3.6 土颗粒的接触力

土颗粒间的接触力是作用在土骨架上荷载的微细观组成形式，也是土组构分析的重要内容。一般可将土颗粒间的接触力分解为法向接触力和切向接触力两个部分。法向接触力和切向接触力是描述土组构特征的重要参量，法向接触力和切向接触力的分布可有效反映颗粒集合体的微细观受力响应特征。一般认为土颗粒间的接触特征参量包括接触方向、法向接触力和切向接触力。

土颗粒是非透明的非光学敏感性材料，要测量其颗粒间的作用力并不容易，一般可通过光弹性试验研究光弹性颗粒集合体的接触力分布规律来近似分析土颗粒接触力的分布特性。光弹试验是基于光弹现象的一种试验手段。光弹现象是指光穿过光弹性材料（如玻璃、橡胶和高分子聚合物）时，由于材料内应力作用而发生偏振化的现象。光传播的速度取决于偏振面的方向，这个方向是由材料应力诱发光学各向异性产生的。达到极限速度时的偏振面方向与主应力方向相一致。对处于不同应力边界条件下的颗粒聚集体进行光弹试验分析，可以得到粒间接触力链网络。光弹试验技术并不能应用于实际土体的分析，但可用光弹性的颗粒模拟实际的土体，观测其内部的接触状态和受力状态，研究结果可作为实际土体微细观接触力研究的参考，也可与数值试验的结果对比。需要注意的是，即使颗粒材料是透明的，颗粒也可能会由于光在表面的反射和折射作用而丧失光学透明性，通常称这种现象为光学受损现象，这也是接触力观测试验中经常会遇到的问题。但如果在颗粒孔隙中充满与光弹性材料折射率相同的液体，颗粒集合体就会恢复其光学透明性。

图3.10（a）、（b）分别是圆盘受压的理论光弹图像和试验得到的实际图像，二者相似度很高。在土体内，作用于颗粒上的力并不均匀，其颗粒受力分布取决于颗粒的排列组合方式及相对位置。图3.11所示为五边形盘状颗粒集合体在不同应力边界条件下的内部接触力分布光弹图像。从图中可以看出，其复杂接触力链网络的分布方向与最大主应力的方向基本一致。

实际土颗粒间的接触力来源于颗粒间的连接，可对接触强度有所贡献的粒间连接形式有接触连接、毛细水连接、胶结连接、结合水连接、冰连接和链条连接等，各种连接形式的具体形成机制和特征不再详细介绍。

图3.10 圆盘受压的光弹性图像

图3.11 五边形圆盘颗粒聚集体接触力的光弹性图像