几种土体断裂韧度的测试方法

几种土体断裂韧度的测试方法

摘要：断裂韧度的测试是断裂力学研究的重要部分，根据对裂缝加载方式不同，断裂韧度可分为Ⅰ型加载下的断裂韧度、Ⅱ型加载下的断裂韧度、Ⅲ型加载下的断裂韧度三种基本形式。目前对金属、岩体等材料的断裂韧度测试方法已有了大量的研究，形成了相应的测试规范。土体断裂破坏主要是Ⅰ型断裂破坏和Ⅱ型断裂，但土体由于其自身材料性质的特殊性，并不能完全采用其他材料的测试规范。结合土体材料的特性介绍了土体Ⅰ型断裂和Ⅱ型断裂的断裂韧度的几种常用测试方法，并对几种方法的优缺点和适用性进行了讨论。

关键词：土体，断裂力学，断裂韧度，试验方法

引言

断裂力学是用来研究含有宏观裂纹型缺陷的材料或构件, 在外力作用下裂纹扩展的规律。从狭义角度解释, 它可用来研究含有宏观裂纹型缺陷的材料或构件, 在外力作用下裂纹扩展的规律。当土体内存在宏观贯通裂纹时, 在外荷载作用下裂纹尖端前缘将产生应力集中。在应力集中区域内的应力值, 远比由外荷载所引起的平均应力值大。传统的材料力学设计方法不能用来判断裂纹是否失稳扩展, 而应根据以研究断裂韧性参数和能量释放率为基础的断裂力学方法来进行判断。

对于各种复杂的断裂形式，总可以分解成为三种基本断裂类型的组合。这三种基本断裂类型即为Ⅰ型断裂、Ⅱ型断裂、Ⅲ型断裂。Ⅰ型断裂属于张开型断裂，Ⅱ型断裂属于滑移型断裂，Ⅲ型断裂断裂属于撕裂型断裂[1]。

由于土的抗拉强度很低, 因此判别土体是否会出现张开型裂纹失稳扩展, 就成为工程技术人员首先关心的问题。目前国内外虽有一些研究人员开始从事岩石、混凝土等材料的断裂韧度研究, 但对于土体的断裂韧度研究至今较少进行。现将土体的断裂韧度测试方法综述如下。

1 土体应力强度因子及断裂韧度

当进行Ⅰ型加载，即发生Ⅰ型断裂时，其裂纹端部区域的应力分量可以应用弹性理论解得：

由此可见，中括号内的各项只与所研究的点的位置有关，亦即是点的位置坐标函数。而系数则与点的位置无关，仅取决于载荷及裂纹尺寸，因此它是裂纹端部区域应力场的一个公共因子，称为应力强度因子，记为：

可见应力强度因子与坐标无关，而在裂纹尖端附近的区域内，应力分量、位移分量均与应力强度因子成正比，所以应力强度因子是裂纹尖端附近应力、位移场强度的表征，它是反映裂纹尖端应力场强度的参数。

由上式还可以看出，随着载荷的增加，值也将随之增大。因此可以推断，当载荷增大到某一临界值时，构件就将发生破坏。此时，应力强度因子也达到了某一临界值。大量试验表明，临界应力强度因子的值既与裂纹体的材料有关，也与其几何形状及尺寸有关。对于同一种材料而言，存在一个的最低值，此值是材料的性能常数，对于不同的材料有不同但确定的值。它是反映材料抗断裂能力的一个指标，故称之为材料的断裂韧性，记作。因此带裂纹构件的断裂准则就可表示为：

此为Ⅰ型加载下的线弹性断裂判据。

与Ⅰ型断裂相仿，对于Ⅱ型与Ⅲ型断裂，同样可以通过线弹性理论来进行分析，以求得其裂纹端部的应力强度因子和。此外也同样可以通过实验测得各种材料在Ⅱ型和Ⅲ型加载下的断裂韧性和来，从而得到在Ⅱ型和Ⅲ型加载下的断裂判据：

2 土体Ⅰ型断裂韧度测试方法

在弹性断裂力学中, 关于金属断裂韧度的测定已经标准化, 目前主要有三点弯曲试验和紧凑拉伸试验两种[2], 它们除广泛用于金属学外, 在混凝土、岩石等材料的断裂韧度测试中也常引用。但这些方法都不能用于测定粘性土体的断裂韧度, 这是因为土体的抗拉强度很小, 三点弯曲试验在土梁自重作用下试件就可能因弯矩作用而破坏, 紧凑拉伸试验则会由于土体圆孔施力点处局部强度不够而破坏, 而且由于土体自重应力相对于土体的抗拉强度而言不可忽略, 必然导致较大的试验结果误差。张振国等[3~4]采用单侧开缝试件受水平中心荷载拉伸的试验方法来测定粘性土体的断裂韧性

实验时，试件平放在试验平台上, 为了消除试件与试验平台间的摩擦力对试验成果的影响, 在试件底部与导轨间垫以玻璃条和滚珠。并在加力板端与试件端部用环氧树脂粘结。试件尺寸为长L=16cm，宽W=14cm，厚t=7cm。试件在特制的金属模内用静压方法制备而成，开缝利用特制开缝磨具进行。试验时，逐级向砝码盘上加砝码，记录荷载及两端测微计数读数。直至裂纹失稳扩展，试件断裂。

刘晓洲、李洪升等[5~8]对冻土断裂韧度进行了一系列的试验研究，分别进行了室内重塑冻土断裂韧度试验和现场原状冻土断裂韧度试验。试验对传统的试验装置进行了改造, 将三点弯曲试验台倒置悬挂于上端, 在下端采用油压千斤顶加力。

3 土体Ⅱ型断裂韧度测试方法

目前，用于研究岩石及其他脆性材料Ⅱ型断裂试验的方法较多，主要有非对称四点弯曲法、半圆弯曲及非对称半圆弯曲方法、短梁剪切破坏试验方法、巴西圆盘法和剪切盒试验方法。但由于于土体的性质与岩石不同，因此岩石等材料Ⅱ型断裂试验的方法对土体来说并不适用。

国内外在土体Ⅱ型断裂破坏方面的研究很少，对其破坏断裂破坏的性状、机理也没有形成完整的概念。目前的研究方法为非对称四点弯曲试验法[9]，

该方法的基本原理是通过调节作用在土体试样中的2个加载点（A、B）和2个支撑点（C、D）的位置，使得在裂缝断面处，试样所受弯矩为零，只承受剪力作用。利用该方法，通过结构力学或材料力学的知识，能求出试样裂缝断面上的剪力。当裂纹长度满足0.25≤a/H≤0.75时，可计算出应力强度因子：

虽然该方法从原则上可以求出，但在使用时，如果试验前2个加载点（A、B）和2个支撑点（C、D）位置的调节出现误差，或者试验中试样变形过大，都可能引起裂缝断面处弯矩不为零．因此在使用非对称四点弯曲试验方法研究土体Ⅱ型型断裂破坏时，其结果会产生很大的误差。

4 结束语

（1）土体Ⅰ型断裂和Ⅱ型断裂由于断裂方式有着明显的不同，故需研制专门的试验仪器进行试验。研制试验仪器时，应充分考虑土体材料的特点，克服试验中可能遇到的问题，使试验结果尽可能准确。

（2）由于土体自身的性质与岩石等材料不同，用于研究岩石等断裂破坏的试验装置对土体不一定适用。应根据土体材料的特性研制合适的试验仪器，采用