胡 磊，張 云，史卜濤，于 軍，龔緒龍

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210046;2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018)

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重塑黏土抗拉特性試驗研究

胡 磊1，張 云1，史卜濤1，于 軍2，龔緒龍2

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210046;2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018)

利用應(yīng)變控制式拉伸試驗儀研究重塑黏性土的單軸抗拉特性，探究了含水率、干密度、高徑比對試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線、抗拉強度、峰值應(yīng)變以及拉伸能量的影響，并分析了其內(nèi)在機(jī)理，討論了土體抗拉強度的來源。試驗結(jié)果表明：(1)含水率和干密度對抗拉強度影響很大，呈線性相關(guān)，具體表現(xiàn)為：含水率升高，抗拉強度先增大后減??；干密度越大，抗拉強度越大。在高徑比相同的情況下，高度和直徑的變化對抗拉強度影響不大；(2)峰值應(yīng)變由應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)決定，因而主要受土樣的抗拉強度、可塑性以及破壞方式影響；(3)應(yīng)力應(yīng)變曲線大致可分為四類，曲線形態(tài)各不相同；(4)拉伸能量由應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)決定。含水率影響試樣的抗拉強度和塑性，干密度影響試樣的抗拉強度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而兩者對拉伸能量的影響很大。高徑比不變時，試樣高度和直徑的變化對拉伸能量影響不大。

重塑黏土；抗拉強度；應(yīng)力應(yīng)變曲線；峰值應(yīng)變；破壞能量

土體強度的研究主要集中在土的抗壓強度和抗剪強度這兩方面，對土的抗拉強度研究很少，往往被忽略。這一方面是因為實際工程中土體一般不作為抗拉材料，而且其抗拉強度值通常較低，另一方面是土體抗拉強度的測試較為困難。然而實際工程中土體拉伸破壞往往是導(dǎo)致土體開裂的一個重要因素，如地基不均勻沉降引起的拉伸裂縫[1]、擋土墻后土體的張拉裂縫、堆石壩黏土心墻的水力劈裂[2]等。隨著工程建設(shè)的發(fā)展，土體抗拉強度研究逐步得到重視，已成為一個不容忽視的研究方向。

目前關(guān)于土體抗拉強度的測定尚沒有一個標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的方法。從對試樣的加載情況看，主要有直接對試樣施加軸向拉力測定其抗拉強度的三軸拉伸、單軸拉伸等直接試驗方法以及通過對試樣施加壓力、彎矩，然后根據(jù)一定的假設(shè)條件計算得到抗拉強度的土梁彎曲[3]、徑向壓裂[4]、軸向壓裂[5]等間接試驗方法。間接試驗法操作簡單，但其計算結(jié)果一般是在一定假設(shè)和理想力學(xué)模型基礎(chǔ)上得到的，與實際情況不符；直接法可以直接測量土體的抗拉強度，并得到試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，缺點是操作要求高，端部易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象[6]。

國外早在二十世紀(jì)五十年代開始對土體抗拉特性進(jìn)行研究，起初研究重點在抗拉強度的測定方法上。Haefeli[7]最先用凍結(jié)端頭的方法對飽和黏土進(jìn)行直接拉伸試驗，隨后Tchbotarioff[8]采用單軸拉伸實驗、Narain和Rawat[9]采用巴西劈裂實驗、Parry[10]等用三軸實驗以及Hasegawa和Ikeuti[11]、Kezdi[12]等都分別展開了土體抗拉強度研究，實驗方法和儀器不斷改進(jìn)。

國內(nèi)直到1973年才開始進(jìn)行黏性土抗拉特性的研究。清華大學(xué)水利系采用化學(xué)試劑黏結(jié)端部的單軸拉伸方法[13]測定紅黏土的抗拉特性。隨后國內(nèi)學(xué)者將重點放在了實驗裝置的改進(jìn)以及對不同土類(包括特殊土)的抗拉特性研究上。沈新慧[14]運用單軸拉伸和巴西劈裂實驗研究紅黏土的抗拉特性，發(fā)現(xiàn)含水率和干密度對其影響明顯；李廣信[15]等改進(jìn)了垂向拉伸儀設(shè)計出單向水平拉伸試驗裝置，通過砝碼對長方體試樣施加荷載；黨進(jìn)謙[16]在研究黃土的抗拉特性時，通過對直剪儀進(jìn)行改裝成功研發(fā)了應(yīng)變控制臥式單軸土工拉伸儀。張輝等[17]設(shè)計了一套能夠安裝在電子萬能試驗機(jī)上的夾具進(jìn)行單軸拉伸實驗，研究擊實礫質(zhì)土的抗拉特性。近幾年來，粒間吸力對抗拉強度的影響成為研究的熱點，包括基質(zhì)吸力[18]、濕吸力[19]、可變結(jié)構(gòu)吸力[20]等。

目前對黏性土拉伸特性的研究主要集中在其抗拉強度上，而對拉伸過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線及對應(yīng)的拉伸能量的研究還相對較少，同時研究涉及的含水率和干密度的變化范圍較小，不能完整的呈現(xiàn)其對黏性土拉伸特性的影響。本文在前人研究基礎(chǔ)上，由三軸剪切儀改裝的應(yīng)變控制式拉伸試驗儀[21]，從能量的角度分析黏性土在不同含水率、干密度以及高徑比下的抗拉特性，研究從天然含水率到液限含水率以及不同干密度和高徑比之間土樣的抗拉強度及其應(yīng)變能密度變化規(guī)律，探討了土體抗拉特性的內(nèi)在機(jī)理。

1 試樣制備及試驗方案

試驗所用土樣由南京某地區(qū)下蜀土的重塑黏土制備，粒徑均小于0.25 mm，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 土樣基本參數(shù)

將風(fēng)干土顆粒過篩，根據(jù)所需含水率加入適量水充分混合并置于密封袋里靜置24 h，待水分分布均勻后根據(jù)設(shè)定干密度取相應(yīng)質(zhì)量的土置于兩瓣膜里通過千斤頂式推土器壓制成高8 cm、橫截面積12 cm2的圓柱體試樣。試樣的含水率變化范圍為8%～28%；干密度則分別為1.29、1.38、1.47、1.56、1.65、1.74、1.83 g/cm3。通過不同尺寸的兩瓣膜制備不同高度和直徑的土樣，具體尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 不同高徑試樣尺寸參數(shù)

當(dāng)含水率變化時，干密度固定為1.56 g/cm3、高徑分別為80 mm和39.1 mm，共11組試驗；當(dāng)干密度變化時，含水率固定為18%、高徑分別為80 mm和39.1 mm，共7組試驗；當(dāng)高徑變化時，含水率固定為18%、干密度固定為1.56 g/cm3，共4組試驗。

將試樣用強力膠水黏結(jié)于單軸拉伸試驗儀的上端帽和底座之間，以0.012 mm/min的速率拉伸試樣。當(dāng)拉伸到一定程度時，土樣上出現(xiàn)細(xì)小的水平裂紋，裂紋位置一般在靠近上下兩底面或中間位置。裂紋逐漸擴(kuò)展成縫并繼續(xù)擴(kuò)張直至土樣上下分離成兩個部分。

從實驗過程中觀測到的破壞過程看，土體拉伸有兩種破壞形式：脆性破壞和塑性破壞。脆性破壞的試樣在應(yīng)力增加到大于土體抗拉強度的瞬間破壞，試樣突然斷裂，數(shù)顯儀讀數(shù)在短時間內(nèi)大幅度變化，破壞面較為平整。塑性破壞的試樣在應(yīng)力大于土體抗拉強度時先出現(xiàn)多條細(xì)微縫隙，然后這些縫隙逐漸擴(kuò)大，裂紋加深，直至斷裂，其特點是裂縫多，破壞面極不平整。試驗中由于端部應(yīng)力集中而導(dǎo)致試樣在端部斷裂，且斷裂面并不全在土體中發(fā)生，靠近端部的一面有的部位沒有土或者是風(fēng)干的膠水，出現(xiàn)這種情況表明實驗失敗，需重新制取土樣再次實驗。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線特性

圖1是干密度為1.56 g/cm3、高徑分別為80 mm和39.1 mm、含水率不同的試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從曲線的上升和下降趨勢來看可分為三種類型的曲線，分別以10%、18%、24%含水率為代表性曲線進(jìn)行分析。

圖1 不同含水率下的土樣拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線圖Fig.1 Tensile stress- strain curves of soil samples with different moisture content

Ⅰ型曲線如圖2(a) 所示，其上升段AB較為陡峭，說明試樣所受拉應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而快速增加，試樣處于彈性受拉階段。下降段分為兩部分，BC段試樣處于彈塑性破壞階段，試樣裂紋不斷增加，拉應(yīng)力隨應(yīng)變增加快速減??；CD段試樣基本拉斷，進(jìn)入塑性破壞階段，拉應(yīng)力隨應(yīng)變增加緩慢減小。這類曲線主要出現(xiàn)在含水率較小的情況下，即8%～16%含水率的試樣對應(yīng)的曲線。

圖2 應(yīng)力應(yīng)變曲線圖Fig.2 Tensile stress- strain curve of soil samples with a moisture content of 10%, 18% and 24% and a dry density of 1.56 g/cm3

Ⅱ型曲線包括含水率為18%和20%的兩條曲線。18%含水率土樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2(b)所示，其受拉過程可分為五個階段，每個階段曲線特征均不同：AB段，試樣所受拉應(yīng)力隨應(yīng)變快速增長，試樣處于彈性受拉階段；BC段，試樣所受拉應(yīng)力隨應(yīng)變較快增長，增長幅度小于彈性受拉階段，此時試樣處于彈塑性受拉階段，試樣開始出現(xiàn)塑性變形，同時也有彈性變形，直至試樣達(dá)到抗拉強度；CD段，試樣開始破壞，所受拉力隨應(yīng)變較快下降，此時試樣為彈塑性破壞，出現(xiàn)小的縫隙并且不斷擴(kuò)大加深；DE段，試樣所受拉力隨應(yīng)變快速下降，土樣裂縫不斷加深直至斷裂；EF段，試樣完全破壞，所受拉力隨應(yīng)變較慢下降，試樣破壞直至完全斷開。

Ⅲ型曲線其特點是上升段和下降段均較為平穩(wěn)(圖2(c))。當(dāng)含水率在較高(22%～28%)時，在拉伸情況下試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要發(fā)生塑性變形，因而表現(xiàn)為試樣所受拉應(yīng)力隨應(yīng)變緩慢平穩(wěn)變化。

土所處的稠度狀態(tài)，一般用液性指數(shù)IL表示:

(1)

式中：IL——液性指數(shù)；ω——試樣的含水率；ωP——土的塑限；ωL——土的液限。

根據(jù)稠度指標(biāo)IL的大小，黏性土的物理狀態(tài)可分為：堅硬(IL≤0)、硬塑(0

通過表1可以計算出各含水率土樣的液性指數(shù)，從而得到土樣的稠度狀態(tài)：含水率在8%～16%的土為堅硬土，18%和20%的土樣為硬塑土，22%～28%的土樣為可塑土，分別與Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型曲線的含水率范圍對應(yīng)，因而Ⅰ型曲線可稱為堅硬型曲線，Ⅱ型曲線可稱為硬塑型曲線，Ⅲ型曲線可稱為可塑型曲線。當(dāng)含水率大于28.55%時，該黏性土處于軟塑狀態(tài)，輕輕擠壓即出水，因而無法制成土樣。

不同干密度試樣的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3(a)所示，其中土樣的含水率為18%，高徑分別為80 mm和39.1 mm。曲線的上升段均較為平穩(wěn)，其應(yīng)力隨應(yīng)變增加速率隨著干密度的增大而增大。根據(jù)下降段的不同特征，可將曲線分為三類：第一類曲線可稱作Ⅳ型曲線，包括干密度為1.65 ～1.83 g/cm3的三條曲線，其上升過程迅速，試樣呈現(xiàn)出其拉應(yīng)力隨應(yīng)變增大而快速增長的彈性受拉變形；其下降階段分為兩個階段，第一階段為脆性破壞階段，試樣內(nèi)部應(yīng)力超出抗拉強度后立即斷裂，破壞過程短而迅速，試樣所受拉應(yīng)力瞬間急速下降；第二階段為彈塑性破壞，試樣從結(jié)構(gòu)破壞過渡到完全破壞，所受拉應(yīng)力隨應(yīng)變增加緩慢減小直至試樣完全斷開。根據(jù)破壞類型，Ⅳ型曲線也可成為脆性破壞型曲線。第二類曲線上升階段與第一類相似，但拉應(yīng)力增長速度不及第一類曲線。第二類曲線包括干密度為1.38 ～1.56 g/cm3的三條曲線，曲線特征與Ⅱ型曲線一致。第三類曲線為干密度1.29 g/cm3的試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，由于干密度太小，表現(xiàn)為緩慢上升和緩慢下降的趨勢，與Ⅲ型曲線一致。

圖3 不同干密度和不同尺寸試樣下的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖Fig.3 Tensile stress- strain curves of soil samples with different dry densities and different heights and diameters

圖3(b)為不同尺寸試樣所得的應(yīng)力應(yīng)變曲線，土樣的含水率為18%，干密度為1.56 g/cm3。根據(jù)曲線形態(tài)，將其可分為三類：第一類是橫截面直徑為39.1 mm、50.5 mm的兩條曲線，曲線特征與Ⅱ型曲線一致；第二類是橫截面直徑為61.8 mm的曲線，其特征同Ⅰ型曲線；第三類是橫截面直徑為101 mm的曲線，曲線變化趨勢同Ⅳ型曲線，拉應(yīng)力達(dá)到土體抗拉強度后，試樣立即斷裂，破壞過程迅速。

在不同含水率、干密度以及高度和直徑的條件下，試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線可分為四類：Ⅰ型曲線特點是上升段陡峭，下降段分為兩段，拉應(yīng)力先隨應(yīng)變增加迅速下降，隨后緩慢下降。這類曲線一般出現(xiàn)在含水率低、高度和直徑適中的試樣中。Ⅱ型曲線特點是整個破壞過程分為五段，拉應(yīng)力隨應(yīng)變增加在試驗初期近似線性上升以及拉斷初期近似線性下降，其余階段上升或下降過程較緩慢。含水率、干密度適中的試樣呈現(xiàn)出此類應(yīng)力應(yīng)變曲線。Ⅲ型曲線往往出現(xiàn)在含水率高、干密度小的試樣中，其特點是上升段和下降段均較為平緩。Ⅳ型曲線特點是試樣內(nèi)部應(yīng)力超出抗拉強度后立即斷裂開來，破壞過程短而迅速，表現(xiàn)為曲線的下降段呈斷崖式，隨后拉應(yīng)力隨應(yīng)變增加緩慢下降。這類曲線出現(xiàn)在干密度大、高度和直徑大的土樣中。

2.2 抗拉強度

取試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線上的峰值應(yīng)力作為試樣的抗拉強度。圖4(a)為不同含水率土樣的抗拉強度。隨含水率增加，試樣的抗拉強度經(jīng)歷了一個先增大后減小的過程，分別對兩段用直線擬合，相關(guān)系數(shù)均在0.96以上，并且上升段擬合直線的斜率絕對值大于下降段。這說明在含水率低于一定值時，土樣抗拉強度隨含水率的增大而線性增大；當(dāng)含水率大于這個定值時，其抗拉強度隨含水率的增加而線性減小，并且前者比后者的變化速率大。圖4(b)為不同干密度土樣的抗拉強度。隨著干密度的增加，其抗拉強度也隨之增加，用直線擬合，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99以上。這說明對于一定含水率的試樣，其抗拉強度隨干密度的增大而線性增大。圖4(c)為不同尺寸土樣的抗拉強度。當(dāng)高徑比等于2時，抗拉強度幾乎一致；當(dāng)高徑比為2.4時，抗拉強度較高徑比為2的試樣稍大。

2.3 峰值應(yīng)變

峰值應(yīng)變是指當(dāng)土樣受到最大拉應(yīng)力時對應(yīng)的應(yīng)變。由圖4(d)～(f)可以看出，對于干密度一定的土樣，峰值應(yīng)變曲線隨含水率的增加經(jīng)歷了先緩慢后迅速的上升并最終下降的過程，分別對上升的兩段以及下降段用直線擬合，相關(guān)系數(shù)均在0.97以上，并且其拐點分別在塑限含水率和液限含水率附近。對于含水率一定的土樣，峰值應(yīng)變隨干密度的增大而增大；同時由圖4(d)～(f)的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，當(dāng)干密度大于1. 65 g/cm3時，土樣發(fā)生脆性破壞，因而對應(yīng)的峰值應(yīng)變減小。對于不同尺寸的土樣，高度和直徑越大，峰值應(yīng)變越小。

圖4 抗拉強度、峰值應(yīng)變和拉伸能量隨含水率、干密度和高度及直徑的變化Fig.4 Change in the tensile strength， the peak strain and the tensile strain energy density with moisture content, dry density and sample size

對比不同干密度、含水率和高度及直徑土樣的峰值應(yīng)變圖可以看出，含水率對土樣的峰值應(yīng)變影響更大，這是由于含水率直接改變著土體的可塑性，可塑性越高的土受拉時產(chǎn)生的塑性變形越大，因而峰值應(yīng)變更大。而干密度則影響土體的破壞方式，脆性破壞比塑性破壞的峰值應(yīng)變小。

2.4 峰值應(yīng)變能密度和極限應(yīng)變能密度

拉伸試驗儀在拉伸土樣時會對土樣做功，忽略拉伸過程中的動力效應(yīng)和溫度效應(yīng)，土樣在拉伸過程中的應(yīng)變能增加等于外力所做的功。單位體積土樣的應(yīng)變能為應(yīng)變能密度，由于土樣所受拉應(yīng)力不斷變化，因此其應(yīng)變能密度為:

(2)

式中：E——應(yīng)變能密度；ε——土樣的應(yīng)變；σ——土樣受到的拉應(yīng)力。

在應(yīng)力應(yīng)變曲線圖中，應(yīng)變能密度即為曲線和橫軸圍成的面積，可分為峰值應(yīng)變能密度和極限應(yīng)變能密度。峰值應(yīng)變能密度為試樣所受拉應(yīng)力達(dá)到最大值時應(yīng)力應(yīng)變曲線和橫軸圍成的面積，而極限應(yīng)變能密度為應(yīng)變達(dá)到極限應(yīng)變、拉應(yīng)力變成零時應(yīng)力應(yīng)變曲線和橫軸圍成的面積，如圖5所示。

圖5 拉伸能量示意圖Fig.5 Peak and ultimate strain energy density

圖4(g)為對不同含水率試樣的應(yīng)變能密度，峰值應(yīng)變能密度一開始隨含水率增大而增大，當(dāng)含水率在14%～24%時，峰值應(yīng)變能密度變化不大，之后隨含水率增大而減小，這說明將含水率為14%～24%的試樣拉斷所需的能量較大，而含水率過大或者過小的試樣被拉斷所需的能量較小。極限應(yīng)變能密度隨含水率的增加則經(jīng)歷了一個先增大后減小再增大再減小的過程。

圖4(h)為不同干密度試樣的應(yīng)變能密度。峰值應(yīng)變能密度和極限應(yīng)變能密度曲線變化趨勢幾乎一致，都是隨干密度的增大而先增大后減小，這表明在此條件下，干密度1.65 g/cm3的試樣所受拉應(yīng)力達(dá)到抗拉強度以及被拉斷時所需的能量最多。

圖4(i)為不同高度和直徑的試樣拉伸應(yīng)變能密度。當(dāng)高徑比大于等于2時，試樣拉斷所需的能量變化不大，隨高徑增大而略微減小。

對比圖4可看出，含水率和干密度對試樣的峰值應(yīng)變能密度和極限應(yīng)變能密度影響更大，而高徑比的影響相對較小。

3 機(jī)理分析

3.1 抗拉強度

如圖6，試樣含水率的增加可分為兩個階段。第一階段是結(jié)合水膜的形成階段，對應(yīng)土體含水率為8%～14%，此時黏性土樣處于堅硬狀態(tài)。由于黏土顆粒帶負(fù)電荷，隨著含水率增加，土顆粒吸附水中的陽離子，使相鄰?fù)令w粒形成公共結(jié)合水膜。這一過程即結(jié)合水聯(lián)結(jié)作用增加了土的固有凝聚力，宏觀表現(xiàn)為土樣的抗拉強度隨含水率的增加而增大。第二階段為結(jié)合水膜發(fā)育變厚階段，對應(yīng)土體含水率為16%～28%，黏性土樣由堅硬過渡到硬塑再到可塑狀態(tài)。隨著土中含水率增加，一方面結(jié)合水膜增厚，在結(jié)合水的楔入壓力作用下，土顆粒分散，結(jié)合水聯(lián)結(jié)作用減弱；另一方面，當(dāng)含水率繼續(xù)增加至土樣呈可塑狀態(tài)時，土中孔隙不斷充水，毛細(xì)管彎液面開始減少，毛細(xì)作用減弱直至消失。因而土體的抗拉強度隨含水率先增大后減小。當(dāng)含水率一定時，干密度越大，土顆粒接觸越緊密，土粒間咬合作用越強，接觸面積越大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越緊固，因而固有凝聚力越高，土的抗拉強度越大。

圖6 黏土顆粒接觸形式Fig.6 Contact forms of clay particles

3.2 峰值應(yīng)變

對于不同含水率土樣，峰值應(yīng)變主要由土體抗拉強度和可塑性控制。當(dāng)含水率小于塑限，土體處于堅硬狀態(tài)時，抗拉強度隨含水率增加而增大，土體無可塑性，因而峰值應(yīng)變緩慢變大。當(dāng)含水率大于塑限，土體處于硬塑狀態(tài)時，雖然抗拉強度在減小，但土體的可塑性快速增加，因而峰值應(yīng)變呈現(xiàn)較快增長。當(dāng)含水率接近液限，土體處于可塑狀態(tài)時，土體可塑性增加不再顯著，抗拉強度對峰值應(yīng)變的影響占主導(dǎo)，因而峰值應(yīng)變呈下降趨勢。

對于不同干密度土樣，在含水率一定時，峰值應(yīng)變主要由土體抗拉強度和破壞方式控制。當(dāng)土體干密度小于等于1.56 g/cm3時，土體為塑性破壞，抗拉強度隨干密度增大而增大，因而峰值應(yīng)變也隨之增大；當(dāng)干密度大于等于1.65 g/cm3時，土體轉(zhuǎn)為脆性破壞，干密度越大，脆性破壞越劇烈，因而峰值應(yīng)變隨之減小。

3.3 拉伸應(yīng)變能

土的拉伸應(yīng)變能密度由其應(yīng)力應(yīng)變曲線的形態(tài)決定，因而峰值應(yīng)變能密度主要受試樣所受拉應(yīng)力和峰值應(yīng)變影響，極限應(yīng)變能密度主要受拉應(yīng)力和極限應(yīng)變影響。極限應(yīng)變主要取決于土的破壞方式以及可塑性。對于低含水率即堅硬狀態(tài)土樣，隨著含水率的升高，抗拉強度、峰值應(yīng)變以及極限應(yīng)變增大，因而拉伸應(yīng)變能密度增大；當(dāng)含水率適中、土樣處于硬塑狀態(tài)時，峰值應(yīng)變增大而抗拉強度降低，受應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)影響，峰值應(yīng)變能密度幾乎不變，極限應(yīng)變能密度先減小后增大；當(dāng)含水率較大、土樣處于可塑狀態(tài)時，抗拉強度大幅減小，峰值應(yīng)變減小，極限應(yīng)變無顯著變化，因而拉伸應(yīng)變能密度減小。

對于不同干密度試樣，隨著干密度的增大，試樣所受拉應(yīng)力和峰值應(yīng)變增大，而受破壞方式的影響，當(dāng)干密度大于1.65 g/cm3時，土體變?yōu)榇嘈云茐?，因而峰值?yīng)變減小，所以拉伸應(yīng)變能密度表現(xiàn)為隨干密度的增大而先增大后減小。

4 結(jié)論

(1)含水率和干密度對抗拉強度影響很大，呈線性相關(guān)，具體表現(xiàn)為：含水率升高，抗拉強度先增大后減?。桓擅芏仍酱?，抗拉強度越大。在高徑比相同的情況下，高度和直徑的變化對抗拉強度影響不大。

(2)峰值應(yīng)變由應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)決定，因而主要受土樣的抗拉強度、可塑性以及破壞方式影響。

(3)應(yīng)力應(yīng)變曲線大致可分為四類：Ⅰ型曲線上升段陡峭，下降段分為兩段；Ⅱ型曲線上升段和下降段均分為兩段；Ⅲ型曲線上升段和下降段均較為平緩；Ⅳ型曲線特點是試樣內(nèi)部應(yīng)力超出抗拉強度后立即斷裂開來，下降段呈斷崖式。

(4)拉伸應(yīng)變能密度由應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)決定。含水率影響試樣的抗拉強度和可塑性，干密度影響試樣的抗拉強度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而兩者對拉伸應(yīng)變能密度的影響很大。高徑比不變時，試樣高度和直徑的變化對拉伸應(yīng)變能密度影響不大。

[ 1] 李廣信. 高等土力學(xué)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004.[LI G X. Advanced soil mechanics[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004.(in Chinese)]

[ 2] 殷宗澤, 朱俊高, 袁俊平, 等. 心墻堆石壩的水力劈裂分析[J]. 水利學(xué)報,2007,37(11):1348-1353.[YIN Z Z, ZHU J G, YUAN J P,etal. Hydraulic fracture analysis of rock- fill dam with core wall[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2007,37(11):1348-1353.(in Chinese)]

[ 3] AJAZ A, PARRY R H G. Stress- strain behaviour of two compacted clays in tension and compression[J]. Geotechnique, 1975, 25(3): 495-512.

[ 4] BARZEGAR A R, OADES J M, RENGASAMY P,etal. Tensile strength of dry, remoulded soils as affected by properties of the clay fraction[J]. Geoderma, 1995, 65:93-108.

[ 5] FANG H Y, CHEN W F. Further study of double- punch test for tensile strength of soils[C]//Proc. 3rd Southeast Asian Conf. Soil Eng C ASCE, 1972: 211-215.

[ 6] 李積彥, 何昌榮, 唐輝. 黏性土抗拉強度試驗對比研究[J]. 路基工程,2007,12(2):104-105.[LI J Y, HE C R, TANG H. Comparative study on the tensile strength tests of cohesive soil[J]. Subgrade Engineering, 2007, 12(2): 104-105. (in Chinese)]

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

[ 8] Tschebotario f f, Gc P R E Ward, Dephilippe A A. The tensile strength of distributed and recompacted soils, proceedings of the third international conference on soil mechanics and foundation engineering[J]. International Society for Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1953(1):207-210.

[ 9] Narain J，Rawat P C.Tensile Strength of Compacted Soils[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1970，96(6):2185-2190.

[10] Parry R H G. Triaxial Compression and Extension Tests on Remolded Saturated Clay[J]. Geotechnique, 1960, 4(10): 160-180.

[11] Hasegawa H, Ikeuti M. On the tensile strength test of disturbed soils[C]//Rheology and Soil Mechanics/Rhéologie et Mécanique des Sols. Springer Berlin Heidelberg, 1966: 405-412.

[12] Kezdi A. Tensile and flexural strength of earth dam materials[J]. Transactions of the Eleventh International Congress on Large Dams, 1973(1):165.

[13] 土石壩抗裂研究小組. 黏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(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 1973(3): 61-71.[Research Group on Prevention Against Cracking of Earth Dams. Measurement of tensile characteristics of cohesive soils and preliminary investigation on cracking of Earth and rock- fill dams[J]. Journal of Tsinghua University(Science and Technology),1973(3):61-71.(in Chinese)]

[14] 沈新慧.壓實黏性土的抗拉特性[M].北京:中國水利出版社,1982:63-73.[SHEN X H. Tensile properties of compacted cohesive soil[M]. Beijing: China Hydraulic Press, 1982:63-73. (in Chinese)]

[15] 李廣信,陳輪,鄭繼勤,等.纖維加筋黏性土的試驗研究[J].水利學(xué)報，1995(6): 31-36.[LI G X, CHEN L, ZHENG J Q,etal. Experimental study on fiber reinforced cohesive soil[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1995(6):31-36. (in Chinese)]

[16] 黨進(jìn)謙，張伯平，熊永.單軸土工拉伸儀的研制[J].水利水電科技進(jìn)展，2001，21(5):31-32.[DANG J Q, ZHANG B P, XIONG Y. Development of earthwork elongation apparatus[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources,2001,21(5):31-32.(in Chinese)]

[17] 張輝,朱俊高,王俊杰,等.擊實礫質(zhì)土抗拉強度試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(2):4186-4190.[ZHANG H, ZHU J G, WANG J J,etal. Experimental study on tensile strength of compacted gravel soil[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(2):4186-4190. (in Chinese)][18] 張云，陳夢蕓.擊實黏土抗拉強度研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2015，42(4)：56-60.[ZHANG Y, CHEN M Y. Tensile strength of compacted clay[J]. Hydrogeology & Engineering Geology,2015,42(4):56-60.( in Chinese)]

[19] 湯連生，王思敬. 濕吸力及非飽和土的有效應(yīng)力原理探討[J]. 巖土工程學(xué)報，2000，22(1)：83-88.[TANG L S, WANG S J. Absorbed suction and principle of effective stress in unsaturated soils[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2000, 22(1): 83-88. (in Chinese)]

[20] 湯連生. 結(jié)構(gòu)吸力及非飽和土的總有效應(yīng)力原理探討[J]. 中山大學(xué)學(xué)報，2000，39(6)：95-100. [TANG L S. Structure suction and principle of general effective stress in unsaturated soils[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni, 2000, 39(6): 95-100. (in Chinese)]

[21] 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(xué)，2013，34(8)：2151-2157.[ZHANG Y, WANG H M, YAN L F. Test research on tensile properties of compacted clay[J]. Rock and Soil Mechanics，2013，34(8)：2151-2157.(in Chinese)]

責(zé)任編輯：張若琳

Test research on the tensile properties of remoulded clay

HU Lei1, ZHANG Yun1, SHI Butao1, YU Jun2, GONG Xulong2

(1.SchoolofEarthSciencesandEngineering,NanjingUniversity,Nanjing,Jiangsu210046,China; 2.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing,Jiangsu210018,China)

The tensile behaviors of remoulded clay are investigated with a strain- controlled tensile apparatus. A lot of tests are conducted in order to evaluate the effects of dry density, moisture content, and ratio of height to diameter on the tensile stress- strain curves, tensile strength, peak stain and tensile strain energy density. The experimental results show that (1) moisture content and dry density have crucial influence on the tensile behaviors of soil. With the increasing moisture content, the tensile strength first increases and then decreases linearly. The tensile strength decreases linearly with the decreasing dry density. Changes in the height and diameter of soil samples have little effect on the tensile strength under the condition of the same ratio of height to diameter. (2) Peak strain is dependent on the shape of the stress- strain curve and is mainly affected by the tensile strength, plasticity and failure mode. (3) The stress- strain curves can be roughly divided into four types according to the curve shape. (4) The tensile strain energy density is determined by the tensile stress- strain curves. Moisture content and dry density have a great effect on the tensile strain energy density because the former affects the tensile strength and plasticity and the latter has an impact on the tensile strength and internal structure. For the soil samples with the same ratio of height to diameter, changes in height and diameter have little effect on the tensile strain energy density.

remoulded clay; tensile strength; stress- strain curves; peak strain; failure energy

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.15

2016- 07- 16;

2016- 09- 10

國家自然科學(xué)基金面上項目(41572250)；國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室開放課題

胡磊(1993- )，男，碩士研究生，主要從事工程地質(zhì)專業(yè)研究。E- mail：njuhulei@163.com

張云(1965- )，女，教授，博導(dǎo)，主要從事工程地質(zhì)專業(yè)教學(xué)與科研工作。E- mail：cloudzhy@sohu.com

P642.11+6； TU413.1

A

1000- 3665(2017)04- 0098- 07