土体抗拉张力学特性研究现状与展望

土体抗拉张力学特性研究现状与展望

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传统非饱和土力学认为来源于土壤学或土壤物理学中的基质吸力就是非饱和土的粒间吸力，下面是小编搜集整理的一篇探究抗拉张力学特性试验的论文范文，供大家阅读参考。

1、引言

在传统工程地质环境及土力学性质的研究中，土体通常不主动作为抗拉材料使用，认为土的抗拉强度很小或几乎视为零[1,2],实际工程中土体的抗拉强度常常被忽略，多侧重于抗压和抗剪，对抗拉张的研究较少[3,4].然而，许多工程问题中的土体会发生开裂现象，诸如红色问题土中常见的崩岗[5]、滑坡以及黄土中常见的滑塌[6]等地质灾害孕育过程中坡顶几乎都产生的张拉裂缝[7,8],其破坏模式是拉张和剪切的耦合，都与其抗拉张力学特性密切相关。

抗拉张强度是评价非饱和土的崩岗、崩塌及土坝、堤防、路基、垃圾填埋场等边坡的稳定性的重要参数，黄文熙[9]早就指出抗拉张是黏性土的一个比较重要的力学

性质。试验研究表明[4,10]

天然非饱和黏性土的抗拉强度一般可达到十几到几十千帕，从抗拉力学角度，土体的抗拉强度几乎相当于同等面积内2m×3m间距锚杆的抗拔力。可见，抗拉强度在

土体稳定性中起着相当重要的作用，忽略土的抗拉张强度显然是对土的强度认识上的不全面。

本文从土体抗拉张力学特性的实验研究和理论分析2个角度出发，介绍并对比分析了国内外土体抗拉张力学特性的试验以及理论方面的最新研究，通过总结分析历史上大量的岩土破坏试验抽象概括出了土体的8种破坏模式，随后认为土体变形破坏的实质是拉剪耦合的渐进性发展过程，并指出研究非饱和土抗拉特性的核心问题就是要弄清土体抗议与粒间吸力之间的关系，最后总结了研究现状中存在的主要问题，展望了今后的研究与发展方向。

2、抗拉张力学特性试验研究

土体的抗拉张力学特性的测试主要在室内进行，分2类：一类是直接测定法，即单轴拉伸试验和三轴拉伸试验方法;另一类是间接测定方法，包括径向压裂试验、弯

曲梁试验和环状试样法等。比较土体抗剪特性及理论的研究，土体抗拉张特性的研究程度无论从试验手段还是从理论方面都还是远远落后的。例如，至今仍没有统一规范并获得业界普遍认同的土体抗张特性测试仪器。不过，当前抗拉张的新型试验

仪器及间接测试方法不断涌现，不少学者开始重视土体抗拉张力学特性的研究，这些极大地促进了土体抗拉张特性的试验和理论研究。

土体的抗拉张特性试验的研究始于20世纪50年代，20世纪50~70年代，抗拉张

特性的研究主要在于探索土的抗拉强度基本测试方法上[11~19].

1951年，Haefeli[11]首先用直接拉伸试验，研究了饱和黏性土在不同围压下的抗

拉强度和破坏形式，拉开了研究土体抗拉强度的序幕。随后Tchbotarioff等[12]

亦采用单轴拉伸试验方法，对矿物组成不同的黏性土开展了试验研究，得出了主要几种黏土矿物抗拉强度的基本特性。Vomocil等[13]采用离心机方法测试了5种砂

土的抗拉强度随含水量和密度的变化规律。Farrell等[14]采用无侧限压力的直接

拉伸试验测试了重塑黏土在不同的土水吸力条件下的拉应力，试验结果显示拉应力随含水量的增加而呈抛物线性减小，与Vomocil等[13]的研究结果相似。

1960年，Parry[18]首先采用三轴拉伸试验研究黏性土的抗拉强度，试验结果表明

土的拉伸应力应变特性受围压、超固结比以及排水条件的影响。Bishop等[19]的

三轴试验结果进一步表明黏土的抗拉强度与小的围压变化几乎没有关系。

而后不久，混凝土抗拉强度间接测试方法---巴西劈裂法试验也被引进用于研究含

水率对土体抗拉强度的影响[20].Krishnayya[21]在径向压裂试验中设计了一种特

殊的电测工具，使得径向压裂法能够同时测出黏土的抗拉强度和应力应变关系曲线。

抗拉张试验方法的多样性，使得人们有条件来对比研究不同试验方法对土体抗拉张力学特性的影响规律。Yoginder[22]开创了抗拉强度对比试验的先河，对比黏性土三轴拉伸试验和单轴拉伸试验中的抗拉特性。Kezdi[23]和Ajaz等[24]采用单轴拉伸、无侧限压缩和土梁弯曲试验，对比研究了土体的3相物理组成对土的抗拉强度的影响。

我国开展抗拉张力学特征的研究起步稍晚，始于20世纪70年代初。1973年，清

华大学土石坝抗裂研究小组比较了单轴拉伸试验和土梁弯曲试验测试的结果，得出土体抗拉强度和拉伸变形模量均随含水量的增大而降低及随干密度的增大而增高的认识[25].

20世纪80年代开始，国内外的研究在土体抗拉强度测试方法创新及完善过程中[26],进入了抗拉强度力学基本特性研究阶段。Fang等[27]采用无压渗透技术新方

法测试土体的抗拉强度，指出拉伸强度与土体的液塑限、活性指数、韧性指数、无侧限抗压强度、凝聚力及内摩擦角具有相关性。现场试验测试土体抗拉张强度开始于20世纪80年代初[28].

这时期新的试验内容和试验方法也不断出现。钮泽明等[29]试验研究了循环加卸荷载、干容重与含水量、加荷速率几个因素对黏性填土单轴抗拉强度的影响规律。Mosaid[30]采用空心圆柱内牙劈裂试验测试了压实黏性土的特性参数。Snyder等[31]采用气动断裂法新技术测量了非饱和土的拉伸强度。

20世纪80年代后期到20世纪末，国内外学者对土体抗拉强度的研究记载突然少见，几乎有十余年的断层，只是零星地开展了一些抗拉强度方面的研究，如

Nearing等[32]通过试验测试土体抗拉强度特征，证明土体扰动后抗拉强度为原状

土抗拉强度的33%;骆亚生等[33]通过单轴拉伸试验，对黄土的抗拉强度与含水量、干密度、饱和度及基质吸力间的关系进行了探讨，取得了几项较为明显的规律。

进入21世纪后，随着各种试验仪器、设备更加完善，又迅速有了更广泛和更深入

的新发展，更重视土的成分、物性和结构等因素对抗拉张强度的影响。此阶段，抗拉张的测试方法不断探索，涌现出了大量的新测试方法和测试仪器[34~44].例如，Tang等[34]采用应变控制式加载方式利用单轴拉伸试验研究了非饱和黏性土的抗

拉特性，Tamrakar等[35]研制的在直剪仪上改制卧式单轴拉伸试验仪以测试断裂

韧度的方法，党进谦及其带领的团队[36~41]研发了新型卧式单轴土工拉伸仪，李

晓军等[42,43]研制的可以配合计算机层析(CT)扫描的圆环内壁施加径向压应力的

拉裂法[44].这一时期国际上，抗拉张试验方法比较创新、理论比较成熟、操作亦

比较简单的测试方法有以下3种：

(1)Kim等[45]改进了Perkins[46]研制的土样直接拉伸试验装置，测试了3组不同密度和4组不同含水量的重塑土的抗拉强度，土样盒(178mm×178mm×178mm)由2

个对称的半盒子组成，盒子内部固定了4个三角楔形以利于试验时试样从断面最短处断开。之后，Arslan等[47]进一步用此装置测试了月壤的抗拉张特性，Kim等[48]亦根据需要改进了此装置，然后测试了非饱和砂性土由毛细吸力引起的抗拉强度。

(2)Ibarra等[49]采用液压机和土样车床把原圆柱形土样重塑并制成计时沙漏形，

然后在自制的拉伸装置上测试了不同含水量和密度的重塑黏土的抗拉强度。

(3)Akagawa等[50]采用Tamrakar等[51]论述过的力学性状较好的横“8”字形土样，测试了0~-2℃的冻土的抗拉强度，试验结果表明土孔隙中冰的结构是冻土相

对非冻土具有高抗拉强度的主要原因。

在国内，进入21世纪后也涌现了不少具有创新性的新测试方法和测试仪器。孙萍

等[52~54]采用卧式单轴拉伸土工拉伸仪(属应力控制式)，所用试样直径39.1mm、

高80mm,试验结果表明不同含水率的原状黄土在拉伸过程中均没有明显的颈缩现象，