].

根據(jù)力鏈的定義可知，對(duì)于單純由顆粒所構(gòu)成的堆積結(jié)構(gòu)而言，力鏈所承擔(dān)的荷載是經(jīng)由顆粒接觸產(chǎn)生的粒間相互作用力所傳遞的.然而，天然土是多種組分所構(gòu)成的非飽和孔隙顆粒材料，即使處于常溫常態(tài)下，土也可以從空氣中吸附水分子并將其物理固著[4].諸多研究成果表明，土顆粒表面吸附水的結(jié)構(gòu)與物理特性都與重力水存在差異[5].不難想象，不同的水分子結(jié)構(gòu)決定了水的性質(zhì)差異，其會(huì)對(duì)諸多巖土工程問(wèn)題產(chǎn)生影響，諸如滲流、擴(kuò)散、凍融、徐變、松弛、強(qiáng)度、膨脹和固結(jié)等[6].

當(dāng)前，針對(duì)土水相互作用，雖然顆粒物質(zhì)力學(xué)中已考慮了液橋力的影響[2]，但關(guān)于吸附水的作用機(jī)理卻涉及不多.因此，本文致力于分析固態(tài)水對(duì)土中力鏈的影響：首先簡(jiǎn)介吸附水的性質(zhì)，并將之定義為固態(tài)水，進(jìn)而闡明顆粒表面所覆蓋的固態(tài)水膜對(duì)力鏈傳遞的影響機(jī)理.分析表明：固態(tài)水膜具有一定強(qiáng)度，能夠產(chǎn)生可觀的水化力，因而能夠與顆粒一起承擔(dān)并傳遞荷載，意味著土中力鏈的構(gòu)型是“顆粒-固態(tài)水-顆?！保虼?，力鏈中傳遞的荷載是經(jīng)由水化力在顆粒間傳播.若粒間固態(tài)水可以在適當(dāng)條件下被擠出，則顆?？梢詫?shí)現(xiàn)直接接觸，從而出現(xiàn)真實(shí)的“顆粒-顆?！毙问降牧︽?此外，粒間固態(tài)水膜還能潤(rùn)滑粒間摩擦，即使部分固態(tài)水能被擠出，但在力鏈重構(gòu)過(guò)程中可以不斷地迅速恢復(fù)，從而在整個(gè)加載過(guò)程中都對(duì)力鏈變化產(chǎn)生影響，使得土體濕摩擦強(qiáng)度始終低于干摩擦強(qiáng)度.

1 固態(tài)水的定義與性質(zhì)

由于部分吸附水與土骨架之間的電化學(xué)相互作用力非常強(qiáng)，以至于呈現(xiàn)固體或者半固體的性質(zhì)，其能與土骨架一起承受和傳遞荷載[7-8].因此，將這部分孔隙水定義為固態(tài)孔隙水；與之相對(duì)，將其余仍呈現(xiàn)液體性質(zhì)且不能傳遞荷載的孔隙水定義為液態(tài)孔隙水[1].

當(dāng)前，根據(jù)對(duì)吸附水性質(zhì)的不同理解，存在有兩種代表性的吸附水模型：①類固態(tài)模型(類冰模型)；②二維流體模型[5].兩種固態(tài)水模型的主要區(qū)別在于抗剪強(qiáng)度：類固態(tài)模型認(rèn)為，吸附水具有遠(yuǎn)大于液態(tài)水的強(qiáng)度，可以同時(shí)抵抗正應(yīng)力和剪應(yīng)力；但二維流體模型認(rèn)為，吸附水只能一定程度上抵抗正應(yīng)力，但承受剪應(yīng)力時(shí)其抗剪強(qiáng)度甚至比液態(tài)水更低，因?yàn)榈V物表面約束的影響，使得吸附水分子間可形成的氫鍵數(shù)量少于常態(tài)水.但兩種模型均認(rèn)同：吸附水的法向強(qiáng)度遠(yuǎn)高于液態(tài)水[5].這就意味著，吸附水的強(qiáng)度模量介于重力水和固體顆粒之間[9]，使之足以與土骨架一起承擔(dān)并傳遞荷載.大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，吸附水的真實(shí)性質(zhì)更符合二維流體模型[5].而較新研究表明，吸附水不僅能夠提供水化力[10-11]，且能帶來(lái)顯著的潤(rùn)滑作用[11-12]，可見(jiàn)二維流體模型比類固態(tài)模型更為合理.

顯然，土中部分水的性質(zhì)已被土水相互作用而改變，因此，將固態(tài)孔隙水視為獨(dú)立相，可以詳細(xì)分析土中的固態(tài)水膜對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)理.

2 固態(tài)水引起的水化力

緊鄰顆粒表面的吸附水膜受到顆粒的強(qiáng)力吸附，使得有序排列的水分子有能力抵抗擠壓以避免被擠出，因此，當(dāng)兩個(gè)被吸附水分開(kāi)的極性表面間距小于3 nm時(shí)，其間會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)大的短程斥力，稱之為水化力(hydration force)[11-13]，其廣泛存在于黏土、礦物甚至玻璃中[10].對(duì)于水溶液中的親水表面而言，水化力是一種單調(diào)斥力，其大小與表面吸附能力及表面基團(tuán)種類有關(guān)[14].也就是說(shuō)，對(duì)于具有較強(qiáng)親水性的礦物表面，很難使具有較厚和較強(qiáng)吸附水層的兩顆粒相互迫近，亦即難于使兩顆粒間的吸附水層完全擠出從而實(shí)現(xiàn)顆粒與顆粒的直接接觸.鑒于水化力的存在，可認(rèn)為兩個(gè)親水表面是由吸附水層所隔開(kāi)的.

圖1 固態(tài)水膜對(duì)土顆粒接觸性質(zhì)的影響機(jī)理示意圖

3 固態(tài)水膜對(duì)力鏈傳遞的影響機(jī)理

根據(jù)圖1可知，當(dāng)土顆粒被固態(tài)水膜包裹時(shí)，顆粒間并非直接接觸，因此，在粒間固態(tài)水膜被徹底擠出前，力鏈中的荷載是經(jīng)由水化力在粒間傳遞的.對(duì)于顆粒骨架而言，由于固態(tài)水膜具有一定強(qiáng)度，如果顆粒運(yùn)動(dòng)未被嚴(yán)格約束，則粒間固態(tài)水可能難于被擠出：當(dāng)顆粒相互靠近至一定程度，受固態(tài)水膜強(qiáng)度的影響(水化力的影響)，顆粒骨架將會(huì)自發(fā)變形重構(gòu)以避免粒間固態(tài)水被擠出.

假設(shè)一個(gè)顆粒骨架如圖2(a)所示，當(dāng)其受到外力F作用時(shí)，顆粒會(huì)首先相互趨近，此時(shí)，顆粒A的受力狀態(tài)如圖1(c)所示，即在顆?？拷倪^(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)粒間水化力來(lái)抵抗顆?？拷瑫r(shí)粒間錯(cuò)動(dòng)受到了固態(tài)水膜的潤(rùn)滑，且各顆粒的側(cè)向運(yùn)動(dòng)并未受到約束，因此，當(dāng)顆粒相互接近至一定程度后，各顆粒將自發(fā)向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)以避免粒間固態(tài)水被擠出，也就是說(shuō)，顆粒間的相互錯(cuò)動(dòng)比相互靠近更容易.因此，原顆粒骨架會(huì)自發(fā)變形重構(gòu)，當(dāng)重構(gòu)完成后，顆粒已無(wú)法進(jìn)一步移動(dòng)，隨著外力F逐漸增大，接觸點(diǎn)間的固態(tài)水會(huì)被逐漸擠出，最終實(shí)現(xiàn)顆粒間的直接接觸，如圖2(b)所示.此時(shí)，顆粒A的受力狀態(tài)如圖3所示：由于顆粒A與相鄰顆粒和缸底直接接觸，因此接觸點(diǎn)處為接觸壓力FC.

如果顆粒運(yùn)動(dòng)受到嚴(yán)格限制，顆粒骨架就無(wú)法自由重構(gòu)，此時(shí)，顆粒就只能不斷相互接近，直至粒間固態(tài)水被完全擠出.假設(shè)給予上述顆粒骨架嚴(yán)格的側(cè)向約束，如圖4(a)所示，此時(shí)各顆粒由固態(tài)水膜相隔，因此荷載F在粒間傳遞時(shí)，是經(jīng)由固態(tài)水膜所提供的水化力FH來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，兩條力鏈中的粒間接觸力如圖4(b)所示.當(dāng)外力F不斷提高時(shí)，由于顆粒側(cè)向運(yùn)動(dòng)受到限制，因而顆粒骨架無(wú)法自由變形，只能互相靠近，直至接觸點(diǎn)間的固態(tài)水都被擠出，此時(shí)顆粒與顆粒及缸底都將直接接觸，如圖4(c)所示，此時(shí)，各顆粒直接接觸，荷載F在顆粒骨架中由粒間壓力FC直接傳遞，則力鏈中的粒間接觸力如圖4(d)所示.

圖3 顆粒A受力狀態(tài)示意圖

綜上可知，當(dāng)土中存在固態(tài)水時(shí)，顆粒間可能并非直接接觸，因此力鏈所傳遞的外荷載是經(jīng)由固態(tài)水膜所提供的水化力來(lái)實(shí)現(xiàn)粒間過(guò)渡的.當(dāng)荷載夠大且外部約束條件適當(dāng)時(shí)，就能夠完全擠出粒間固態(tài)水，此時(shí)顆粒實(shí)現(xiàn)直接接觸，力鏈中的荷載直接由粒間接觸壓力來(lái)傳遞.

4 討論：固態(tài)水膜對(duì)摩擦強(qiáng)度的影響

常溫常濕環(huán)境下，常規(guī)試驗(yàn)所用的土試樣中始終包含固態(tài)孔隙水，因此試驗(yàn)結(jié)果可能已經(jīng)包含了固態(tài)水膜潤(rùn)滑作用的影響，尤其對(duì)于具有較強(qiáng)吸附性的黏土.如果試驗(yàn)具有如圖4所示的嚴(yán)格約束，則試驗(yàn)過(guò)程中一些粒間固態(tài)水可能會(huì)被擠出.但對(duì)于吸附能力較強(qiáng)的黏土，可能需要極大的有效應(yīng)力才能充分?jǐn)D出粒間固態(tài)水，例如蒙脫土[15].然而，即使有效正應(yīng)力增加至600 MPa，蒙脫土的濕摩擦強(qiáng)度仍然只是干摩擦強(qiáng)度的一半[15].由此可見(jiàn)，包裹土顆粒的固態(tài)水膜對(duì)于強(qiáng)吸附土的摩擦強(qiáng)度有著巨大影響.如果固態(tài)水膜在試驗(yàn)中始終存在，即便在某些瞬時(shí)，部分力鏈中的一些粒間吸附水可以被擠出，但顆粒表面的其余固態(tài)水膜會(huì)始終影響土中的力鏈重構(gòu).尤其在高飽和度時(shí)，當(dāng)顆粒接觸點(diǎn)在力鏈重構(gòu)中分開(kāi)后，原本被擠出的粒間固態(tài)水膜會(huì)迅速恢復(fù)，進(jìn)而影響后續(xù)的力鏈變化.這正是濕摩擦強(qiáng)度始終低于干摩擦強(qiáng)度的關(guān)鍵原因之一.

圖4 嚴(yán)格側(cè)限的顆粒骨架及力鏈傳遞示意圖

5 結(jié)論

(1)固態(tài)水呈現(xiàn)固體或者半固體的性質(zhì)，其能與土骨架一起承受和傳遞荷載，不僅能包裹并分隔土顆粒，更能提供顯著的水化力.

(2)當(dāng)顆粒被固態(tài)水膜包裹時(shí)，力鏈呈“顆?！虘B(tài)水—顆?！毙问?，此時(shí)力鏈中的荷載通過(guò)水化力在粒間傳遞；當(dāng)荷載與約束條件適宜時(shí)，可將粒間固態(tài)水?dāng)D出并實(shí)現(xiàn)顆粒直接接觸，此時(shí)力鏈中的荷載直接通過(guò)粒間接觸壓力傳遞.

(3)固態(tài)水膜在力鏈變形與重構(gòu)的過(guò)程中，會(huì)實(shí)時(shí)擠出或恢復(fù)，從而始終影響粒間接觸點(diǎn)的摩擦性質(zhì)，使得濕摩擦強(qiáng)度總是低于干摩擦強(qiáng)度.