（此文改自巖土物理化學力學課程結課論文，巖土物理化學力學課程為中科院武漢巖土力學研究所已退休研究員程昌炳老師親自傳授，程老師嚴謹的作風、對科研的熱衷、對學生的熱情給我留下了深刻印象，此課程給學生開拓了思路，發散了思維，引發了學生深入思考，徹底顛覆了傳統的思維模式。最后，希望此文可以令程老師欣慰。）
對于一個力學工作者來說，習慣的是首先從力學角度解決問題。通常的做法是把實際的問題抽象為力學模型，運用經典力學解答問題，即單一的力學解法。然而，實際工作中遇到的問題并沒有那么簡單。
下面將拿一個常見的力學問題進行討論。巖土工作者對巖石的水平推剪試驗比較熟悉，幾乎所有的試驗都有一個共同結論：不同法向力作用下，首次剪切時完整巖樣產生斷面，把斷面重合再次剪切，粘聚力和內摩擦角減小。得到這個答案，是因為我們很自然地運用了Mohr-Coulomb準則去思考。首先，我們認為巖石受到剪切力作用發生水平破壞，雖然這是試驗強制地只允許沿此斷面產生相對剪切位移，而且沒有微觀等破壞機理證明巖石是沿斷裂面剪切破壞，在此，可以先假設巖石在水平推力作用下發生剪切破壞，于是，在此推剪破壞中采用了Mohr-Coulomb準則：
，其中包含了兩個強度參數，分別是內摩擦角φ和粘聚力c。其次，Mohr-Coulomb準則中得兩個強度參數有明確的物理意義，內摩擦角反映剪切面的摩擦性質，剪切面越粗糙內摩擦角越大；粘聚力反映巖石的膠結程度，巖石顆粒膠結力越大粘聚力越大。根據參數的物理意義很容易解釋內摩擦角降低的問題，因為第二次重復剪切時接觸面微凸體磨損，相對第一次變平滑。然而根據粘聚力的物理意義，應該推斷出粘聚力為零的結論，因為完整巖石已經產生了破壞的結構面，結構體（原巖石試樣）在結構面處不再有膠結作用，而再次剪切的破壞面又是結構面，因此對于第二次重復剪切應該使用摩擦定律
。然而試驗結果并不如此：即使重復剪切，仍然有粘聚力。
對于上面試驗結果與力學分析之間的矛盾，經過思考后主要有以下幾點想法：
第一，認為力學分析正確，問題在于試驗數據擬合過程。一般經過重復剪切后處理數據得到粘聚力并不是很高，巖石本身強度不夠高是否影響，試驗點的離散性是否影響。經過處理后擬合直線是否經過原點，此想法還有待使用硬巖多次試驗驗證。
第二，認為力學分析正確，Mohr-Coulomb準則不再適用于重復剪切。重復剪切前已經產生結構面，而Mohr-Coulomb準則是巖石產生剪切破壞的判據，重復剪切已經失去其應用條件。正確的方法應像上文中使用摩擦定律。下面將基于此想法驗證擬合曲線經過原點。
重復剪切試驗抽象出的力學模型如圖1所示，給巖石試樣施加的法向作用力記為N，切向作用力記為S，巖石的摩擦因數為μ=tgφ′，假設結構面由n個微凸體組成，每個微凸體的接觸面積記為A，微凸體與水平面夾角記為α，每個微凸體法向應力為σ，切向應力為摩擦應力f，取上半結構由力學平衡得到：
（1）
由摩擦定律，有：
（2）
式（1）和式（2）聯立可得：
（3）
由式（3），得：
（4）
式（3）中α在試驗中表現為比較小的數值，與重復剪切的內摩擦角相比可以忽略。那么從式（3）可以看出，切向力與法向力呈正比，則試驗中切向應力與法向應力擬合曲線應為過原點的一次函數。
所以，從以上力學角度分析，第一次推剪剪斷面運用Mohr-Coulomb準則，第二次重復推剪剪斷面運用摩擦定律，由于φ′<φ，所以第二次重復剪切試驗內摩擦角小于第一次推剪，且粘聚力為0。
如果試驗情況與簡化模型一致，應為上述結果。之所以出現存在粘聚力的錯誤認識，是由于人們的定性思維習慣于把推剪斷面概化為剪切斷面，而沒有從細觀角度分析。
值得一提的是，此部分也只是從細觀角度抽象出簡單的模型，提供一種從細觀角度思考問題的方法，打破傳統觀念，這也正是從這門課我學到的東西之一。
第三，從機械力作用出發認為巖石存在“假粘聚力”，試驗結果沒有錯誤。
從微觀角度出發，已有電鏡掃描圖（圖2）進行推斷在重復剪切過程中，當作用法向力N時，切斷面緊密閉合，圖2表明巖石由粒狀體組成，法向力會使閉合接觸面的粒狀體相互穿插，如同若干鐵棒雜亂堆積在一起，牽一發而動全身。
從細觀角度出發，巖石斷面的微凸體是隨機產生的，如果微凸體如圖3存在，則在推剪過程微凸體會發生“咬合作用”，宏觀上表現為粘結作用，故存在“假粘聚力”。
第四，從毛細壓力作用出發認為巖石存在“假粘聚力”，試驗結果沒有錯誤。巖土中的細小空隙（一般指直徑小于1mm的孔隙和寬度小于0.25mm的裂隙）稱為毛管空隙。由于毛細壓力的作用而充滿在巖土毛管空隙中的水稱為毛細水。毛細壓力會影響非干燥巖石產生“假粘聚力”。
以上四點是我對重復推剪試驗粘聚力的一些想法，從不同的角度給出了不同的結論，希望大家互相交流互相開拓視野。
（artherzhen@163.com）
我有話說
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