李澤華，張 云，馬維俊，于 軍，龔緒龍

(1. 南京大學地球科學與工程學院， 江蘇 南京 210023; 2. 國土資源部地裂縫地質(zhì)災害重點實驗室(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院)，江蘇 南京 210018)

土體是巖石經(jīng)過風化、剝蝕、搬運及沉積作用所形成的松散堆積物，其特殊的形成過程導致其具有獨特的物理力學性質(zhì)。它不像巖石具有剛性的聯(lián)結，其物理狀態(tài)多變，力學強度低，這些特點的存在給人們研究土體在各種狀態(tài)下所表現(xiàn)出的力學性質(zhì)帶來一定的困難。目前土體強度方面的研究主要集中在抗壓、抗剪兩方面，對抗壓和抗剪強度的也已經(jīng)形成了一套較為完善、便于實際工程應用的測試方法和測試設備。

然而隨著人類對自然改造程度的不斷加深，僅僅依靠抗壓和抗剪等強度理論已難以很好地解決工程中出現(xiàn)的新問題，例如地下水開采引起的地裂縫、土坡滑動時坡頂產(chǎn)生的拉裂縫、土石壩水力劈裂等[1～3]。這些問題的出現(xiàn)使得土體斷裂方面的研究逐步得到重視，成為土木工程和地質(zhì)工程領域的重要研究課題。

在彈塑性條件下，當應力場強度因子增大到某一臨界值時，裂紋便失穩(wěn)擴展，導致材料斷裂，這個臨界或失穩(wěn)擴展的應力場強度因子即為斷裂韌度。它表征材料在帶裂紋工作時抵抗斷裂的能力，是材料固有的一種力學性質(zhì)。目前國內(nèi)對巖石、混凝土等材料斷裂韌度的研究較多[4～5]，但對于土體斷裂韌度的研究較少。目前關于水工混凝土、金屬材料的斷裂韌度測試已經(jīng)有了正式的規(guī)范，如《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》(DLT5332—2005)、《金屬材料平面應變斷裂韌度KIC試驗方法》(GBT4161—2007)，然而關于土體斷裂韌度的測試方法，迄今為止并沒有一個統(tǒng)一的規(guī)范[6～11]，關于土的斷裂韌度實驗、儀器都還無標準可依。

按裂紋受力情況，可將裂紋分為三種基本類型(圖1):張開型(I型)、劃開型(II型)和撕開型(III型)裂紋。I型裂紋上下兩表面沿y軸相對張開；II型裂紋上下兩表面沿x軸相對滑開；III型裂紋上下兩表面沿z軸(垂直于紙面方向)相對滑開[12]。混凝土、巖石等材料的I型斷裂韌度常采用三點彎曲試驗測試，但由于土體抗拉強度一般較小，在三點彎曲試驗中土梁在自重作用下就可能產(chǎn)生彎曲而破壞，因此傳統(tǒng)的三點彎曲試驗難以應用于土體斷裂韌度的測試。本文將在傳統(tǒng)三點彎曲試驗的基礎上，通過對直剪儀進行改造，研制可測定土體I型斷裂韌度的儀器，研究土樣干密度、含水率、裂紋形狀、加載速率對土體I型斷裂韌度的影響。

圖1 裂紋類型Fig.1 Crack types

1 試驗方法

1.1 試驗原理

試驗所采用方法的原理與傳統(tǒng)三點彎曲試驗相似。但傳統(tǒng)三點彎曲試驗是將試樣放在有一定距離的兩個支撐點上，在兩個支撐點間的中點處從試樣上方施加向下的荷載，試樣的三個接觸點形成相等的兩個力矩時即發(fā)生三點彎曲，試樣隨著荷載的增加將于中點處發(fā)生斷裂。由于土體強度較低，故需要考慮到土體自重的影響，如按照規(guī)范進行傳統(tǒng)三點彎曲實驗，試樣加荷方向與土體自重方向一致，都是垂直向下，當干密度較小時，試樣會直接在土體自重的影響下發(fā)生斷裂，故土體自重會對斷裂韌度試驗的結果產(chǎn)生較大的影響。為避免土體自重產(chǎn)生的影響，本試驗參考前人的研究方法[13～16]，選擇將試樣沿寬度方向旋轉(zhuǎn)90°，使得加荷方向變?yōu)樗剑c土體的自重方向垂直，從而克服了土體自重對實驗的影響。

1.2 儀器改造

為了簡化操作和降低成本，本次試驗選用ZJ應變控制式直剪儀進行改造，如圖2所示。

圖2 土體I型斷裂韌度KIC測試儀示意圖Fig.2 Schematic diagram of the soil tester of the fracture toughness KIC

1.3 試驗設計

1.3.1土料及試樣尺寸

試驗選用兩種不同土料，一種為灰色黏土，其塑限為Wp為22%，液限WL為42%；另一種為黃色粉質(zhì)黏土，其塑限Wp為17%，液限WL為33%，兩種土料均是用圓盤粉碎機將大塊土料粉碎后，用篩子篩選出符合試驗要求粒徑的土料，試驗所用土料顆粒粒徑均小于0.25 mm。

根據(jù)彈性理論的圣維南原理，為了避免加載點和支承點附近的應力集中對裂紋附近區(qū)域的干擾，對試樣尺寸有一定要求[17]。標準的三點彎曲試樣，跨距(S)等于寬度(W)的4倍，寬度(W)通常是厚度(B)的2倍，即S∶W∶B=8∶2∶1，裂紋長度在0.45W～0.55W之間。試樣的比例尺如圖3所示。同時，試驗要求試樣厚度(B)和裂紋長度(a)及韌帶尺寸(W-a)滿足公式(1)～(3)，實驗結果才被認為是有效的。由于不能提前保證滿足這種要求，因此，最初試驗采用的試樣尺寸應該是保守的。

圖3 三點彎曲試驗試樣示意圖Fig.3 Schematic diagram of the three-point bending test sample

(1)

(2)

(3)

式中：B——試樣厚度/cm；

a——初始裂紋長度/cm；

W——試樣寬度/cm；

KIC——斷裂韌度/(kPa·m0.5)；

σys——材料的屈服應力/kPa。

試驗所采用試樣的規(guī)格為長18 cm，寬4 cm，高2 cm，初始裂紋長度選擇1.8 cm。

1.3.2試驗步驟

首先，根據(jù)不同干密度、含水率，稱取不同質(zhì)量的土料、水進行拌合。在土料的拌制過程中，應保證土與水充分均勻拌合，若拌合不充分，會導致所拌制的土料中存在較多粘聚在一起的大小不一的土塊(含水率越高的土料此現(xiàn)象越明顯)。在后續(xù)試樣制作過程中，若存在過多的粘聚土塊，可能會導致試樣在壓制過程中土顆粒分布不均勻，從而影響試樣的強度。故在土料拌合時，可以采用“少量多噴”的方式加水，并將拌合好的土樣裝入保鮮袋置于保濕缸中放置24 h，以保證土與水充分混合。

試驗土樣通過模具制作而成，模具材質(zhì)采用不銹鋼，模具擋板皆可活動拆卸以便取樣(圖4)。

圖4 制樣模具示意圖Fig.4 Schematic diagram of the sample mould

最后，將制好的試樣平穩(wěn)放置于儀器平臺上，土樣長邊一側緊靠檔桿，并使其預制裂紋與加荷方向在同一直線上。打開直剪儀，調(diào)節(jié)剪切速率，啟動儀器使推桿前進到與試樣即將接觸的位置，暫停儀器并記錄傳感器的初始數(shù)值，一切準備就緒后開始試驗，記錄傳感器上顯示的荷載數(shù)值與直剪儀上所對應顯示的位移數(shù)值，觀察裂紋擴展情況，直至試樣徹底斷裂(圖5)。

圖5 裂縫及裂縫擴展圖Fig.5 Diagram of crack and crack propagation

2 試驗結果及分析

2.1 試驗方案

為研究影響土體斷裂韌度的因素，根據(jù)不同干密度、含水率配制不同的試樣，配制灰色黏土試樣18組(C1～C18)、黃色粉質(zhì)黏土試樣24組(SC1～SC24)，每組3個試樣，具體試驗方案見表1。

2.2 斷裂韌度計算

本試驗采用的計算公式為中華人民共和國金屬材料平面應變斷裂韌度KIC試驗方法(GBT4161—2007)。

表1 試驗方案

式中：FQ——裂縫開展時的荷載/N；

S——跨距/cm。

為驗證儀器的可靠性，對每組3個試樣斷裂韌度KIC測試結果進行相對誤差計算。試驗結果表明，每組3個試樣的斷裂韌度KIC值的相對誤差較小，說明所研制的儀器具有較好的可靠性。試驗選用1組試驗中3個試樣斷裂韌度的平均值作為該組試樣的斷裂韌度KIC真實值。

2.3 裂紋形狀對于斷裂韌度的影響

為了探究裂紋形狀對于斷裂韌度的影響，選用SC10(三角形)、SC23(U形)、SC24(矩形)3組試樣進行試驗，并繪制出其荷載-位移關系曲線圖(圖6)。由圖6可見不同的裂縫形狀會對荷載-位移關系曲線產(chǎn)生很大的影響，其中U形試樣的峰值荷載值最大，矩形試樣的峰值荷載值略微下降，三角形的峰值荷載值最小，其原因可能是由于裂縫形狀越尖銳，該區(qū)域應力集中程度越大，試樣越容易破壞[18]。三角形試樣由于具有一個銳角，因此試樣在受荷時最易產(chǎn)生應力集中，故其峰值荷載最小，斷裂韌度值最小；矩形試樣具有兩個直角，從其裂紋開展的部位均在兩個直角處可以發(fā)現(xiàn)，直角處也易于產(chǎn)生應力集中，降低其試樣的斷裂韌度；U形試樣由于沒有尖銳地方，有效地降低了應力集中，故其峰值荷載最大，斷裂韌度值最大(表2)。但是從三者的荷載-位移關系曲線可以發(fā)現(xiàn)，三角形裂紋的試樣組較另外兩組試樣來說，其曲線重合程度最大，且其裂紋基本沿直線擴展(圖7)，故下文其它試驗均選用三角形裂紋的試樣。

圖6 不同斷裂形態(tài)荷載-位移曲線關系圖Fig.6 Relationship of load vs displacement of different fracture types

裂紋形狀U形矩形三角形17 4116 3811 01斷裂韌度/(kPa·m0 5)18 4316 1210 4918 1715 8710 49

2.4 含水率對斷裂韌度的影響

為研究含水率對土體斷裂韌度的影響，控制干密度不變，改變含水率。選用C1～C5(1.35 g/cm3)、C9～C12(1. 5 g/cm3)、SC4～SC7(1.38 g/cm3)、SC8～SC13(1.47 g/cm3)、S14～SC18(1.56 g/cm3)繪制出灰色黏土和黃色粉質(zhì)黏土含水率與斷裂韌度關系曲線圖(圖8)。

圖7 裂紋擴展對比圖Fig.7 Contrast diagram of crack propagation

圖8 灰色黏土(a)和黃色粉質(zhì)黏土(b)斷裂韌度KIC與含水率關系Fig.8 Relationship of fracture toughness vs water content of gray clay (a) and yellow silty clay (b)

由圖8可知，兩種不同的土料在保持干密度不變時，在一定含水率范圍內(nèi)斷裂韌度KIC隨著試樣含水率的增大而增大。當試樣含水率增大到一定值后，斷裂韌度KIC隨著含水率的增大而減小，這與前人在進行土體斷裂韌度試驗時所得到的規(guī)律相似，該曲線所呈現(xiàn)出來的規(guī)律與擊實試驗所得到的最優(yōu)含水率試驗曲線相類似。對一定干密度的重塑土來說，在較低含水率的情況下，隨著含水率的增加，土顆粒之間的水膜聯(lián)結增加，土中越來越多的弱結合水吸附于強結合水外圍，土顆粒間的水膜聯(lián)結加強，導致斷裂韌度增加。當含水率繼續(xù)增加，結合水膜的厚度持續(xù)加大，土顆粒間的接觸面積不斷減小，顆粒間的吸引力越來越弱，且弱結合水由于吸引力的降低逐漸過渡為自由水，對土顆粒的聯(lián)結產(chǎn)生不利影響，故斷裂韌度又隨含水率的增加而減小。另一方面，毛細聯(lián)結作用也對土體斷裂韌度產(chǎn)生一定的影響，當土體含水率較低時，毛細壓力會迫使相鄰土顆粒相互靠近，而隨著含水率的逐漸增加這種毛細壓力會逐漸減弱并最終消失，從而影響土體強度，故土體斷裂韌度會呈現(xiàn)出一種先增后減的規(guī)律[19]。

2.5 干密度對斷裂韌度的影響

為研究干密度對土體斷裂韌度的影響，控制含水率不變，改變干密度。選用C1C6C10C13(含水率16%)、C2C7C11C14(含水率18%)、C3C8C12C15(含水率20%)、SC1SC4SC9SC14(含水率8%)、SC2SC5SC10SC15(含水率10%)、SC3SC6SC11SC16(含水率12%)繪制出灰色黏土和黃色粉質(zhì)黏土干密度與斷裂韌度關系曲線圖(圖9)。

圖9 灰色黏土(a)和黃色黏土(b)斷裂韌度KIC與干密度關系Fig.9 Relationship of fracture toughness vs dry density of the gray clay (a) and yellow silty clay (b)

由圖9可知，2種土料在保持含水率不變時，隨著試樣干密度的增大，其斷裂韌度KIC也隨之增大，且干密度與斷裂韌度KIC之間呈現(xiàn)出比較明顯的線性關系，直線擬合的決定系數(shù)均在0.96以上。分析其是由于試樣干密度越大，在壓實的時候其顆粒與顆粒間的密實性也就越好，土顆粒間的咬合作用越好，土體的強度也隨之增加，從而其斷裂韌度KIC也就隨著干密度的增大而逐漸增大。

2.6 加載速率對于斷裂韌度的影響

為研究加載速率對土體斷裂韌度的影響，控制干密度、含水率不變，改變加載速率。選用SC10、SC19～SC22繪制出加載速率與斷裂韌度關系曲線圖(表3，圖10)。

圖10 斷裂韌度KIC與加載速率關系Fig.10 Relationship of fracture toughness vs loading speed

由圖10可知，加載速率對于斷裂韌度KIC有一定的影響，但相較于干密度、含水率等對斷裂韌度KIC的影響來看，當加載速率在0.8～4.8 mm/min之間變化時對其的影響很小，可以忽略不計。

3 結論

(1)新研制出的土體Ⅰ型斷裂韌度測試儀具有較好的可靠性，且結果表明，密實黏土中的裂縫擴展可采用線彈性斷裂理論對其進行研究。

(2) 裂紋形狀的不同導致試樣出現(xiàn)不同程度的應力集中現(xiàn)象，土體斷裂韌度KIC隨試樣應力集中程度的增大而逐漸減小。U形裂紋試樣的斷裂韌度最大，矩形裂紋試樣的斷裂韌度其次，三角形裂紋試樣的斷裂韌度最小。

(3) 試驗所用的2種不同土料其含水率和干密度對土體的斷裂韌度KIC均有較大影響，且均呈現(xiàn)出了相同的變化趨勢。對于相同干密度的試樣，斷裂韌度KIC隨含水率的增加呈現(xiàn)出一種先增后減的趨勢，即存在一個使斷裂韌度達到最大值的最優(yōu)含水率；對于相同含水率的試樣，斷裂韌度KIC隨試樣干密度的增加而增大。

(4) 在一定加載速率范圍內(nèi)，加載速率對于斷裂韌度KIC的影響很小，可以忽略不計。

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