王惠敏

水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 山東 濟(jì)南 250010

土體力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)為具有一定的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度，通常認(rèn)為其抗拉強(qiáng)度大部分或全部喪失，加之土一般不主動(dòng)作為抗拉材料使用，因此研究中土的抗拉強(qiáng)度常被忽略。實(shí)際上，許多土工建筑物的破壞都與土的抗拉特性有關(guān)，如土坡滑動(dòng)前坡頂出現(xiàn)張拉縫，公路路面的張裂隙，土石壩心墻水力劈裂等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大型工程建筑結(jié)構(gòu)大量出現(xiàn)，土體拉張破壞的控制日顯迫切。

本文系統(tǒng)的總結(jié)了現(xiàn)有的土抗拉強(qiáng)度的室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試方法，并對(duì)各種測(cè)試方法中存在的問題做了比較詳細(xì)的論述。

1 測(cè)試方法

土的抗拉強(qiáng)度的測(cè)試方法總體上可以分為兩種：直接法和間接法。直接法測(cè)試土的抗拉強(qiáng)度有單軸和三軸拉伸試驗(yàn)兩種；間接測(cè)試方法是基于一定的理論假設(shè)，根據(jù)理論推導(dǎo)出計(jì)算公式，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算具體的抗拉強(qiáng)度值，最常用的方法有土梁彎曲法、徑向壓裂法、軸向壓裂法。

1.1 單軸拉伸試驗(yàn)

土的單軸抗拉強(qiáng)度通過對(duì)圓柱形或長方體試樣逐級(jí)施加軸向壓力使其達(dá)到斷裂破壞，以此測(cè)得單軸抗拉強(qiáng)度。根據(jù)試樣的放置方式，單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)可以分為立式單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和臥式單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)兩種[1-3]。

1.2 三軸拉伸試驗(yàn)

三軸拉伸試驗(yàn)是在存在周圍壓力條件下的軸向擠長試驗(yàn)，可以測(cè)定土在存在圍壓情況下的拉應(yīng)力、拉應(yīng)變、孔隙水壓力、體變等。試驗(yàn)通常通過在常規(guī)三軸儀上[4-5]增加鉤拉裝置和制樣裝置來實(shí)現(xiàn)。加荷方式主要是在試樣固結(jié)后，保持軸向壓力不變?cè)龃髧鷫褐猎嚇悠茐幕驀鷫翰蛔儨p小軸向壓力至試樣破壞。

1.3 土梁彎曲法

本試驗(yàn)假定土梁為彈性材料，拉伸和壓縮模量相同，簡支于支座上的等矩形截面條狀土梁受力后，截面仍保持平面，在集中荷載的作用下，受拉邊緣伸長，在拉應(yīng)力最大處產(chǎn)生裂縫，并逐漸擴(kuò)展，直至土梁破壞，裂縫方向與拉應(yīng)力垂直。

1.4 徑向壓裂法

徑向壓裂法原本用作巖石等脆性材料的抗拉強(qiáng)度測(cè)試。使用常規(guī)的三軸剪切儀或承載比試驗(yàn)儀即可進(jìn)行，操作步驟比較簡單，試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定。

1.5 軸向壓裂法

軸向壓裂法是在圓柱體試樣兩端施加壓力，直至試樣沿軸向劈裂。

2 測(cè)試方法分析

直接拉伸試驗(yàn)可以比較直觀的模擬土體在一維受力或三維受力條件下的應(yīng)力狀態(tài)，與實(shí)際工程比較接近，可得到試樣在受拉狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變等，但是由于試驗(yàn)本身存在的問題如端部連接方式等影響試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。與之相比，間接拉伸試驗(yàn)以其工具無需深加工、操作簡便、試驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，但是由于間接測(cè)試方法是基于一定的理論假設(shè)，加之儀器本身存在的問題因而計(jì)算所得抗拉強(qiáng)度值與實(shí)際存在一定差異。

2.1 直接拉伸試驗(yàn)

2.1.1 端部連接方式

目前將試樣端部固定在加力裝置上的方法有三種：凍結(jié)端頭法、粘結(jié)劑膠結(jié)法[1],[5-8]機(jī)械夾具法[4]。凍結(jié)端頭法是用制冷設(shè)備將試樣端部與加載端板在低溫狀態(tài)下進(jìn)行冷凍連接，但是制冷設(shè)備比較復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中困難較大。粘結(jié)劑膠結(jié)法所用的粘結(jié)劑主要是環(huán)氧樹脂、502膠等，價(jià)格低、取材方便、試驗(yàn)成果較穩(wěn)定，因此較為常用。機(jī)械夾具在試驗(yàn)過程中常出現(xiàn)試樣拔脫現(xiàn)象[2][10]。

2.1.2 軸向應(yīng)變的測(cè)定

經(jīng)過端部處理后的試樣兩端剛度明顯加大，變形量減小，造成平均應(yīng)變小于試驗(yàn)中間段的實(shí)際應(yīng)變量，非接觸式電渦傳感器[9]將傳感器用502膠粘結(jié)于試樣中間段的側(cè)面，可避開端部連接部位測(cè)得試樣的真實(shí)變形量。

2.1.3 制樣方式

通常原狀土采用水膜轉(zhuǎn)移法和風(fēng)干法等方式，重塑土采用擊實(shí)法，鑒于擊實(shí)次數(shù)的不同，可分為一次[8]與多次[2][10]成型兩種：一次成型試樣在拉伸破壞過程中破裂面粗糙并且斷裂位置不確定；多次擊實(shí)成型的試樣按照擊實(shí)面與試樣的拉伸方向又可分為擊實(shí)面與試樣拉伸方向垂直與平行兩種：前者試樣破壞過程中斷裂面較平整，且位于分層擊實(shí)處；后者試樣破壞過程與一次成型試樣類似，為使試樣破壞過程中破裂面位置比較明確通常采用的方法是減小試樣中間位置的尺寸。

2.2 土梁彎曲法

土梁彎曲法存在的問題是怎樣消除試樣自重對(duì)試驗(yàn)影響的問題，清華大學(xué)[11]研制了一套可消除自重影響的彎曲試驗(yàn)儀器即在土梁的下邊緣向上施加適量的平衡重，但由于試驗(yàn)裝置復(fù)雜、土梁的尺寸較大，安裝過程中土梁容易產(chǎn)生擾動(dòng)降低強(qiáng)度甚至破壞。

2.3 徑向壓裂法

2.3.1 墊條方式

楊同等[12]的研究表明徑向劈裂法所得巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值與墊條方式密切相關(guān)。與巖石相比，土的彈性模量很低，因此在保證墊條不會(huì)陷入試樣中的基礎(chǔ)上盡量使荷載分布均勻。

2.3.2 試樣長度

試樣長度對(duì)徑向壓裂法的測(cè)定結(jié)果影響不大[13]，一般可不考慮試樣的長徑比問題，一般情況下為方便試樣安裝，建議高徑比≥2。

2.4 軸向壓裂法

2.4.1 圓柱狀襯墊

抗拉強(qiáng)度的測(cè)定值與襯墊的尺寸密切相關(guān)[14]，隨襯墊直徑增大，荷載作用下形成的土楔尺寸增大，拉應(yīng)力分布逐漸趨于均勻。郭飛等[15]建議抗拉強(qiáng)度測(cè)試時(shí)襯墊直徑為3cm～3.5cm。

2.4.2 試樣的高徑比

軸壓試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度測(cè)定值受高徑比的影響較大[15]，二者此消彼長。對(duì)于凍土，當(dāng)高徑比范圍在2～3之間時(shí)對(duì)抗拉強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果影響很小[16]。

2.5 測(cè)試方法比較

綜上所述，將各試驗(yàn)方法進(jìn)行比較得出各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 測(cè)試方法比較

3 結(jié)束語

本文著重對(duì)常用土體抗拉強(qiáng)度測(cè)試方法存在的問題進(jìn)行了論述，可見：直接拉伸試驗(yàn)易觀察試樣受力過程中的變形過程，但試樣安裝不便；間接拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)儀器不需改裝，試樣安裝方便，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，但是不能很好的展現(xiàn)試樣受拉時(shí)的狀態(tài)。

鑒于目前較為常用的土的抗拉強(qiáng)度測(cè)試方法為室內(nèi)直接拉伸試驗(yàn)，提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）改進(jìn)直接拉伸試驗(yàn)中試樣端部連接方式，以減小端部連接方式對(duì)試驗(yàn)的影響；

（2）根據(jù)實(shí)際工程情況采用不同的制樣方式，與間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)實(shí)際情況選用抗拉強(qiáng)度值；

（3）研制適合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度測(cè)試儀器也迫在眉睫，使試驗(yàn)結(jié)果更接近實(shí)際工程情況。