土抗拉强度试验研究进展

罗安民，占建琴，黄春霞，韦 羚（.广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 53009；.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 5030）

土抗拉强度试验研究进展

罗安民1，占建琴1，黄春霞1，韦 羚2
（1.广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029；2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

土体张拉破坏是一种常见的破坏形式，它可能导致边坡失稳、地表开裂等工程灾害。一直以来，土工试验只有比较系统的测试土体抗剪强度的方法，而对土体抗拉强度的测试还不完善。文章对国内外既有的几种测试土体抗拉强度的方法进行分析和比较，对今后测试土体抗拉强度有积极的借鉴意义。

边坡；抗拉强度；土工试验；黏性土；拉伸试验

0 引言

土的抗拉强度相对较低，在设计计算中经常不被考虑。事实上，土工结构的破坏常常与黏性土的抗拉特性有关。张拉裂缝会大大降低边坡滑动面的阻力，同时，雨水渗入这些裂缝中会使得边坡变重，更容易导致边坡失稳。在调查边坡的完整性的时候需要建立一个准确的张拉裂缝的模型结合上胀缩循环、夏季的裂缝发育和大暴雨导致的不利的静水压力，以及由因蠕变引起的向下滑移导致土块中产生的张拉力。目前的研究还无法建立一个较为完善的张拉裂缝的模型。因此很有必要通过准确的试验数据获取土的张拉特性。

土的抗拉强度与土工试验中，通过直接剪切、三轴剪切等试验能比较准确地确定土体的抗剪强度；而对于土的抗拉强度，一直以来没用很完善的试验方法来直接获取。在岩石力学中，岩石的抗拉强度可以通过电荷载估算法、弯曲试验法、径向压裂法、劈裂法、离心机法、直接拉伸法等方法来获取。通过借鉴岩石抗拉强度试验，国内外不少学者改进了几种不同的试验装置进行土体抗拉强度试验，且各有特点。本文介绍了几种国内外学者所使用的直接法试验，讨论他们的研究成果并分析每一种方法的优缺点。

1 国内外土抗拉强度研究现状

1.1 单轴拉伸试验

单轴拉伸试验常常被用来获取土体的抗拉强度，因为操作起来比较简单。但在不同的研究中，实验装置也有所不同。王俊杰［1］等在研究中使用了这种方法来研究黏土的抗拉强度，将黏土做成一个圆柱体的试件，用两个夹具夹住试件两头，下夹具固定在设备底座，上夹具通过一根传力杆链接到拉伸设备，拉伸设备一般为电子万能试验机。轴向拉力通过传力杆传到试件进行张拉，直至试件张拉破坏。电子万能试验机的两个传感器分别检测张拉应力和应变，并通过计算机绘制其应力-应变曲线。试验装置如图1所示。

通过计算机绘制的应力-应变曲线，可以得到试件破坏时的最大拉力。圆柱试件的抗拉强度στ可通过最大有效拉力除以试件的横截面积得到，抗拉强度计算公式如下：（1）

式中Fmax——拉力传感器测得的最大轴向拉力；

G ——断裂面以上试件和夹具、传力杆的重力之和；

A ——断裂面的横截面积。

在他的研究中，通过测试土的抗拉强度στ和土的断裂韧度Kτc，确定了抗拉强度和断裂韧度存在线性关系，可以通过一个系数α来确定，既Kτc=ασr。

这种试验方法的优点就是试验装置较为普遍，试件的制作过程较为简单，由于试件是圆柱体，所以制作试件的模具与三轴压缩试件的模具通用。但是，这种方法也存在很大的缺陷：（1）在试验过程中，夹具相对试件会产生微小位移，从而影响拉伸变形的结果；（2）由于试件在制作的时候是分层击实，不能保证试件的每一个部位是质量均匀的，并且无法保证每层的层面很好地结合，试件很可能从这些层面发生拉伸破坏，从而降低试验结果。尤其是当黏土试件经历了干湿循环以后，因为经历膨胀和收缩后很容易从每一击实层层面产生裂缝。因此该套装置无法有效地适用于研究干湿循环对土体抗拉强度的影响。

1.2 TrabeIsi［2］拉伸试验

突尼斯学者Trabelsi等人在前人研究的基础上通过改进直接剪切仪（如图2所示）来获取土体抗拉强度。他们将试件中间段做成一个“颈部”状，两端卡口做成梯形，其中一端为固定端固定在直剪仪上，另一端为活动端，通过直剪仪将活动端推离固定端，通过模具来传递拉力。测量试件破坏时的最大拉力来得到试件的抗拉强度，同时绘制出应力-应变曲线做进一步研究。

图1 单轴拉伸试验仪示例图

图2 TrabeIsi拉伸仪示例图

这种试验方法可以减小卡具与试件的相对位移，可以较准确地测量试件的拉伸变形。同时试件受到均匀的水平拉力可以消除重力的影响，并且不会受到因分层击实而导致的击实面间强度减弱的影响。可以用来探究在不同含水率下土体的抗拉强度的变化。在Trabelsi的研究表明了土的抗拉强度会随着含水率的增加而降低，同时土的吸力随着土的抗拉强度的增加而增加。但在研究过程中发现，试件的破裂面因为应力集中通常发生在试件某一端卡口与“颈部”的交接处，但另一端会出现一个次级裂缝，可能导致所测得的抗拉强度小于实际的抗拉强度。具体情况如图3所示：

图3 TrabeIsi拉伸试验试件破坏情况示意图

1.3 Tamrakar［3］拉伸试验

日本学者Tamrakar等的拉伸试验仪同样是改造了直接剪切仪（如图4），但是试件形状完全不同。他们所改造的仪器中模具的形状为两个开口相对的“C”形结构。这样的设计相比Trabelsi的装置可降低试件因几何原因产生的应力集中而导致的不可预见的裂缝对试验结果的影响。

图4 Tamrakar拉伸试验仪示例图

Tamrakar的研究中讨论了减小试件和模具内壁之间摩擦力的几种方法。他们发现，在模具壁中涂一层薄薄的油脂能减小模具内壁和试件之间的摩擦阻力和吸力，最终使得试件能保持一个统一的位移。Tamrakar还对比了不同的拉伸速率对实验结果的影响，在他的研究中，拉伸速率的量值范围被设定为从10-2到10-1。试验证明，过快或过慢的拉伸速度会降低实测最大拉力，使得实测抗拉强度值偏低。然而，Tamrakar在研究中忽略了为减小模具内壁和试件之间摩擦力的油脂可能使土试件表面的胶结能力改变，从而影响测得的实验值。另一方面，由于试件的形状较不规则，因此该试验无法较准确地测得试件的体积，无法考虑土膨胀收缩因素。

1.4 StirIing-Huges［4］拉伸试验

英国纽卡斯尔大学的学者Stirling和Hughes在前人的基础上进一步改进了抗拉试验装置。他们将Trabelsi试验装置中试件的“颈部”取消，将试件做成一个蝴蝶结的形状，这样可以减小几何形状造成的应力集中，同时，因为试件两侧为两个梯形，所以可以较方便地得到试件体积，在讨论时可以将试件体积变化作为因素之一考虑进去。通过使用数码影像记录技术（DIC），他们获得了在俯视情况下试件表面每个部位发生的应变的情况，并制成云图，印证了他们的装置在进行抗拉试验的过程中试件各部位产生的拉应变或压应变符合预想并且较为合理。试验装置如图5所示。

图5 SttirIing-Hughes拉伸试验仪示例图

Striling和Hughes对由杜伦大学和纽卡斯尔大学合作的BIONICS边坡项目中的边坡材料——冰渍土进行了抗拉强度试验。探究其在经历了干湿循环后试件抗拉强度的变化趋势，试验结果表明：冰渍土的抗拉强度随含水率的减小而增加，并且通过土的应力-应变曲线可知其拉伸破坏随着含水率的降低由塑性破坏逐渐变成脆性破坏；试验结果还表明冰渍土的抗拉强度随着其经历干湿循环的次数的增加而减小。这项研究在目前极端天气频发的情况下具有一定的指导意义。

但是该装置也存在着一定的缺陷，通过深入的分析，由于放置试件的模具所受到的推力是通过模具两侧的推力杆传递的，但传力杆并不是经过模具的中心部位，而是在模具偏上的部位，导致了一个不可预计的力矩作用在试件上，试验表明部分张拉裂缝的产生是从试件底部产生并且逐渐蔓延到试件顶部的，这可能会影响试验的准确性。

2 结语

上述4种试验方法是目前研究黏性土抗拉强度较为领先也常用的试验，然而每种试验都存在一定的不足。笔者认为，对于一般工程应用，单轴抗拉试验测试黏性土抗拉强度比较直观也比较容易实现，但如果需要深入研究黏性土的抗拉特性，如含水量、干湿循环、胀缩循环对黏性土抗拉强度的影响，比较来看Stirling-Huges拉伸试验从试验装置设计的合理性、试件的难易程度等方面在几种方法中属于比较完善的。

通过以上归纳和综述可见，通过试验直接准确获取土的抗拉强度的研究还处于初期阶段，还没有一种较为系统完善的试验方法来研究土的拉伸特性，但通过前人的研究，笔者认为今后的研究热点有：

（1）对不同类型的土的抗拉特性展开研究，通过对

多种土料，如膨胀土、黄土、粉土进行拉伸试验，获得其抗拉特性，为工程应用提供参考依据。

（2）继续改进试验装置，建立一套能比较准确的获取黏性土抗拉特性的试验装置，并建立一些经验公式和指标系数，应用到工程实践中。

（3）从机理角度探讨土的抗拉强度特性，比如通过扫描电镜、CT等分析，谈论土颗粒之间胶结物质含量变化的原因等，了解影响土的抗拉特性的因素。

（4）研究气候变化对抗拉特性的影响，从降水、温度等多方面因数考虑，为工程应用提供指导依据。

［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

罗安民（1990—），助理工程师，硕士，从事岩土工程勘察设计工作；占建琴（1986—），助理工程师，从事岩土勘察设计工作；

黄春霞（1989—），硕士研究生，从事交通科研管理工作；

韦 羚（1991—），助理工程师，从事结构设计工作。

2015-05-05