新型非飽和黃土拉壓試驗儀的研制與應用

尹思雨　王曉靜　汪凱凱　武少鵬

摘要：土體的抗拉強度是研究張拉破壞特性的理論基礎，目前室內測試方法多樣但均存在一定局限性，因而較難準確獲得土體真實的抗拉強度。對比分析了現(xiàn)有的試驗裝置和試驗方法，將原有試驗儀器按模塊進行分塊對比并補足，研制出新型單軸拉壓儀和配套的制樣裝置，并根據自制儀器開展了臨潼地區(qū)Q2原狀黃土的抗拉強度試驗。結合黃土抗拉強度產生機制，分析了非飽和黃土的破壞形態(tài)與破壞機理。

試驗結果表明：非飽和黃土的抗拉強度隨含水率的增大以冪函數(shù)關系減少;在不同高徑比試驗研究中，非飽和黃土的抗拉強度受試樣尺寸與形狀的影響，具有尺寸效應，在一定含水率條件下，抗拉強度與高徑比呈負指數(shù)關系，當高徑比大于2.64時，尺寸效應消失。

關鍵詞：拉壓試驗儀; 非飽和黃土; 新型拉伸儀; 抗拉強度; 尺寸效應

中圖法分類號： P642

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.034

0引 言

黃土地區(qū)的工程項目面臨了越來越多的挑戰(zhàn)，如地基沉降過程中，局部產生張拉裂縫[1]。此外，多種地質災害的孕育和發(fā)展破壞過程也均與土的抗拉特性有關。因此，在許多土工問題的研究分析和設計中，必須考慮土抗拉強度的影響[2-3]。由于黃土的抗拉強度小，試驗方法和試驗手段的影響限制了其抗拉強度的準確量測。20世紀50年代，國外學者首次采用凍結端頭的方法開展了飽和黏性土的直接拉伸試驗[4]，但由于試驗操作設備簡陋，無法精確測量土體抗拉強度。國內對土的抗拉強度特性的研究始于20世紀70年代。1973年，清華大學采用單軸拉伸和土梁彎曲兩種試驗方法，研究含水率與干密度對于土體抗拉強度與變形位移的影響規(guī)律[5]。在土體抗拉強度的研究前期，學者們著重于試驗測試手段，后期逐漸將關注點放在抗拉強度的影響因素上。無論是研究前期還是后期，測試方式的規(guī)范操作仍是眾多學者探究的熱點。間接測試手段是將試樣作為一種假想模型存在假設條件，相較而言，直接法更能反映土體抗拉強度的真實大小。朱俊高等[6]自制臥式單軸抗拉試驗裝置，試驗過程中夾具與試樣之間出現(xiàn)了打滑情況。張云等[7]采用改裝后的拉伸儀探究擊實黏土抗拉強度影響因素，文中采用夾具與試樣直接黏結的方法，然而接觸面積小，接口容易斷裂且試驗過程對位移的監(jiān)測并不精細。袁志輝等[8]采用自制拉伸儀進行土體干濕循環(huán)下抗拉強度變化分析，所用夾持夾具主要依靠夾具與土體之間摩擦力，然而對夾持力的控制較難。崔猛等[9]自制新型臥式單軸拉伸試驗儀器，解決了重塑土制樣困難等問題，但不適用于原狀土。

黃土抗拉強度特性的研究變得日益重要，但目前沒有一套標準的試驗儀器及規(guī)則，綜上所述，目前采用的直接拉伸試驗裝置存在如下問題：① 拉伸過程中，夾具與試樣之間黏結不牢固;② 原狀試樣形狀難以削制;③ 拉伸過程中，試樣斷裂位置集中在端部。基于上述問題，本文以原狀黃土作為研究對象，通過自制啞鈴狀削土盤以及一套單軸拉伸試驗裝置，開展非飽和原狀黃土不同拉伸段長度、不同含水率的單軸拉伸試驗，探討了非飽和黃土抗拉強度尺寸效應，研究成果對準確快速獲得非飽和黃土抗拉強度，探究抗拉強度特征具有一定的參考意義。

1試驗儀器研制

1.1試驗裝置

根據單軸拉伸試驗的測試方式，通常將其分為立式與臥式兩種方式，臥式拉伸對于試樣與儀器之間的摩擦力的控制是相對困難的，本文在對于單軸立式拉伸儀的認知基礎上，設計了一套新的試樣裝置。根據試驗裝置的組成因素，將直接拉伸儀分為控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和連接系統(tǒng)3個模塊進行研制，分別對各模板可能存在的問題進行修正，以提高試驗效率與結果準確性。

1.1.1控制系統(tǒng)

試驗采用應變式控制儀，控制儀右端口連接電腦，儀器可滿足不同加載速率要求，并通過電腦實時記錄數(shù)據，隨時觀測試驗變化情況判斷土樣是否完全破壞，提高試驗效率。

1.1.2測量系統(tǒng)

總結前人在改裝三軸剪切儀上的測量系統(tǒng)可知，單方面?zhèn)鞲衅鞯氖褂?，使另一變量難以與之完全準確對應。因此兩種測量值的同步對應，是試驗儀器改進的關鍵問題。通過電子天平以及千分表對試驗過程所需傳感器進行校正預判，得到幾乎重合的擬合曲線，最終測量系統(tǒng)采用精度為0.1%的JLBS-200KG拉壓傳感器和精度為0.5%的JWL-20MM位移傳感器進行試驗過程的力與位移實時監(jiān)測。

1.1.3連接系統(tǒng)

（1） 夾具比選。

立式直接拉伸法中土體與拉力裝置之間的連接方式有拉鉤[10]、直接黏結[11]、錨固[12]、夾具[13]等方式，通過前期對比不同連接方式的試驗成功率，最終確定采用黏結式夾具連接試樣與拉力系統(tǒng)。在立式拉伸試驗中，自重對于試驗結果影響較大，對于試驗夾具材質應盡可能選取較輕質的材料。起初夾具材料與設置深度都不滿足試驗要求，試驗結果如圖1（a）所示。第二套采用尼龍材質夾具，并在第一套的基礎上加深了套筒的深度，將夾具下部分底座與套筒分開，便于膠結，試驗結果如圖1（b）所示，膠結效果好，但底座厚度自重較重。第三套夾具去掉了底座側邊，用木工夾夾持底座與升降盤構成整體，改造的夾具上部分與下部分相似，將套筒與頂面分開，上下夾具均采用M5的螺桿相連，既減少了試驗夾具的自重也實現(xiàn)了土體與套管之間較好的連接，試驗結果如圖1（c）所示。考慮自重以及膠結完整性最終確定圖1（c）作為試驗夾具。

（2） 膠水比選。

膠水與土體之間的作用力是試驗較為重要的因素，部分學者采用502膠可實現(xiàn)快速固定，提高試驗效率。但502膠快速硬化的優(yōu)勢使土體表面形成了較薄的硬質外殼包裹土體表面，導致硬化后的土體與夾具之間連接薄弱，如圖2所示，試驗成功率低并且夾具無法重復使用。胡海軍等[14]也采取502膠使試樣與儀器相連，結果表明試樣膠結處存在斷裂，從而導致試驗失敗。使用AB膠明顯減少了膠結處斷裂的可能，但膠體氣味較大，甲醛等有毒有機溶劑較多，且試驗后期無法進行清理，如圖3所示，浪費較大，不適宜作為長期試驗的膠結劑。

環(huán)氧樹脂膠廣泛應用在航空、機械、電器、無線電、地質、建筑等領域中，膠體相比502膠和AB膠而言，固化時間較長，但無刺激性氣味，100 ℃高溫下易軟化，試驗后期清除較為方便。本文也采用了大量的試驗驗證了環(huán)氧樹脂膠的適用性，試驗結果與AB膠相似，仍然出現(xiàn)了端部斷裂的情況，幾種膠結情況如圖4所示。

從圖4可以看出，環(huán)氧樹脂膠對土體與夾具之間的膠結效果較好，膠結邊界輕薄，但仍然存在端部破裂的情況，因此對后期試樣的形狀研究就很有必要。

根據對試驗各部分的因素探究，最終設計的拉伸試驗裝置如圖5所示。將傳統(tǒng)三軸儀量力環(huán)部分替換為S型拉壓傳感器，用木工夾夾持底座與升降盤構成整體，夾具上部分套筒與頂面分開，上下夾具均采用M5的螺桿相連，既減少了試驗夾具的自重，也提高了土體與套筒的連接性。

通過連接系統(tǒng)確定了拉伸試驗儀的裝置模型，對于用間接法軸向壓裂測抗拉強度而言，與立式單軸試驗施加力的方向一致，因而，去掉夾具調整位移傳感器位置，選用合適的襯墊直徑即可進行土體軸向壓縮，間接獲取抗拉強度。

1.2裝置對中問題

試驗過程中，升降盤與拉壓傳感器的對中直接影響試樣是否偏心。因而，在試驗開始前期采用自然懸重法確保試樣對中，通過合理調整下盤位置，滿足試驗要求。

1.3啞鈴型制樣器

通過1.1節(jié)可知，圓柱狀黃土的立式單軸拉伸試驗結果可分為端部破壞和中間段破壞。Tsutomu等[15]在研究水泥砂的抗拉強度時，在單軸試驗方法下采用了啞鈴型試樣，幾何模型如圖6所示，模型的試驗結果與有限元分析的試驗結果一致，能較好地實現(xiàn)試樣的中間段斷裂。但無論是啞鈴狀試樣模型還是“8”字型模具，要制作原狀黃土還是較為困難的。因此，研制一套啞鈴型削土盤是很有必要的。

根據試樣形狀的需求，本文設計了一整套不同高徑比啞鈴型削土盤，利用3DMAX制圖軟件，繪制削土盤的3D幾何模型。試驗儀器由3部分組成：加持段、過渡段和拉伸段。固定加持段20 mm，過渡段傾斜角度7°，圖7為拉伸段70 mm的削土盤。同時，設計了同含水率下圓柱狀與啞鈴型兩種試樣的對比試驗，4組對比結果如圖8所示。

從圖8可知，圓柱狀土樣破裂位置大多數(shù)集中在端部，破裂面較為平整，相同含水率下的啞鈴狀土樣由于土體形狀產生應力集中使破裂位置基本在頸部。同時對于相同拉應力，破壞截面越大則需要的拉力就越大。因而圓柱形試樣增加了土體被拉出試樣和端部破壞的可能。

1.4試驗裝置優(yōu)勢

自制新型單軸拉伸試驗裝置與目前已有單軸拉伸試驗裝置對比具有較為明顯的技術優(yōu)勢：① 試驗儀器可直接拉伸測抗拉強度，也可間接壓裂獲取拉伸強度;② 試樣的啞鈴狀設計，能夠有效地減小試樣端部破壞的可能性;③ 對于原狀黃土制樣器的設計，可根據所需拉伸段高度制備不同高徑比試樣;④ 自然懸重可便捷處理試樣偏心的問題;⑤ 試驗加載速率可通過電腦任意調節(jié)，完全滿足不同加載速率的試驗要求;⑥ 力和位移傳感器可以實時采集不同拉伸狀態(tài)下的拉應力及與之對應的拉伸位移，并自動生成曲線關系，快速觀測試驗峰值點，并在數(shù)據處理后得到抗拉強度與最大拉伸位移;⑦ 力與位移傳感器的量程分別為200 kg和20 mm，對于中等不同強度的單軸抗拉強度試驗均適用，應用范圍廣泛。

2非飽和黃土單軸拉伸試驗

2.1試樣來源及其物理力學性質

試驗用土取自西安科技大學臨潼校區(qū)的人工開挖高陡邊坡坡腳。臨潼地區(qū)為Q2黃土，該土體基本物理性質如表1所列。

2.2試驗方案

結合非飽和黃土拉伸試驗裝置的設計，選取含水率與高徑比兩個試驗變量，共設計兩種拉伸試驗，分別是：高徑比為1.13時，含水率為4.9%，6.5%，8.1%，9.5%，11.2%，12.9%，14.4%，15.7%的8組試驗;含水率為12.0%時，高徑比為0.49，0.65，0.81，0.97，1.13的5組試驗。

2.3試驗結果分析

2.3.1非飽和黃土單軸拉伸過程性狀

根據對非飽和黃土在單軸拉伸試驗過程中的觀察，黃土的破裂面較為平整且基本垂直于拉力方向，破裂具有突然性，在拉伸前期，微小裂隙較多，后期匯聚為一條。其破壞形態(tài)的結果表明，夾具限制下的應力集中促使局部破壞發(fā)生在試樣的頸部，應力分配后土樣整體破壞。試樣破裂在拉伸過程中沒有出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，變形只沿拉力方向，試樣的高徑比越大，其應變位移越大，當含水率較大時應變位移較小，土樣易拉斷。

2.3.2非飽和黃土抗拉強度影響因素

（1） 含水率與抗拉強度關系。

通過Origin軟件對試驗結果進行擬合，擬合結果如圖9所示。從圖9中可知，當高徑比為1.13時，含水率從4.9%增加到15.7%，土體抗拉強度從60.67 kPa降至12.44 kPa。結果表明：抗拉強度隨著試樣含水率的不斷增大而逐漸降低，其中低含水率下的抗拉強度下降幅度大于高含水率的下降幅度，說明當含水率較低時，水分主要集中在細小顆粒的孔隙中，當含水率變化1%時，細小顆?？紫吨械暮视屑s5%的變化[16]，試樣的抗拉強度容易受水分影響。反之含水率較高時，受水分影響較小。從圖9中的擬合方程可知含水率與抗拉強度之間呈冪函數(shù)關系。擬合方程如下：

為了驗證試驗所得的擬合方程的準確性，配置同一高徑比下的6組任意含水率，通過試驗獲取抗拉強度，將試驗結果代入擬合曲線中，任意含水率下所得到的抗拉強度值與擬合曲線一致，如圖10所示。

（2） 高徑比與抗拉強度關系。

控制含水率為12.0%，削制0.49，0.65，0.81，0.97，1.13等5組不同高徑比試樣進行單軸拉伸試驗，同時根據試驗所得的數(shù)據，對試驗結果進行擬合，如圖11所示。

由圖11可以看出，高徑比與抗拉強度兩者之間呈負指數(shù)關系，當含水率一定時，隨著試樣高徑比的增加，土體的抗拉強度逐漸減小，試樣高徑比增加到一定值時，土體的抗拉強度趨于穩(wěn)定，即高徑比的變化對土體抗拉強度不再有較大影響。公式（2）表示擬合得到的高徑比與抗拉強度之間關系：

當試樣高徑比趨于無窮大時，可以得到在含水率為12.0%的情況下，土體抗拉強度為20.56 kPa。因此當高徑比達到一定比值時，土體的抗拉強度不再隨高徑比變化而變化，近似趨于一個常數(shù)，尺寸效應較小或者可以忽略。

從擬合曲線很難求得土體抗拉強度不變時的高徑比，因而采取數(shù)學計算處理來獲取較準確的結果，擬合曲線的一般表達式為

式中：γ值是對于該函數(shù)曲線下可接受的斜率絕對值，由于圖中橫坐標數(shù)值較小，整體斜率均較低，可接受的斜率值相對偏小。因此假設γ=0.001，將其a，t，y0常數(shù)數(shù)值代入。

最終求出試樣高徑比x=2.64時，試驗拉伸段高度為163 mm，即當試樣的拉伸段大于163 mm后，高徑比對土體的抗拉強度影響較小，基本上趨于穩(wěn)定，由于削土盤高度限制，調整可接受斜率值γ=0.003，確定拉伸段高度為105 mm。

2.3.3非飽和黃土抗拉強度變形破壞特征

非飽和黃土抗拉強度來源主要是原始黏聚力、加固黏聚力以及基質吸力毛細力產生的吸附力，對于非飽和黃土的抗拉強度而言，含水率的大小對于3種黏聚力均有影響。因而，含水率成為影響抗拉強度至關重要的因素。

在非飽和黃土的內部可將相互貫通的孔隙看作是很多形狀不一、相互連通、大小互異的毛細管，由于氣液固三相存在，在毛細管四周的孔壁上，水膜與空氣之間存在著一定的表面張力，表面張力的存在使毛細管中的水被提升到自由水面一定高度，液體在表面張力的作用下會盡可能保持表面積最小，由于毛細管的浸潤作用以及水的自重，使液面向下彎曲產生彎液面力，從而導致毛細力出現(xiàn)。當土樣中孔隙氣壓力與孔隙水壓力相差較大時會產生較強的基質吸力，毛細力與基質吸力共同作用使得土顆粒之間相互靠攏，結構穩(wěn)定。土體在破裂前期時，主要靠毛細力與基質吸力作用抵抗拉力，當所施加的拉力逐漸增加，基質吸力等無法與外力平衡時，由顆粒間膠結力提供抵抗力，然而膠結物質一般都具脆性，微小變形后即可達到峰值，此后土顆粒通過結合水膜連接，最終土樣被拉斷。當含水率較低時，土體中基質吸力較大且存在不易溶解部分如有機質或者鹽類膠結物，因而低含水率土樣在拉伸斷裂前期所能抵抗的拉力通常大于高含水率下的拉力;同理當含水率較高時，土體的塑性變形大，也因為較多的水分使鹽類薄膜溶解，降低了平衡拉力的抵抗力，因此，抗拉強度也相對較低，與隨著含水率增加抗拉強度逐漸減小的試驗結論一致。

3結 論

在原有的單軸拉伸試驗儀的基礎上，本文從試驗裝置的連接方式以及可能出現(xiàn)問題的試驗部件著手，自制新型單軸拉伸儀，以離石黃土（Q2）原狀黃土為研究對象，選取高徑比與含水率因素，探求其與抗拉強度之間的關系，結論如下：

（1） 自制試驗儀在前期試樣的固定以及后期處理中都得到較好的處理，解決了傳統(tǒng)直接拉伸遺留問題，試驗成功率高;

（2） 自制啞鈴狀削土盤，控制試驗儀器所需角度與高度，為原狀試樣的制備提供了高效快速的方法，解決了原狀土制樣困難的問題;

（3） 試樣拉伸破裂具有突然性，拉伸過程中沒有出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象;

（4） 非飽和黃土抗拉強度隨著含水率的增大逐漸減小，兩者呈冪函數(shù)關系;

（5） 設計試樣形狀為啞鈴型，相同含水率條件下抗拉強度隨試樣高度的增大而減小，當拉伸段大于105 mm時，尺寸效應消失，推薦將拉伸段長度為105 mm的試樣作為研究抗拉強度的標準試驗試樣。

參考文獻：

[1]王衍匯，倪萬魁，袁志輝.原狀黃土抗拉強度試驗方法研究[J].科學技術與工程，2015，15（7）：234-237.

[2]黃文熙.土的工程性質[M].北京：水利電力出版社，1983.

[3]劉愛娟，徐翔，劉太平.巖土抗拉強度與抗剪強度參數(shù)關系討論[J].人民長江，2017，48（增2）：235-239.

[4]HAEFELI R.Investigation and measurements of shear strength of saturated cohesive soil[J].Geotechnique，1951，2（3）：186-208.

[5]土石壩抗裂研究小組.粘性土抗拉特性的測量和對土石壩裂縫的初步研究[J].清華大學學報（自然科學版），1973（3）：61-71.

[6]朱俊高，梁彬，陳秀鳴，等.擊實土單軸抗拉強度試驗研究[J].河海大學學報（自然科學版），2007，35（2）：186-190.

[7]張云，王惠敏，鄢麗芬.擊實黏土單軸拉伸特性試驗研究[J].巖土力學，2013，34（8）：2151-2157.

[8]袁志輝，倪萬魁，王衍匯.非飽和黃土的抗拉特性研究[J].南水北調與水利科技，2015，13（1）：123-126.

[9]崔猛，韓尚宇，洪寶寧.新型土工單軸拉伸試樣裝置的研制及應用[J].巖土力學，2017，38（6）：1832-1840.

[10]李昊達，唐朝生，徐其良，等.土體抗拉強度試驗研究方法的進展[J].巖土力學，2016，37（增2）：175-186.

[11]PL O，L T N H.Effect of polypropylene fiber-reinforcement on the mechanical behavior of silty clay[J].Geotextiles and Geomembranes，2012，32：111-116.

[12]張小江，周克驥，周景星.單軸靜動拉壓試驗儀的研制和纖維加筋土斷裂特性試驗[J].大壩觀測與土工測試，1997，21（4）：37-40.

[13]陸志峰，趙秀峰，曹景洋.單軸拉伸法測定土的抗拉強度實驗研究[J].安徽地質，2015，25（2）：153-155.

[14]胡海軍，蔣明鏡，趙濤，等.制樣方法對重塑黃土單軸抗拉強度影響的初探[J].巖土力學，2009，30（增2）：196-199.

[15]TSUTOMU N，JUNICHI K.Evaluation of tensile strength of cement-treated sand bases on several types of laboratory tests[J].Soil and Foundations，2007，47（4）：4657-4674.

[16]黨進謙，郝月清.含水量對黃土結構強度的影響[J].西北水資源與水工程，1998，9（2）：15-19.

（編輯：謝玲嫻）

Abstract：The tensile strength of soil is the theoretical basis for studying the characteristics of tensile failure.At present，although indoor testing methods of tensile strength were various，most of them have certain limitations，so it is difficult to accurately obtain the true tensile strength of soil.In this paper，we compared and analyzed the existing test devices and test methods，so improved the traditional test devicesand finally develop a new type of uniaxial tension and compression tester and matching sample preparation devices.Based on the new device，we carried outa tensile strength test on the undisturbed Q2 loess in Lintong area.The failure pattern and mechanism of unsaturated loess were analyzed by combining with the generation mechanism of the tensile strength of the loess.The test results indicated that the tensile strength of unsaturated loess decreased as a power function with the increase of water content.Furthermore，the tensile strength of unsaturated loess was affected by the sample size and shape under different height-diameter ratio，which had an obvious size effect.The relationship between tensile strength and height-diameter ratio exhibited a negative exponential law ina certainwater content.When the height-diameter ratio was greater than 2.64，the size effect disappeared.

Key words：unsaturated loess;new type of tension and compression tester;tensile strength;size effect