土體抗拉強度測試技術研究現狀

王惠敏

水發規劃設計有限公司 山東 濟南 250010

土體力學性質上表現為具有一定的抗剪強度、抗壓強度，通常認為其抗拉強度大部分或全部喪失，加之土一般不主動作為抗拉材料使用，因此研究中土的抗拉強度常被忽略。實際上，許多土工建筑物的破壞都與土的抗拉特性有關，如土坡滑動前坡頂出現張拉縫，公路路面的張裂隙，土石壩心墻水力劈裂等。隨著科學技術的發展，大型工程建筑結構大量出現，土體拉張破壞的控制日顯迫切。

本文系統的總結了現有的土抗拉強度的室內試驗測試方法，并對各種測試方法中存在的問題做了比較詳細的論述。

1 測試方法

土的抗拉強度的測試方法總體上可以分為兩種：直接法和間接法。直接法測試土的抗拉強度有單軸和三軸拉伸試驗兩種；間接測試方法是基于一定的理論假設，根據理論推導出計算公式，結合試驗結果計算具體的抗拉強度值，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

土的單軸抗拉強度通過對圓柱形或長方體試樣逐級施加軸向壓力使其達到斷裂破壞，以此測得單軸抗拉強度。根據試樣的放置方式，單軸抗拉強度試驗可以分為立式單軸抗拉強度試驗和臥式單軸抗拉強度試驗兩種[1-3]。

1.2 三軸拉伸試驗

三軸拉伸試驗是在存在周圍壓力條件下的軸向擠長試驗，可以測定土在存在圍壓情況下的拉應力、拉應變、孔隙水壓力、體變等。試驗通常通過在常規三軸儀上[4-5]增加鉤拉裝置和制樣裝置來實現。加荷方式主要是在試樣固結后，保持軸向壓力不變增大圍壓至試樣破壞或圍壓不變減小軸向壓力至試樣破壞。

1.3 土梁彎曲法

本試驗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，在拉應力最大處產生裂縫，并逐漸擴展，直至土梁破壞，裂縫方向與拉應力垂直。

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度測試。使用常規的三軸剪切儀或承載比試驗儀即可進行，操作步驟比較簡單，試驗結果穩定。

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 測試方法分析

直接拉伸試驗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力狀態，與實際工程比較接近，可得到試樣在受拉狀態下的抗拉強度和極限拉應變等，但是由于試驗本身存在的問題如端部連接方式等影響試驗結果的可靠性。與之相比，間接拉伸試驗以其工具無需深加工、操作簡便、試驗結果重現性好等優點而得到廣泛應用，但是由于間接測試方法是基于一定的理論假設，加之儀器本身存在的問題因而計算所得抗拉強度值與實際存在一定差異。

2.1 直接拉伸試驗

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：凍結端頭法、粘結劑膠結法[1],[5-8]機械夾具法[4]。凍結端頭法是用制冷設備將試樣端部與加載端板在低溫狀態下進行冷凍連接，但是制冷設備比較復雜，在實際應用中困難較大。粘結劑膠結法所用的粘結劑主要是環氧樹脂、502膠等，價格低、取材方便、試驗成果較穩定，因此較為常用。機械夾具在試驗過程中常出現試樣拔脫現象[2][10]。

2.1.2 軸向應變的測定

經過端部處理后的試樣兩端剛度明顯加大，變形量減小，造成平均應變小于試驗中間段的實際應變量，非接觸式電渦傳感器[9]將傳感器用502膠粘結于試樣中間段的側面，可避開端部連接部位測得試樣的真實變形量。

2.1.3 制樣方式

通常原狀土采用水膜轉移法和風干法等方式，重塑土采用擊實法，鑒于擊實次數的不同，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；多次擊實成型的試樣按照擊實面與試樣的拉伸方向又可分為擊實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試驗影響的問題，清華大學[11]研制了一套可消除自重影響的彎曲試驗儀器即在土梁的下邊緣向上施加適量的平衡重，但由于試驗裝置復雜、土梁的尺寸較大，安裝過程中土梁容易產生擾動降低強度甚至破壞。

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度試驗值與墊條方式密切相關。與巖石相比，土的彈性模量很低，因此在保證墊條不會陷入試樣中的基礎上盡量使荷載分布均勻。

2.3.2 試樣長度

試樣長度對徑向壓裂法的測定結果影響不大[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

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

2.4.2 試樣的高徑比

軸壓試驗的抗拉強度測定值受高徑比的影響較大[15]，二者此消彼長。對于凍土，當高徑比范圍在2～3之間時對抗拉強度的測試結果影響很小[16]。

2.5 測試方法比較

綜上所述，將各試驗方法進行比較得出各自的優缺點，如表1所示。

表1 測試方法比較

3 結束語

本文著重對常用土體抗拉強度測試方法存在的問題進行了論述，可見：直接拉伸試驗易觀察試樣受力過程中的變形過程，但試樣安裝不便；間接拉伸試驗的試驗儀器不需改裝，試樣安裝方便，測量結果穩定，但是不能很好的展現試樣受拉時的狀態。

鑒于目前較為常用的土的抗拉強度測試方法為室內直接拉伸試驗，提出以下幾點建議：

（1）改進直接拉伸試驗中試樣端部連接方式，以減小端部連接方式對試驗的影響；

（2）根據實際工程情況采用不同的制樣方式，與間接拉伸試驗結果進行對比，根據實際情況選用抗拉強度值；

（3）研制適合現場試驗的抗拉強度測試儀器也迫在眉睫，使試驗結果更接近實際工程情況。