新型非饱和黄土拉压试验仪的研制与应用

尹思雨　王晓静　汪凯凯　武少鹏

摘要：土体的抗拉强度是研究张拉破坏特性的理论基础，目前室内测试方法多样但均存在一定局限性，因而较难准确获得土体真实的抗拉强度。对比分析了现有的试验装置和试验方法，将原有试验仪器按模块进行分块对比并补足，研制出新型单轴拉压仪和配套的制样装置，并根据自制仪器开展了临潼地区Q2原状黄土的抗拉强度试验。结合黄土抗拉强度产生机制，分析了非饱和黄土的破坏形态与破坏机理。

试验结果表明：非饱和黄土的抗拉强度随含水率的增大以幂函数关系减少;在不同高径比试验研究中，非饱和黄土的抗拉强度受试样尺寸与形状的影响，具有尺寸效应，在一定含水率条件下，抗拉强度与高径比呈负指数关系，当高径比大于2.64时，尺寸效应消失。

关键词：拉压试验仪; 非饱和黄土; 新型拉伸仪; 抗拉强度; 尺寸效应

中图法分类号： P642

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.034

0引 言

黄土地区的工程项目面临了越来越多的挑战，如地基沉降过程中，局部产生张拉裂缝[1]。此外，多种地质灾害的孕育和发展破坏过程也均与土的抗拉特性有关。因此，在许多土工问题的研究分析和设计中，必须考虑土抗拉强度的影响[2-3]。由于黄土的抗拉强度小，试验方法和试验手段的影响限制了其抗拉强度的准确量测。20世纪50年代，国外学者首次采用冻结端头的方法开展了饱和黏性土的直接拉伸试验[4]，但由于试验操作设备简陋，无法精确测量土体抗拉强度。国内对土的抗拉强度特性的研究始于20世紀70年代。1973年，清华大学采用单轴拉伸和土梁弯曲两种试验方法，研究含水率与干密度对于土体抗拉强度与变形位移的影响规律[5]。在土体抗拉强度的研究前期，学者们着重于试验测试手段，后期逐渐将关注点放在抗拉强度的影响因素上。无论是研究前期还是后期，测试方式的规范操作仍是众多学者探究的热点。间接测试手段是将试样作为一种假想模型存在假设条件，相较而言，直接法更能反映土体抗拉强度的真实大小。朱俊高等[6]自制卧式单轴抗拉试验装置，试验过程中夹具与试样之间出现了打滑情况。张云等[7]采用改装后的拉伸仪探究击实黏土抗拉强度影响因素，文中采用夹具与试样直接黏结的方法，然而接触面积小，接口容易断裂且试验过程对位移的监测并不精细。袁志辉等[8]采用自制拉伸仪进行土体干湿循环下抗拉强度变化分析，所用夹持夹具主要依靠夹具与土体之间摩擦力，然而对夹持力的控制较难。崔猛等[9]自制新型卧式单轴拉伸试验仪器，解决了重塑土制样困难等问题，但不适用于原状土。

黄土抗拉强度特性的研究变得日益重要，但目前没有一套标准的试验仪器及规则，综上所述，目前采用的直接拉伸试验装置存在如下问题：① 拉伸过程中，夹具与试样之间黏结不牢固;② 原状试样形状难以削制;③ 拉伸过程中，试样断裂位置集中在端部。基于上述问题，本文以原状黄土作为研究对象，通过自制哑铃状削土盘以及一套单轴拉伸试验装置，开展非饱和原状黄土不同拉伸段长度、不同含水率的单轴拉伸试验，探讨了非饱和黄土抗拉强度尺寸效应，研究成果对准确快速获得非饱和黄土抗拉强度，探究抗拉强度特征具有一定的参考意义。

1试验仪器研制

1.1试验装置

根据单轴拉伸试验的测试方式，通常将其分为立式与卧式两种方式，卧式拉伸对于试样与仪器之间的摩擦力的控制是相对困难的，本文在对于单轴立式拉伸仪的认知基础上，设计了一套新的试样装置。根据试验装置的组成因素，将直接拉伸仪分为控制系统、测量系统和连接系统3个模块进行研制，分别对各模板可能存在的问题进行修正，以提高试验效率与结果准确性。

1.1.1控制系统

试验采用应变式控制仪，控制仪右端口连接电脑，仪器可满足不同加载速率要求，并通过电脑实时记录数据，随时观测试验变化情况判断土样是否完全破坏，提高试验效率。

1.1.2测量系统

总结前人在改装三轴剪切仪上的测量系统可知，单方面传感器的使用，使另一变量难以与之完全准确对应。因此两种测量值的同步对应，是试验仪器改进的关键问题。通过电子天平以及千分表对试验过程所需传感器进行校正预判，得到几乎重合的拟合曲线，最终测量系统采用精度为0.1%的JLBS-200KG拉压传感器和精度为0.5%的JWL-20MM位移传感器进行试验过程的力与位移实时监测。

1.1.3连接系统

（1） 夹具比选。

立式直接拉伸法中土体与拉力装置之间的连接方式有拉钩[10]、直接黏结[11]、锚固[12]、夹具[13]等方式，通过前期对比不同连接方式的试验成功率，最终确定采用黏结式夹具连接试样与拉力系统。在立式拉伸试验中，自重对于试验结果影响较大，对于试验夹具材质应尽可能选取较轻质的材料。起初夹具材料与设置深度都不满足试验要求，试验结果如图1（a）所示。第二套采用尼龙材质夹具，并在第一套的基础上加深了套筒的深度，将夹具下部分底座与套筒分开，便于胶结，试验结果如图1（b）所示，胶结效果好，但底座厚度自重较重。第三套夹具去掉了底座侧边，用木工夹夹持底座与升降盘构成整体，改造的夹具上部分与下部分相似，将套筒与顶面分开，上下夹具均采用M5的螺杆相连，既减少了试验夹具的自重也实现了土体与套管之间较好的连接，试验结果如图1（c）所示。考虑自重以及胶结完整性最终确定图1（c）作为试验夹具。

（2） 胶水比选。

胶水与土体之间的作用力是试验较为重要的因素，部分学者采用502胶可实现快速固定，提高试验效率。但502胶快速硬化的优势使土体表面形成了较薄的硬质外壳包裹土体表面，导致硬化后的土体与夹具之间连接薄弱，如图2所示，试验成功率低并且夹具无法重复使用。胡海军等[14]也采取502胶使试样与仪器相连，结果表明试样胶结处存在断裂，从而导致试验失败。使用AB胶明显减少了胶结处断裂的可能，但胶体气味较大，甲醛等有毒有机溶剂较多，且试验后期无法进行清理，如图3所示，浪费较大，不适宜作为长期试验的胶结剂。

环氧树脂胶广泛应用在航空、机械、电器、无线电、地质、建筑等领域中，胶体相比502胶和AB胶而言，固化时间较长，但无刺激性气味，100 ℃高温下易软化，试验后期清除较为方便。本文也采用了大量的试验验证了环氧树脂胶的适用性，试验结果与AB胶相似，仍然出现了端部断裂的情况，几种胶结情况如图4所示。

从图4可以看出，环氧树脂胶对土体与夹具之间的胶结效果较好，胶结边界轻薄，但仍然存在端部破裂的情况，因此对后期试样的形状研究就很有必要。

根据对试验各部分的因素探究，最终设计的拉伸试验装置如图5所示。将传统三轴仪量力环部分替换为S型拉压传感器，用木工夹夹持底座与升降盘构成整体，夹具上部分套筒与顶面分开，上下夹具均采用M5的螺杆相连，既减少了试验夹具的自重，也提高了土体与套筒的连接性。

通过连接系统确定了拉伸试验仪的装置模型，对于用间接法轴向压裂测抗拉强度而言，与立式单轴试验施加力的方向一致，因而，去掉夹具调整位移传感器位置，选用合适的衬垫直径即可进行土体轴向压缩，间接获取抗拉强度。

1.2装置对中问题

试验过程中，升降盘与拉压传感器的对中直接影响试样是否偏心。因而，在试验开始前期采用自然悬重法确保试样对中，通过合理调整下盘位置，满足试验要求。

1.3哑铃型制样器

通过1.1节可知，圆柱状黄土的立式单轴拉伸试验结果可分为端部破坏和中间段破坏。Tsutomu等[15]在研究水泥砂的抗拉强度时，在单轴试验方法下采用了哑铃型试样，几何模型如图6所示，模型的试验结果与有限元分析的试验结果一致，能较好地实现试样的中间段断裂。但无论是哑铃状试样模型还是“8”字型模具，要制作原状黄土还是较为困难的。因此，研制一套哑铃型削土盘是很有必要的。

根据试样形状的需求，本文设计了一整套不同高径比哑铃型削土盘，利用3DMAX制图软件，绘制削土盘的3D几何模型。试验仪器由3部分组成：加持段、过渡段和拉伸段。固定加持段20 mm，过渡段倾斜角度7°，图7为拉伸段70 mm的削土盘。同时，设计了同含水率下圆柱状与哑铃型两种试样的对比试验，4组对比结果如图8所示。

从图8可知，圆柱状土样破裂位置大多数集中在端部，破裂面较为平整，相同含水率下的哑铃状土样由于土体形状产生应力集中使破裂位置基本在颈部。同时对于相同拉应力，破坏截面越大则需要的拉力就越大。因而圆柱形试样增加了土体被拉出试样和端部破坏的可能。

1.4试验装置优势

自制新型单轴拉伸试验装置与目前已有单轴拉伸试验装置对比具有较为明显的技术优势：① 试验仪器可直接拉伸测抗拉强度，也可间接压裂获取拉伸强度;② 试样的哑铃状设计，能够有效地减小试样端部破坏的可能性;③ 对于原状黄土制样器的设计，可根据所需拉伸段高度制备不同高径比试样;④ 自然悬重可便捷处理试样偏心的问题;⑤ 试验加载速率可通过电脑任意调节，完全满足不同加载速率的试验要求;⑥ 力和位移传感器可以实时采集不同拉伸状态下的拉应力及与之对应的拉伸位移，并自动生成曲线关系，快速观测试验峰值点，并在数据处理后得到抗拉强度与最大拉伸位移;⑦ 力与位移传感器的量程分别为200 kg和20 mm，对于中等不同强度的单轴抗拉强度试验均适用，应用范围广泛。

2非饱和黄土单轴拉伸试验

2.1试样来源及其物理力学性质

试验用土取自西安科技大学临潼校区的人工开挖高陡边坡坡脚。临潼地区为Q2黄土，该土体基本物理性质如表1所列。

2.2试验方案

结合非饱和黄土拉伸试验装置的設计，选取含水率与高径比两个试验变量，共设计两种拉伸试验，分别是：高径比为1.13时，含水率为4.9%，6.5%，8.1%，9.5%，11.2%，12.9%，14.4%，15.7%的8组试验;含水率为12.0%时，高径比为0.49，0.65，0.81，0.97，1.13的5组试验。

2.3试验结果分析

2.3.1非饱和黄土单轴拉伸过程性状

根据对非饱和黄土在单轴拉伸试验过程中的观察，黄土的破裂面较为平整且基本垂直于拉力方向，破裂具有突然性，在拉伸前期，微小裂隙较多，后期汇聚为一条。其破坏形态的结果表明，夹具限制下的应力集中促使局部破坏发生在试样的颈部，应力分配后土样整体破坏。试样破裂在拉伸过程中没有出现缩颈现象，变形只沿拉力方向，试样的高径比越大，其应变位移越大，当含水率较大时应变位移较小，土样易拉断。

2.3.2非饱和黄土抗拉强度影响因素

（1） 含水率与抗拉强度关系。

通过Origin软件对试验结果进行拟合，拟合结果如图9所示。从图9中可知，当高径比为1.13时，含水率从4.9%增加到15.7%，土体抗拉强度从60.67 kPa降至12.44 kPa。结果表明：抗拉强度随着试样含水率的不断增大而逐渐降低，其中低含水率下的抗拉强度下降幅度大于高含水率的下降幅度，说明当含水率较低时，水分主要集中在细小颗粒的孔隙中，当含水率变化1%时，细小颗粒孔隙中的含水率有约5%的变化[16]，试样的抗拉强度容易受水分影响。反之含水率较高时，受水分影响较小。从图9中的拟合方程可知含水率与抗拉强度之间呈幂函数关系。拟合方程如下：

为了验证试验所得的拟合方程的准确性，配置同一高径比下的6组任意含水率，通过试验获取抗拉强度，将试验结果代入拟合曲线中，任意含水率下所得到的抗拉强度值与拟合曲线一致，如图10所示。

（2） 高径比与抗拉强度关系。

控制含水率为12.0%，削制0.49，0.65，0.81，0.97，1.13等5组不同高径比试样进行单轴拉伸试验，同时根据试验所得的数据，对试验结果进行拟合，如图11所示。

由圖11可以看出，高径比与抗拉强度两者之间呈负指数关系，当含水率一定时，随着试样高径比的增加，土体的抗拉强度逐渐减小，试样高径比增加到一定值时，土体的抗拉强度趋于稳定，即高径比的变化对土体抗拉强度不再有较大影响。公式（2）表示拟合得到的高径比与抗拉强度之间关系：

当试样高径比趋于无穷大时，可以得到在含水率为12.0%的情况下，土体抗拉强度为20.56 kPa。因此当高径比达到一定比值时，土体的抗拉强度不再随高径比变化而变化，近似趋于一个常数，尺寸效应较小或者可以忽略。

从拟合曲线很难求得土体抗拉强度不变时的高径比，因而采取数学计算处理来获取较准确的结果，拟合曲线的一般表达式为

式中：γ值是对于该函数曲线下可接受的斜率绝对值，由于图中横坐标数值较小，整体斜率均较低，可接受的斜率值相对偏小。因此假设γ=0.001，将其a，t，y0常数数值代入。

最终求出试样高径比x=2.64时，试验拉伸段高度为163 mm，即当试样的拉伸段大于163 mm后，高径比对土体的抗拉强度影响较小，基本上趋于稳定，由于削土盘高度限制，调整可接受斜率值γ=0.003，确定拉伸段高度为105 mm。

2.3.3非饱和黄土抗拉强度变形破坏特征

非饱和黄土抗拉强度来源主要是原始黏聚力、加固黏聚力以及基质吸力毛细力产生的吸附力，对于非饱和黄土的抗拉强度而言，含水率的大小对于3种黏聚力均有影响。因而，含水率成为影响抗拉强度至关重要的因素。

在非饱和黄土的内部可将相互贯通的孔隙看作是很多形状不一、相互连通、大小互异的毛细管，由于气液固三相存在，在毛细管四周的孔壁上，水膜与空气之间存在着一定的表面张力，表面张力的存在使毛细管中的水被提升到自由水面一定高度，液体在表面张力的作用下会尽可能保持表面积最小，由于毛细管的浸润作用以及水的自重，使液面向下弯曲产生弯液面力，从而导致毛细力出现。当土样中孔隙气压力与孔隙水压力相差较大时会产生较强的基质吸力，毛细力与基质吸力共同作用使得土颗粒之间相互靠拢，结构稳定。土体在破裂前期时，主要靠毛细力与基质吸力作用抵抗拉力，当所施加的拉力逐渐增加，基质吸力等无法与外力平衡时，由颗粒间胶结力提供抵抗力，然而胶结物质一般都具脆性，微小变形后即可达到峰值，此后土颗粒通过结合水膜连接，最终土样被拉断。当含水率较低时，土体中基质吸力较大且存在不易溶解部分如有机质或者盐类胶结物，因而低含水率土样在拉伸断裂前期所能抵抗的拉力通常大于高含水率下的拉力;同理当含水率较高时，土体的塑性变形大，也因为较多的水分使盐类薄膜溶解，降低了平衡拉力的抵抗力，因此，抗拉强度也相对较低，与随着含水率增加抗拉强度逐渐减小的试验结论一致。

3结 论

在原有的单轴拉伸试验仪的基础上，本文从试验装置的连接方式以及可能出现问题的试验部件着手，自制新型单轴拉伸仪，以离石黄土（Q2）原状黄土为研究对象，选取高径比与含水率因素，探求其与抗拉强度之间的关系，结论如下：

（1） 自制试验仪在前期试样的固定以及后期处理中都得到较好的处理，解决了传统直接拉伸遗留问题，试验成功率高;

（2） 自制哑铃状削土盘，控制试验仪器所需角度与高度，为原状试样的制备提供了高效快速的方法，解决了原状土制样困难的问题;

（3） 试样拉伸破裂具有突然性，拉伸过程中没有出现缩颈现象;

（4） 非饱和黄土抗拉强度随着含水率的增大逐渐减小，两者呈幂函数关系;

（5） 设计试样形状为哑铃型，相同含水率条件下抗拉强度随试样高度的增大而减小，当拉伸段大于105 mm时，尺寸效应消失，推荐将拉伸段长度为105 mm的试样作为研究抗拉强度的标准试验试样。

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（编辑：谢玲娴）

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