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粘聚力 (Cohesion)
摘要:粘聚力($c$),又称内聚力,是土体抗剪强度指标之一。它代表土颗粒之间因物理化学作用产生的相互引力,是粘性土区别于无粘性土(如纯砂)的重要特性。
1. 定义与物理意义 (Definition)
粘聚力(Symbol: c,单位:kPa)是指在法向应力为零时,土体内部颗粒之间依然存在的抗剪强度。
- 物理机制:
- 静电引力:粘土矿物颗粒表面带电荷,通过水膜产生的分子间引力。
- 胶结作用:土中含有的碳酸盐、铁氧化物等胶结物质将颗粒粘结在一起。
- 物理化学力:即表格中提到的“内考夫力”。
- 库仑抗剪强度公式:
<math>\tau_f = \sigma \tan\phi + c</math>
- 在公式中,
c是截距。对于纯砂土(无粘性土),$c \approx 0$;对于纯粘土,c是主要的强度来源。
2. 规范来源 (Source of Standard)
该参数的确定与应用需遵循国家标准:
| 规范名称 | 编号 | 章节 | 关键内容 |
|---|---|---|---|
| 《建筑地基基础设计规范》 | GB 50007-2011 | 第 4.2 条 | “地基土的工程特性指标”<br>明确指出粘聚力是地基土工程特性指标之一,需结合工程等级和地基复杂程度,通过室内试验或原位测试确定。 |
| 附录 B | 提供了不同状态粘性土的 $c$ 值参考范围。 |
3. 典型数值范围 (Typical Values)
粘聚力的大小主要取决于土中粘粒的含量、矿物成分以及含水率。
| 土类 | 状态 | 典型 $c$ 值 (kPa) | 特性描述 |
|---|---|---|---|
| 无粘性土 (Sand/Gravel) | 松散/密实 | 0 (或接近 0) | 砂土、碎石土几乎没有粘聚力,强度主要靠摩擦。 |
| 粉土 (Silt) | 稍密/中密 | 5 ~ 20 | 介于砂土和粘土之间,具有微弱粘聚力。 |
| 粘性土 (Clay) | 软塑 | 10 ~ 30 | 含水量高,颗粒间水膜厚,引力减弱。 |
| 硬塑/坚硬 | > 50 | 颗粒接触紧密,胶结作用强,粘聚力极高。 |
4. 影响因素 (Influencing Factors)
- 含水率:含水率增加通常会导致水膜增厚,削弱颗粒间的引力,导致 $c$ 值大幅下降。(这是雨季边坡易滑坡的主要原因之一)。
- 密度:土体越密实,颗粒间距越小,分子引力越强,$c$ 值通常越高。
- 应力历史:超固结土(历史上受过更大压力)的粘聚力通常大于正常固结土。
5. 工程应用 (Engineering Applications)
粘聚力在岩土工程计算中起着“胶水”般的作用:
- 边坡稳定性:
对于粘性土边坡,即使坡角较陡,由于 $c$ 值的存在,土体也能保持直立而不坍塌(如基坑开挖初期的直立壁)。
- 地基承载力:
根据太沙基(Terzaghi)或汉森(Hansen)公式,承载力由三部分组成,其中 $N_c$ 项直接与 $c$ 值成正比。$c$ 值越大,地基极限承载力越高。
- 抗剪强度包线:
在 $\tau - \sigma$ 坐标系中,$c$ 值决定了包线在纵轴上的截距。
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