土体断裂韧度KIC试验研究

廖培伟，唐红梅

（重庆交通大学岩土工程研究所，重庆 400074）

土体断裂韧度KIC试验研究

廖培伟，唐红梅

（重庆交通大学岩土工程研究所，重庆 400074）

标准的三点弯曲试验，加荷方向与试样重力方向在同一条直线上，由于土体的抗拉强度很低，在进行土体的三点弯曲试验的时候，试样仅在自重的作用下就会断裂，即使不断裂，重力对测试结果也会产生很大的影响。根据三点弯曲的试验原理，将试样沿底边旋转90°，采用水平加荷的方式，使试样重力与加荷方向垂直，避开了重力对试验结果的影响，并使用自主研发的土体断裂装置测得了土体断裂韧度KIC。

断裂韧度;标准三点弯曲试验;土石比:含水率;土体断裂试验装置

近年来，因降雨引发的泥石流和滑坡频繁发生，造成了巨大经济财产和不可挽回的生命损失，因此边坡失稳引发的泥石流和滑坡成为了全球性的地质灾害。而斜坡拉裂缝的形成提供了雨水进入土体的通道，大量雨水沿裂缝下渗，使边坡沿剪切面产生向下的渗透力，一旦剪应力和渗透力超过土体的抗剪强度，则斜坡土体整体下滑形成泥石流和滑坡［1-7］。可见，斜坡拉裂缝是降雨型泥石流和滑坡形成的重要原因之一，判别斜坡是否会出现张开型裂纹及其扩展问题成为了泥石流和滑坡的关键问题。

目前国内外虽有一些研究人员从事岩石、混凝土等材料断裂韧度的研究，但对于土体断裂韧度的研究至今研究的较少。A.S.Saada，等［8］首次发表了对于土体断裂参数的研究，但是他们提出的方法不便于操作，而且试验结果受人为影响非常严重。F.H.Lee，等［9］对于黏土中Ⅰ型裂纹扩展的应变能释放率临界值GC进行了研究，采用的紧凑拉伸试样的方法，但是这种试验可能出现施力点先于试样断裂破坏的情况。文献［10-11］提出了用环试验确定黏土断裂参数的方法。文献［12-15］为消除或避免土体自重对试验的影响分别对标准三点弯曲试验方法进行了改进，但是存在不易操作，结构复杂的缺点。

笔者根据断裂力学原理，提出了简单易操作测定试样断裂韧度KIC的方法，并对击实土样的土石比及含水量的土体断裂韧度KIC的变化的影响趋势进行了试验分析，以求对降雨引发的泥石流和滑坡的预防预警起到一定的指导意义，提供一些理论依据。

1 试验原理

1.1 标准三点弯曲试验

标准三点弯曲试验［16］是断裂力学的测定断裂韧度KIC的标准试验之一（图1）。

图1 标准三点弯曲试样及加荷装置Fig.1 Conventional three-point bending beam loading assembly

为了保证线弹性断裂力学的有效性，对于三点弯曲试样来说，其裂缝a和韧带（W-a）都有一定的要求，即:

式中:σys为材料的屈服应力;KI为应力强度因子;W，B分别为试样的宽度和厚度;a为试样中预制裂纹的切口深度。当 S=4W，a/W=0.45-0.55 时，应力强度因子可以用式（2）进行计算:

1.2 三点弯曲试验的局限性与改进

KIC描述的是带裂纹材料抵抗裂纹扩展的能力，当然也是土体裂纹开裂的判别标准。研究表明，试样的物质组成、几何尺寸（如，长/宽比等）、含水量、干密度等许多因素均影响材料KIC的大小。笔者仅就试样物质的组成和试验含水量对土体KIC的影响进行讨论。

1.2.1 三点弯曲试验的局限性

标准的三点弯曲试验的加载方向与材料的重力方向一致，在做土体的断裂试验时，土体有可能仅在重力下就发生断裂，即使不在重力下发生开裂，重力与开裂时的荷载相比也是不可忽略的，土体的重力对试验的结果影响是很大的，因此标准的三点弯曲试验不适合用来做土体的断裂试验。

1.2.2 试验方法的改进

将标准三点弯曲试验的试样放置方向［图2（a）］旋转90°［图2（b）］，使试样重力方向与加荷方向垂直，放置在图2所示的测试装置上，这样在试验过程中试样重力就不会对试验结果产生任何影响。

图2 试验土样模型Fig.2 Soil sample model

在试验过程中利用定滑轮改变加荷方向（图3），使加荷方向由水平的变为竖直的，为了减小甚至忽略摩擦力的影响，在试验装置上涂抹润滑油并在土体下面两侧木板下面放钢珠（图4）。

图3 土体KIC测试装置Fig.3 Testing assembly of KIC

图4 加荷装置Fig.4 Loading assembly

加荷方法为:以很缓慢的速度向图3所示的吊桶内加入细砂，土体开裂时测量吊桶以及桶内砂的质量即为试样开裂时的荷载，断裂标准以裂纹起裂为准。

2 试验土料

试验中用粒径的大小来进行土与石的划分，定义粒径小于2.0 mm为土体，粒径大于2.0 mm的为石。用图4所示的断裂测试方法，对不同土石比和不同含水率的土体进行了室内击实试样断裂韧度KIC的测试。试验所用的原土体取自重庆交通大学附近的一工程弃渣堆积体，其 Wp=18.8%，Gs=2.59。由于试样尺寸较小，在配制试样的过程中剔除了原土体中粒径大于2.0 mm的颗粒和瓜米石中粒径大于5.0 mm的颗粒，之后配制出试验所需的土石比为 7∶3，6∶4，5∶5，4∶6 和 3∶7 的试验土体（图5）。

图5 试验用料级配曲线Fig.5 Sieve analysis for test materials

3 试验结果分析

依据试验的目的，共进行了24组试验，每组3个试样，试样尺寸为280 mm×60 mm×30 mm。预制的裂缝深度为a=30 mm，干密度控制为1.8 g/cm3。

为了研究试样土石比和含水率对断裂韧度KIC的影响，控制各组试样的干容重相同，而土石比或试验含水率不同。试样预制裂缝及开裂形态如图6。

图6 试样预制裂缝以及开裂形态Fig.6 Sample prefabricated crack and shape of crack surface after fracture failure

3.1 土石比对断裂韧度的影响

在同一含水率下制备不同土石比的试样进行断裂韧度的测试，可以研究试样土石比对断裂韧度KIC的影响，可以绘制出土石比与断裂韧度的关系曲线（图7）。

图7 土石比对断裂韧度KIC的影响Fig.7 Effect of soil-stone ratio on fracture toughness KIC

在相同含水率及干密度下制备的不同土石比试样断裂韧度KIC随土石比中土质量百分比的增加呈先增大后减小的变化趋势。即存在一个最优的土石比使断裂韧度KIC值达到最大。

3.2 含水率对断裂韧度的影响

如图8，在相同土石比及干密度的情况下断裂韧度KIC随试验含水量的减小先增大。当含水量增加到一定值后，KIC随含水量的增加而减小。即KIC值存在一个使其值为最大的最优含水量。这种变化规律还有待进一步分析，对其他种类的土体是否存在也有待验证。

图8 含水率对断裂韧度KIC的影响Fig.8 Effect of water ratio on fracture toughness KIC

4 结论

1）土体自重对断裂韧度KIC的测试的影响一直是试验的难点，笔者通过自行研制的土体断裂装置，改变了传统三点弯曲试验的加荷方向，使用水平加荷的方式，避免了试样仅在自重作用下就断裂的情况，也消除了自重对试验结果的影响。

2）试样的含水率和土石比均对土体的断裂韧度KIC有较大的影响，对于相同含水率及干密度制备的试样，KIC值随土石比中土质量百分比的增加呈先增大后减小的趋势;对于相同土石比及干密度制备的试样，KIC随含水率的增加也呈先增加后减小的趋势。

3）研究结果对修筑人工边坡的配合比及含水量有指导意义。人工边坡和土方工程填筑的时候应保证合适的含水率和土石比，能提高其稳定性。

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Experimental Study on the Fracture Toughness KICof Soil

Liao Peiwei，Tang Hongmei
（Institute of Geotechnical Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Conventional three-point bending test，the loading direction and the gravity direction of the sample are in the same line.Because of the low tensile strength of soil，the sample will break only under the sample deadweight at the three-piont test of soil.Even if the sample is not broken，the deadweight will exert a great influence on the test results.According to the principle of three point bending test，the sample along the bottom edge to rotate 90°，by using horizontal loading way，the deadweight of sample is vertical to loading direction.In this way，the effect of gravity on the test results is avoided.The fracture toughness of soil is obtained by breaking assembly of soil which is independently developed.

fracture toughness of soil;conventional three-point bending test;soil-stone ratio;water content;soil fracture apparatus

O 344.2

A

1674-0696（2012）04-0788-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.13

2011-11-11;

2012-01-09

国家自然科学基金项目（40171017）;重庆交通大学研究生创新基金项目（2011（上）第02号）

廖培伟（1986—），男，山东枣庄人，硕士研究生，主要从事岩土工程与地质灾害研究。E-mail:fengkailiao@163.com。