(天津大學(xué) 仁愛學(xué)院 ，天津 301636)

0 引言

黃土是地球上分布廣泛且性質(zhì)又十分特殊的一種沉積物，早在《禹貢》一書有記載關(guān)于陜、甘一帶的黃土分布和土質(zhì)情況[1]。我國對于黃土的研究已經(jīng)開展多年，在黃土的抗拉強度研究方面也有不少成果，駱亞生等[2]揭示了幾項在黃土的單軸拉伸實驗中較為明顯的規(guī)律。孫超[3]采用單軸拉伸試驗儀對黃土進(jìn)行抗拉研究，通過電腦軟件的控制減少了人為的誤差。李春清等[4-5]研究了軸向劈裂試驗因素對原狀黃土抗拉強度影響規(guī)律，研究不同含水量和干密度時重塑黃土的抗拉強度特性。孫緯宇[6]對原狀和重塑黃土進(jìn)行了室內(nèi)無側(cè)限抗壓和軸向壓裂抗拉試驗。胡志平等[7]控制應(yīng)力、應(yīng)變對壓實黃土動力特性進(jìn)行研究。張吾渝等[8]研究主應(yīng)力對擊實黃土強度和變形特性的影響。王軍海等[9]采用動三軸試驗對壓實黃土動強度特性進(jìn)行研究。王文勝[10]進(jìn)行了淺埋大跨黃土隧道下穿公路方案比選。常立峰等[11]對大斷面黃土隧道洞口段施工數(shù)值模擬分析。員康鋒等[12]對晉南黃土結(jié)構(gòu)性與濕陷性進(jìn)行相關(guān)性研究。王輝等[13]對原狀黃土及重塑黃土滲透特性進(jìn)行試驗研究。馬林等[14]進(jìn)行了平面應(yīng)變與常規(guī)三軸實驗下黃土的力學(xué)特性分析。

到目前為止，有關(guān)黃土的研究大多圍繞著單一原狀黃土的抗拉性質(zhì)與影響因素或者原狀與重塑黃土抗拉強度的對比研究開展的，對于原狀黃土不同方向抗拉強度的對比研究相對較少。本文對甘肅蘭州王家溝隧道原狀黃土豎直向與水平向在不同加載速率、加載圓柱直徑和試樣高度下的抗拉強度進(jìn)行試驗。

1 試樣制備和試驗方法

1.1 試樣來源

將用來試驗的原狀黃土土樣按土工試驗規(guī)程(SL237—1999)規(guī)定制出直徑為61.8 mm、高度不等的豎直向與水平向圓柱試樣數(shù)個，其基本物理性質(zhì)如表1。

表1 試驗土樣的物理指標(biāo)

1.2 試驗方法

試驗采用為軸向劈裂法，并利用應(yīng)變控制式三軸儀進(jìn)行試驗。劈裂試驗是在圓柱試件的直徑方向上放入上下2根墊條，施加相對的線性荷載，使之沿試件直徑向破壞，從而測得試件的抗拉強度，優(yōu)點是操作簡單，便于試驗。軸向劈裂應(yīng)力公式按照文獻(xiàn)[4]所述計算。

(1)

式中，σ為拉應(yīng)力;a為加載圓柱直徑;b為試樣直徑;h為試樣高度;K為影響系數(shù)，取決于試樣穿孔大小和土壤類型;P為加載荷載。

對豎直向與水平向原狀黃土在不同加載速率、不同加載圓柱直徑和不同試驗高度的加載柱下測定抗拉強度都必須遵從平行試驗，以保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 加載速率對原狀黃土的抗拉影響

為了保證不同加載速率適用于抗拉強度的試驗，選用加載速率為0.6 mm/min、0.8 mm/min、1.0 mm/min、1.2 mm/min進(jìn)行壓裂試驗，在相同間隔的貫入深度下記錄對應(yīng)的拉應(yīng)力。從圖 1拉應(yīng)力與不同加載速率的關(guān)系中看到，無論是豎直向還是水平向加載柱的貫入深度都是隨著加載速率的增大而減??；當(dāng)達(dá)到峰值強度時，加載柱的貫入深度與試樣的抗拉強度呈現(xiàn)正線性相關(guān)。豎直向的原狀土在0.6―1.0―1.2 mm/min的加載速率時可以得出隨著加載速率的增大，試樣的貫入深度減少，極限抗拉強度也減少，即加載速率與極限抗拉強度成反比；但原狀土水平向試樣卻不符合這一規(guī)律，反而隨著加載速率的增大，極限抗拉強度呈增大的正比關(guān)系。由此表明原狀黃土豎直向與水平向因土質(zhì)的固有結(jié)構(gòu)不同，在抗拉強度方面呈現(xiàn)出相反的性質(zhì)關(guān)系，通過研究不同方向試樣在相同速率的極限抗拉強度也可以得出這一相反的性質(zhì)關(guān)系(除0.6 mm/min外，其他3組速率都是豎直向的極限抗拉強度與加載速率呈反比，而水平向的極限抗拉強度與加載速率呈正比)。

圖1 拉應(yīng)力與不同加載速率的關(guān)系

圖2 不同速率下貫入深度與抗拉強度的線性擬合

同時，無論豎直向還是水平向的原狀黃土在加載速率都為0.8 mm/min時，抗拉強度數(shù)據(jù)在同向試樣中呈現(xiàn)出差異化如圖 2不同速率下貫入深度與抗拉強度的線性擬合所示，針對此差異，分別對豎直向和水平向原狀黃土從試驗初始記錄至極限抗拉強度之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。從判定系數(shù)R2來看，豎直向在加載速率為0.8 mm/min時R2=0.983 1最大；水平向在加載速率為0.8 mm/min時R2=0.877 8最小。整體對比0.8 mm/min這一加載速率點的極限抗拉強度和線性擬合判定系數(shù)R2，可以得出：豎直向及水平向的原狀黃土，在任意加載速率下進(jìn)行壓裂實驗時，當(dāng)貫入深度與抗拉強度接近線性關(guān)系時，試樣的抗拉強度才會越大。同一速率制樣方向不同的試樣，貫入深度與抗拉強度的線性擬合判定系數(shù)卻呈現(xiàn)兩極化，這也對應(yīng)前面提到的，土質(zhì)固有結(jié)構(gòu)的不同會導(dǎo)致性質(zhì)上的差異。

圖 3為豎直向與水平向的原狀黃土在壓裂試驗時極限抗拉強度對應(yīng)的貫入深度值比較，發(fā)現(xiàn)兩者均隨加載速率增大，貫入深度呈由大到小的遞減趨勢；豎直向與水平向原狀黃土貫入深度的差值隨加載速率的增大呈現(xiàn)上升趨勢，得出豎直向貫入深度隨加載速率增大而減小的幅度遠(yuǎn)小于水平向，且豎直向原狀黃土在加載速率為0.8～1.2 mm/min時貫入深度變化值較為平穩(wěn)，表明豎直向土質(zhì)的固有結(jié)構(gòu)比水平向的穩(wěn)定；并且在加載速率為1.0 mm/min時，豎直向與水平向的貫入深度值相等，由此可得，豎直向原狀黃土在加載速率為1.0 mm/min時測得的數(shù)據(jù)較優(yōu)。

將不同速率下原狀黃土2個制樣方向的極限抗拉強度進(jìn)行對比研究可繪制圖 4。豎直向與水平向極限抗拉強度皆在0.8 mm/min時出現(xiàn)極值，從整體曲線的趨勢上看具有高度的對稱性；再結(jié)合差值的變化，可以得出：加載速率在0.6～0.8 mm/min時，豎直向原狀黃土制樣抗拉性質(zhì)要優(yōu)于水平向；加載速率在0.8～1.2 mm/min時，水平向原狀黃土制樣抗拉性質(zhì)逐漸增強，在0.95 mm/min以后要優(yōu)于豎直向。

圖3 不同速率下豎直向與水平向極限抗拉強度貫入深度及差值曲線

圖4 不同速率下豎直向與水平向極限抗拉強度及差值曲線

2.2 加載圓柱直徑對原狀黃土的抗拉影響

將加載圓柱直徑控制為0.20b、0.25b、0.30b，從而確保了試驗數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。從圖 5拉應(yīng)力與不同加載柱直徑的關(guān)系可以明顯看出，3組原狀黃土水平向在加載圓柱直徑不同的條件下，極限抗拉強度與加載圓柱直徑呈正比關(guān)系，同時3組極限抗拉強度對應(yīng)的貫入深度皆為1.5 mm。所以加載圓柱直徑對水平向原狀黃土的抗拉特性的影響得出：當(dāng)加載圓柱直徑增大時，試樣的貫入深度不發(fā)生改變而極限抗拉強度會隨之增加。豎直向試樣的極限抗拉強度最大值出現(xiàn)在加載柱直徑為0.25b時，極限抗拉強度對應(yīng)的貫入深度最大值出現(xiàn)在加載柱為0.20b時。

圖5 拉應(yīng)力與不同加載柱直徑的關(guān)系

圖6 不同加載柱直徑下豎直向原狀黃土抗拉強度—貫入深度的線性擬合

圖7 不同加載柱直徑下豎直向與水平向極限抗拉強度及差值曲線

對此差異,對豎直向試樣的抗拉強度與貫入深度做了線性擬合以期在試樣抗拉過程中找出結(jié)果差異的原因，其結(jié)果如圖 6。從擬合結(jié)果來看，加載柱直徑為0.25b的擬合判定系數(shù)R2要比0.20b和0.30b的R2要小，即表明試樣在0.25b抗拉過程中的加載過程相較來說是緩一些的，從數(shù)據(jù)趨勢上看3組試樣在貫入深度為0.125～0.875 mm之間的抗拉強度都在快速增大，其中0.25b試樣的抗拉強度在此階段要比0.20b和0.30b增長的幅度都要大，從而得到加載過程相較緩一些的情況。3份土質(zhì)一樣的試樣出現(xiàn)這一差異表明，在0.25b直徑的加載柱加壓時，試樣能夠有效地抵抗受到的拉力，使抗拉強度得到明顯提升。

在不同直徑的加載圓柱條件下，將原狀黃土豎直向的最大抗拉強度與水平向的最大抗拉強度進(jìn)行對比，繪制圖 7。豎直向試樣的抗拉強度在0.20b～0.25b呈增長趨勢即表示豎直向試樣的土質(zhì)結(jié)構(gòu)在此階段抗拉特性得到了提高，0.25b～0.30b呈下降趨勢表明試樣的抗拉特性已經(jīng)達(dá)到極限，導(dǎo)致表現(xiàn)出來的抗拉強度不增反降；而水平向試樣的抗拉強度在0.20b～0.30b都是增長趨勢，說明水平向試樣的土質(zhì)結(jié)構(gòu)的抗拉特性在不斷提高且未達(dá)到極限。雖然水平向試樣的抗拉強度在整個試驗階段都是增長趨勢，但從數(shù)值上看，在同一加載柱直徑下，水平向試樣抗拉強度均小于豎直向，這也從加載柱直徑這個角度驗證了：原狀黃土豎直向取樣的土質(zhì)結(jié)構(gòu)要比水平向取樣更穩(wěn)定。

圖8 不同加載柱直徑下豎直向與水平向極限抗拉強度貫入深度及差值曲線

如圖 8所示，對豎直向與水平向原狀黃土在直徑不同的加載柱條件下的極限抗拉強度對應(yīng)的貫入深度進(jìn)行比較，可看出水平向試樣在整個試驗過程中，極限抗拉強度對應(yīng)的貫入深度均為1.5 mm，所以加載柱的直徑變化對水平向試樣極限抗拉強度對應(yīng)的貫入深度并無影響，豎直向試樣極限抗拉強度對應(yīng)的貫入深度卻呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，表明加載圓柱直徑的變化對豎直向試樣極限抗拉強度對應(yīng)的貫入深度影響很大。

2.3 試樣高度對原狀黃土的抗拉影響

王惠敏[15]、李春清等[4]證明試樣高度控制在5.18～8.18 cm內(nèi)對軸向壓裂試驗測試結(jié)果的影響最為顯著。通過對5 cm、6 cm、7 cm、8 cm的試樣高度進(jìn)行試驗得出，原狀黃土達(dá)到極限應(yīng)力時，高度為6 cm的試樣貫入深度值最小，豎直方向高度為5 cm的試樣抗拉強度最強；對此數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得出：豎直向原狀黃土存在高度線性相關(guān)，其高度為7 cm試樣的抗拉強度與貫入深度之間關(guān)系式為σ=6.575 5S+2.218 5，其相關(guān)系數(shù)為0.993 5，如圖 9所示。

圖9 拉應(yīng)力與不同試樣高度的關(guān)系

圖10表明試樣的抗拉強度隨試樣高度的增大而逐漸減小再增大的過程；當(dāng)試樣高度為6 cm時，豎直向與水平向極限應(yīng)力的差值趨向于0，則豎直向與水平向抗拉強度接近，且豎直向的試樣隨試樣高度的增大而抗拉強度變化緩慢。

圖11中試樣高度從6 cm到7 cm豎直向與水平向極限抗拉強度貫入深度的差值平穩(wěn)且位于變化過程的中間位置，由此可以得出：選試樣高度為6 cm到7 cm豎直向原狀黃土作為研究抗拉特性的因素之一較優(yōu)。

圖10 不同高度下豎直向與水平向極限抗拉強度及差值曲線

圖11 不同高度下豎直向與水平向極限抗拉強度貫入深度及差值曲線

3 結(jié)論與討論

本文主要討論了原狀黃土豎直向與水平向試樣在壓裂試驗中不同加載速率、不同加載柱直徑、不同試樣高度條件下的抗拉特性，得出以下結(jié)論：

(1)原狀黃土豎直向取樣與水平向取樣的壓裂試驗在不同加載速率條件下，抗拉強度特性呈現(xiàn)相反的性質(zhì)關(guān)系，這說明豎直向與水平向因土質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，在抗拉強度方面也呈現(xiàn)不同性質(zhì)。在隨后的豎直向與水平向不同加載速率，極限抗拉強度以及對應(yīng)的貫入深度和加載圓柱直徑不同條件下的對比，把不同的性質(zhì)總結(jié)為豎直向土質(zhì)結(jié)構(gòu)在抗拉強度方面要優(yōu)于水平向。

(2)對于加載速率為0.8 mm/min時豎直向與水平向抗拉強度數(shù)值異常的探究，得出無論豎直向還是水平向的原狀黃土，在任意加載速率下進(jìn)行壓裂試驗時，當(dāng)貫入深度與抗拉強度接近線性關(guān)系時，試樣的抗拉強度才會增大。

(3)在加載柱直徑變化的試驗中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)加載圓柱直徑增大時，水平向試樣的貫入深度不變，而極限抗拉強度會隨之增加，這也就說明水平向試樣的加載柱直徑與抗拉強度為正相關(guān)。

(4)高度為6 cm和7 cm的豎直向原狀試樣，在抗拉強度與貫入深度之間存在高度線性相關(guān)，則選此作為研究抗拉強度特性較優(yōu)。

但無論是對原狀黃土各向異性的研究，還是抗拉特性相關(guān)的研究，論述的還不夠全面，尚有不足之處：①除水平與豎直向外應(yīng)對原狀黃土進(jìn)行30°、45°等的多方向、多角度取樣；②應(yīng)對原狀黃土抗拉特性的制樣方法等多種影響因素進(jìn)行充分探討。故今后希望對此方面進(jìn)行試驗。