土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究進(jìn)展

羅安民，占建琴，黃春霞，韋 羚（.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 53009；.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 5030）

土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究進(jìn)展

羅安民1，占建琴1，黃春霞1，韋 羚2
（1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

土體張拉破壞是一種常見的破壞形式，它可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)、地表開裂等工程災(zāi)害。一直以來，土工試驗(yàn)只有比較系統(tǒng)的測(cè)試土體抗剪強(qiáng)度的方法，而對(duì)土體抗拉強(qiáng)度的測(cè)試還不完善。文章對(duì)國(guó)內(nèi)外既有的幾種測(cè)試土體抗拉強(qiáng)度的方法進(jìn)行分析和比較，對(duì)今后測(cè)試土體抗拉強(qiáng)度有積極的借鑒意義。

邊坡；抗拉強(qiáng)度；土工試驗(yàn)；黏性土；拉伸試驗(yàn)

0 引言

土的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，在設(shè)計(jì)計(jì)算中經(jīng)常不被考慮。事實(shí)上，土工結(jié)構(gòu)的破壞常常與黏性土的抗拉特性有關(guān)。張拉裂縫會(huì)大大降低邊坡滑動(dòng)面的阻力，同時(shí)，雨水滲入這些裂縫中會(huì)使得邊坡變重，更容易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。在調(diào)查邊坡的完整性的時(shí)候需要建立一個(gè)準(zhǔn)確的張拉裂縫的模型結(jié)合上脹縮循環(huán)、夏季的裂縫發(fā)育和大暴雨導(dǎo)致的不利的靜水壓力，以及由因蠕變引起的向下滑移導(dǎo)致土塊中產(chǎn)生的張拉力。目前的研究還無法建立一個(gè)較為完善的張拉裂縫的模型。因此很有必要通過準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取土的張拉特性。

土的抗拉強(qiáng)度與土工試驗(yàn)中，通過直接剪切、三軸剪切等試驗(yàn)?zāi)鼙容^準(zhǔn)確地確定土體的抗剪強(qiáng)度；而對(duì)于土的抗拉強(qiáng)度，一直以來沒用很完善的試驗(yàn)方法來直接獲取。在巖石力學(xué)中，巖石的抗拉強(qiáng)度可以通過電荷載估算法、彎曲試驗(yàn)法、徑向壓裂法、劈裂法、離心機(jī)法、直接拉伸法等方法來獲取。通過借鑒巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者改進(jìn)了幾種不同的試驗(yàn)裝置進(jìn)行土體抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，且各有特點(diǎn)。本文介紹了幾種國(guó)內(nèi)外學(xué)者所使用的直接法試驗(yàn)，討論他們的研究成果并分析每一種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 國(guó)內(nèi)外土抗拉強(qiáng)度研究現(xiàn)狀

1.1 單軸拉伸試驗(yàn)

單軸拉伸試驗(yàn)常常被用來獲取土體的抗拉強(qiáng)度，因?yàn)椴僮髌饋肀容^簡(jiǎn)單。但在不同的研究中，實(shí)驗(yàn)裝置也有所不同。王俊杰［1］等在研究中使用了這種方法來研究黏土的抗拉強(qiáng)度，將黏土做成一個(gè)圓柱體的試件，用兩個(gè)夾具夾住試件兩頭，下夾具固定在設(shè)備底座，上夾具通過一根傳力桿鏈接到拉伸設(shè)備，拉伸設(shè)備一般為電子萬能試驗(yàn)機(jī)。軸向拉力通過傳力桿傳到試件進(jìn)行張拉，直至試件張拉破壞。電子萬能試驗(yàn)機(jī)的兩個(gè)傳感器分別檢測(cè)張拉應(yīng)力和應(yīng)變，并通過計(jì)算機(jī)繪制其應(yīng)力-應(yīng)變曲線。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

通過計(jì)算機(jī)繪制的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以得到試件破壞時(shí)的最大拉力。圓柱試件的抗拉強(qiáng)度στ可通過最大有效拉力除以試件的橫截面積得到，抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式如下：（1）

式中Fmax——拉力傳感器測(cè)得的最大軸向拉力；

G ——斷裂面以上試件和夾具、傳力桿的重力之和；

A ——斷裂面的橫截面積。

在他的研究中，通過測(cè)試土的抗拉強(qiáng)度στ和土的斷裂韌度Kτc，確定了抗拉強(qiáng)度和斷裂韌度存在線性關(guān)系，可以通過一個(gè)系數(shù)α來確定，既Kτc=ασr。

這種試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)就是試驗(yàn)裝置較為普遍，試件的制作過程較為簡(jiǎn)單，由于試件是圓柱體，所以制作試件的模具與三軸壓縮試件的模具通用。但是，這種方法也存在很大的缺陷：（1）在試驗(yàn)過程中，夾具相對(duì)試件會(huì)產(chǎn)生微小位移，從而影響拉伸變形的結(jié)果；（2）由于試件在制作的時(shí)候是分層擊實(shí)，不能保證試件的每一個(gè)部位是質(zhì)量均勻的，并且無法保證每層的層面很好地結(jié)合，試件很可能從這些層面發(fā)生拉伸破壞，從而降低試驗(yàn)結(jié)果。尤其是當(dāng)黏土試件經(jīng)歷了干濕循環(huán)以后，因?yàn)榻?jīng)歷膨脹和收縮后很容易從每一擊實(shí)層層面產(chǎn)生裂縫。因此該套裝置無法有效地適用于研究干濕循環(huán)對(duì)土體抗拉強(qiáng)度的影響。

1.2 TrabeIsi［2］拉伸試驗(yàn)

突尼斯學(xué)者Trabelsi等人在前人研究的基礎(chǔ)上通過改進(jìn)直接剪切儀（如圖2所示）來獲取土體抗拉強(qiáng)度。他們將試件中間段做成一個(gè)“頸部”狀，兩端卡口做成梯形，其中一端為固定端固定在直剪儀上，另一端為活動(dòng)端，通過直剪儀將活動(dòng)端推離固定端，通過模具來傳遞拉力。測(cè)量試件破壞時(shí)的最大拉力來得到試件的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線做進(jìn)一步研究。

圖1 單軸拉伸試驗(yàn)儀示例圖

圖2 TrabeIsi拉伸儀示例圖

這種試驗(yàn)方法可以減小卡具與試件的相對(duì)位移，可以較準(zhǔn)確地測(cè)量試件的拉伸變形。同時(shí)試件受到均勻的水平拉力可以消除重力的影響，并且不會(huì)受到因分層擊實(shí)而導(dǎo)致的擊實(shí)面間強(qiáng)度減弱的影響?？梢杂脕硖骄吭诓煌氏峦馏w的抗拉強(qiáng)度的變化。在Trabelsi的研究表明了土的抗拉強(qiáng)度會(huì)隨著含水率的增加而降低，同時(shí)土的吸力隨著土的抗拉強(qiáng)度的增加而增加。但在研究過程中發(fā)現(xiàn)，試件的破裂面因?yàn)閼?yīng)力集中通常發(fā)生在試件某一端卡口與“頸部”的交接處，但另一端會(huì)出現(xiàn)一個(gè)次級(jí)裂縫，可能導(dǎo)致所測(cè)得的抗拉強(qiáng)度小于實(shí)際的抗拉強(qiáng)度。具體情況如圖3所示：

圖3 TrabeIsi拉伸試驗(yàn)試件破壞情況示意圖

1.3 Tamrakar［3］拉伸試驗(yàn)

日本學(xué)者Tamrakar等的拉伸試驗(yàn)儀同樣是改造了直接剪切儀（如圖4），但是試件形狀完全不同。他們所改造的儀器中模具的形狀為兩個(gè)開口相對(duì)的“C”形結(jié)構(gòu)。這樣的設(shè)計(jì)相比Trabelsi的裝置可降低試件因幾何原因產(chǎn)生的應(yīng)力集中而導(dǎo)致的不可預(yù)見的裂縫對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖4 Tamrakar拉伸試驗(yàn)儀示例圖

Tamrakar的研究中討論了減小試件和模具內(nèi)壁之間摩擦力的幾種方法。他們發(fā)現(xiàn)，在模具壁中涂一層薄薄的油脂能減小模具內(nèi)壁和試件之間的摩擦阻力和吸力，最終使得試件能保持一個(gè)統(tǒng)一的位移。Tamrakar還對(duì)比了不同的拉伸速率對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在他的研究中，拉伸速率的量值范圍被設(shè)定為從10-2到10-1。試驗(yàn)證明，過快或過慢的拉伸速度會(huì)降低實(shí)測(cè)最大拉力，使得實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度值偏低。然而，Tamrakar在研究中忽略了為減小模具內(nèi)壁和試件之間摩擦力的油脂可能使土試件表面的膠結(jié)能力改變，從而影響測(cè)得的實(shí)驗(yàn)值。另一方面，由于試件的形狀較不規(guī)則，因此該試驗(yàn)無法較準(zhǔn)確地測(cè)得試件的體積，無法考慮土膨脹收縮因素。

1.4 StirIing-Huges［4］拉伸試驗(yàn)

英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的學(xué)者Stirling和Hughes在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)了抗拉試驗(yàn)裝置。他們將Trabelsi試驗(yàn)裝置中試件的“頸部”取消，將試件做成一個(gè)蝴蝶結(jié)的形狀，這樣可以減小幾何形狀造成的應(yīng)力集中，同時(shí)，因?yàn)樵嚰蓚?cè)為兩個(gè)梯形，所以可以較方便地得到試件體積，在討論時(shí)可以將試件體積變化作為因素之一考慮進(jìn)去。通過使用數(shù)碼影像記錄技術(shù)（DIC），他們獲得了在俯視情況下試件表面每個(gè)部位發(fā)生的應(yīng)變的情況，并制成云圖，印證了他們的裝置在進(jìn)行抗拉試驗(yàn)的過程中試件各部位產(chǎn)生的拉應(yīng)變或壓應(yīng)變符合預(yù)想并且較為合理。試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 SttirIing-Hughes拉伸試驗(yàn)儀示例圖

Striling和Hughes對(duì)由杜倫大學(xué)和紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)合作的BIONICS邊坡項(xiàng)目中的邊坡材料——冰漬土進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。探究其在經(jīng)歷了干濕循環(huán)后試件抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)果表明：冰漬土的抗拉強(qiáng)度隨含水率的減小而增加，并且通過土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知其拉伸破壞隨著含水率的降低由塑性破壞逐漸變成脆性破壞；試驗(yàn)結(jié)果還表明冰漬土的抗拉強(qiáng)度隨著其經(jīng)歷干濕循環(huán)的次數(shù)的增加而減小。這項(xiàng)研究在目前極端天氣頻發(fā)的情況下具有一定的指導(dǎo)意義。

但是該裝置也存在著一定的缺陷，通過深入的分析，由于放置試件的模具所受到的推力是通過模具兩側(cè)的推力桿傳遞的，但傳力桿并不是經(jīng)過模具的中心部位，而是在模具偏上的部位，導(dǎo)致了一個(gè)不可預(yù)計(jì)的力矩作用在試件上，試驗(yàn)表明部分張拉裂縫的產(chǎn)生是從試件底部產(chǎn)生并且逐漸蔓延到試件頂部的，這可能會(huì)影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)語

上述4種試驗(yàn)方法是目前研究黏性土抗拉強(qiáng)度較為領(lǐng)先也常用的試驗(yàn)，然而每種試驗(yàn)都存在一定的不足。筆者認(rèn)為，對(duì)于一般工程應(yīng)用，單軸抗拉試驗(yàn)測(cè)試黏性土抗拉強(qiáng)度比較直觀也比較容易實(shí)現(xiàn)，但如果需要深入研究黏性土的抗拉特性，如含水量、干濕循環(huán)、脹縮循環(huán)對(duì)黏性土抗拉強(qiáng)度的影響，比較來看Stirling-Huges拉伸試驗(yàn)從試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的合理性、試件的難易程度等方面在幾種方法中屬于比較完善的。

通過以上歸納和綜述可見，通過試驗(yàn)直接準(zhǔn)確獲取土的抗拉強(qiáng)度的研究還處于初期階段，還沒有一種較為系統(tǒng)完善的試驗(yàn)方法來研究土的拉伸特性，但通過前人的研究，筆者認(rèn)為今后的研究熱點(diǎn)有：

（1）對(duì)不同類型的土的抗拉特性展開研究，通過對(duì)

多種土料，如膨脹土、黃土、粉土進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得其抗拉特性，為工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

（2）繼續(xù)改進(jìn)試驗(yàn)裝置，建立一套能比較準(zhǔn)確的獲取黏性土抗拉特性的試驗(yàn)裝置，并建立一些經(jīng)驗(yàn)公式和指標(biāo)系數(shù)，應(yīng)用到工程實(shí)踐中。

（3）從機(jī)理角度探討土的抗拉強(qiáng)度特性，比如通過掃描電鏡、CT等分析，談?wù)撏令w粒之間膠結(jié)物質(zhì)含量變化的原因等，了解影響土的抗拉特性的因素。

（4）研究氣候變化對(duì)抗拉特性的影響，從降水、溫度等多方面因數(shù)考慮，為工程應(yīng)用提供指導(dǎo)依據(jù)。

［1］Wang J J，Zhu J G，Chiu C F，et aI.ExperimentaI study on fracture toughness and tensiIe strength of a cIay［J］.Engi-neering GeoIogy，2007，94（1）：65-75.

［2］TrabeIsi H，Jamei M，Guiras H，et aI.Some investigationsabout the tensiIe strength and the desiccation process ofunsaturated cIay［C］.EPJ Web of Conferences.EDP Sciences，2010，6：12005.

［3］Tamrakar S B，Mitachi T，Toyosawa Y.Factors AffectingTensiIe Strength Measurement and Modified TensiIeStrength Measuring Apparatus for SoiI［M］.ExperimentaIUnsaturated SoiI Mechanics.Springer BerIin HeideIberg，2007：207-218.

［4］Davies C W.EvaIuation of the SHT tensiIe testing equipment for use on cohesive soiIs using digitaI imaging corre-Iation technoIogy［D］.NewcastIe.NewcastIe University，2012.

Advances in Soil Tensile Strength Experiment Study

LUO An-min1，ZHAN Jian-qin1，HUANG Chun-xia1，WEI Ling2
（1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029；2.CCCC-FHDI Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou，Guangdong，510230）

Soil tension failure is a common failure mode that could lead to slope instability，surface crackingand other engineering disasters.All along，the geotechnical test is only a relatively systematic method to testthe soil shear strength，but the test on soil tensile strength is not so perfect.This article analyzed and compared several methods at home and abroad to test the soil tensile strength，with a positive reference for future testing of soil tensile strength.

Slope；Tensile strength；Geotechnical test；Clayey soil；Tensile test

U416.03

A

10.13282／j.cnki.wccst.2015.09.003

1673-4874（2015）09-0008-03

羅安民（1990—），助理工程師，碩士，從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)工作；占建琴（1986—），助理工程師，從事巖土勘察設(shè)計(jì)工作；

黃春霞（1989—），碩士研究生，從事交通科研管理工作；

韋 羚（1991—），助理工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

2015-05-05