（岩土工程专业论文）粘性土抗拉强度试验研究及数值模拟.pdf

疆川虫拳硕，学位论文 v7 7 9 10 3 粘性抗拉强度试验研究及数值模拟 岩工程专业 研究生：来安芘指导教师；何蒜荣教授 摘要 近年来，鹱着经济的快速发展，公路、机场、赢土石坝的修建蓬勃兴起， 产生裂缝的土正建筑物逐渐增多。在研究土域、婕、路基中能否出现拉裂缝 和对溅产生裂缝原因的分析及处理方案的设计中，对的抗挝特性的正确认识 和抗披强度指标的正确测量越来越显得重要。 本文详缨介绍了驻秘抗投强度测试方法：单轴拉 枣、三轴拉伸、镜向压裂、 轴向联裂、土梁弯曲。并使用这五种溯试方法对两种粘性士的抗拉特性进行了 全殛的研究。通过对试验成果一+ 的分析和总结，细致的研究了抗拉强度的影响 因素、试验方法的可行性，探讨了粘住土断裂祝理。通过本次试验研究，发蕊： ( 1 ) 予密度p 。翱含水攀。对粘性土抗拉强度o 。和拉伸特性商很大的影 响。随着干密度p 。的增大，土体的抗拉强度。和拉伸模量瓯都得到提高，陡 羞含水率的增大，抗拉强度0 ：先提高后衰减。不同的试验方法得到的土体抗 拉强度随上述两种因素的变化规律是致的； ( 2 ) 三轴拉伸试验发现，随着嗣压o ；的变化，试样有三种不同的破坏形 式：纯拉断、先剪切伸长后挝断和魏翦切。主体在发生前两种破坏形式时土体 强度不符合m o h r - c o u l o m b 猴则，此时大小主应力基本呈直线关系，当发生纯 剪切破坏时遵循m o h r - c o u l o m b 准刚。 ( 3 ) 三种间接测试法得到的土体抗拉强度o 。与直接拉伸试验的抗拉强度 o 。之间存在簸异。而且间接法中试验本身存在一些影响函素，如轴囱压裘法巾 衬垫冉勺尺寸和试样的麓径比对试验络果影响很大。从本次试验结果来看，投向 压裂帮轴向舔袋法的试验值比较接遥，绪果低于单辅拉伸试验，土粱弯益法的 霜般天擘颈士学位论文 试验值高于单轴拉伸试验。采用径向压裂和轴向愿裂法得到的抗拉强度值殿用 予工程审蹩稼手保守耧安全戆； ( 4 ) 通过轴向压裂法的有限元计算，分析试样在受力后应力分布和变形蒋。 计算结果与试验情况基本致，验证了本文对轴向雁裂法试样破坏机理的分析。 关键词：糨性土抗拉强度拉秭藏力应交关系断裂税瀵有限元分耩 l 四川大学硕士学位论文 t e n s i o nt e s ta n dn u m e r i c a la n a l y s i s o nc o h e s i v ec l a y p o s t g r a d u a t e ：z h ua n l o n g t u t o r ：p r o h ec h a n g r o n g a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i cr e c a n t i y ，t h eh i g h w a y s ， a i r f i e l d sa n dh i g he a r t hf i l l e dd a m sh a v eb e e nc o n s t r u c t e do nah i g hs p e e d m o r ea n dm o r ec o n s t r u c t i o n sw e r ef a i l e db e c a u s eo ft h et e n s i l ec r a c k s s o ，t or e s e a r c hw h e t h e rt h e r ec a nb ep r o d u c et e n s i l ec r a c k s ，s t u d yt h e r e a s o no ft h ec r a c k sa n dd e c i d eh o wt ot r e a tt h ec r a c k s ，t h e a c k n o w l e d g e m e n ta b o u tt h ep r o p r i e t yo ft h et e n s i o nb e c o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n t i nt h i sp a p e r ，f i v et e s tm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d t h e ya r eu n i a x i a l a n dt r i a x i a lt e n s i o nt e s t ，s p l i t ，d o u b l ep u n c ha n dc l a yb e a m 。b yt h e s e m e t h o d s ，t h et e n s i l ep r o p r i e t yo ft h ec o h e s i v ec l a yw a ss t u d i e do nt w o k i n d so fc o h e s i v ec l a y s b yt h es t u d y ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r e c o n c l u d e d ： 1 ) t h ed r yd e n s i t ya n dw a t e rc o n t e n ta r et h et w oi m p o r t a n tf a c t o r s t h a ta f f e c tt h es h a p eo ft h es t r e s s s t r a i nc u r v e so ft h ec o b e s iv ec l a y s 。 w i t hi n c r e a s i n gt h ed r yd e n s i t y ，t h et e n s i l es i r e n g t hi n c r e a s i n g ；a n d w i t hi n c r e a s i n gt h ew a t e rc o n t e n t ，t h et e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s i n gf i r s t a n dt h e nd e c li n i n g 。 ( 2 ) b yt h et r i a x i a lt e n s i o nt e s t 。t h e r ea r et h r e ed i f f e r e n tf a i l u r e f o r m so ft h es m p l e su n d e rd i f f e r e n tc o n s o l i d a t i o np r e s s u r e + o n l yw h e n t h es a m p l ew a sf a il e db e c a u s eo ft h es h e a rs t r e s s ，t h ef a il u r es t r e s s c o m p l i e sw i t ht h eg u i d e l i n eo fm o h r - c o u l o m b ( 3 ) t h et e n s i l es t r e n g t hb yt h et h r e ei n d i r e c tt e s tm e t h o d si s i n 四川大学硕士学位论文 d i f f e r e n tw i t ht h ed i r e c tt e s tm e t h o d a n df o rt h ei n d i r e c tt e s tm e t h o d s ， t h e r ea r es o m ef a c t o r st h a ti m p a c tt h er e s u l t s u c ha st h ed i a m e t e ro f t h er i g i dg a s k e ta n dt h eh e i g h to fs a m p l ea r et h et w oi m p o r t a n tf a c t o r s f o rt h ed o u b l ep u n c hm e t h o d f o rt h i ss t u d y ，t h er e s u l to ft h es p l i ta n d d o u b l ep u n c ha r el o w e rt h a nt h a to ft h ed i r e c tm e t h o d ：a n dt h a t o ft h e c l a yb e a mi sh i g h e rt h a nt h a to ft h ed i r e c tm e t h o d ( 4 ) b yt h e1i m i te l e m e n ta n a l y s i so ft h ed o u b l ep u n c hs a m p l e ，t h e s t r e s s ，s t r a i n ，a n dd e f o r m a t i o nw e r es t u d i e d t h er e s u l ti sc o n s i s t e n t w i t ht h et e s t s t h er e s u l to ft h e1 i m i te l e m e n ta n a l y s i sv a l i d a t e st h e a n a l y s i so ft h em e c h a n i c sa b o u tt h ed o u b l ep u n c h k e yw o r d ：c o h e s i v ec l a y t e n s i l es t r e n g t h e nt e n s i l es t r e s s s t r a i n c u r v ef a i l u r em e c h a n i c sl i m i te l e m e n ta n a l y s i s 四川太学硕士学位论文 1 体控伸试验综述及本次试验网的 在本章将首先介绍丰占性土拉伸试验的发展历史及已取得的成粜，然餍对各 秘拉 审试验方法馓箍要的叙述，最后提如在拉伸试验中嚣要解决纳闷题和本次 试验的目的。 1 1 粘性拉伸试验研究的意义 由予士工建筑物的抗拉能力较低，其抗拉特性常常被人们忽视。然而许多 土工建筑物的破坏，与的抗拉特往有关：高士褥埂心墙由于沉降变形，产生 拱效应，出现拉裂缝；土坡滑动前，坡顶上几乎都先产生裂缝，坍塌、泻流等 莺力侵蚀发生前，体表猫上亦先产生甏缝，这您裂缝裰据产玺梳理可分为剪 切裂缝和披裂缝，且拉裂缝通常为张开裂缝，对建筑物的危害更大，可见土的 抗拉特性辩土工建筑物的稳定往影响很大。近年来，随若经济酌诀速发籁，公 路、机场、高士西坝的修建蓬勃必起，产生裂缝的土工建筑物逐渐增多，在研 究这些裂缝的产攮原因和裂缝簸璃方案静设计审，对豹抗拉特性瓣正确诀谖 和抗拉强度指标的正确测爨越来越显得重要。 土体静开裘燕指体在一定的应力状态下发生繇蘩 谈环。最簇鳖豹辩装酸 坏形式是絷形试样在轴向拉伸力作用下达到破坏时产生贯穿裂缝，试样断裂为 两部分。遂稀酸舔方式饔士俸靛赘韬谈舔方式楚举福同的。蓠者产生张嚣静袈 缝，后者在破坏时可能产生剪切破坏面，但剪切面两侧土体仍然是连结禚一起 鹩。隽了深入遣磷究窝解决主体瓣并裘阁惩，除了焘要掌撵俸戆各令部位静 变形和应力分布及发展情况外，还要通过各种试验方法来研究土体受拉状态或 复杂应力状态下产生拉 奉蒋 牵长辩静特健。主豹成分察缭梅复杂多交，纛晕牵类 繁多，其力学性能与钢材、混凝士、岩石等材料有很大麓异。在压力作用下， 卷石帮混凝主表联为脆毪玻坏，镄搴| 多兔漉塑鞠骜餐簸环，都鸯糖黠较裹豹强 度，而土却表现为变形。在拉力作用下，钢材具有较高的抗拉强度，岩荫和混 凝主豹魏授强度虽然提霹箕抗嚣强度只鸯嚣势之+ 左右，疆笼霹毽锯然誉夺， 而土的抗拉强度却很小。对于砂性土而育，其抗拉强度几乎等于零，粘饿土随 携瑾状态戆不弱获足k p a 羁建十k p a 。歪麓由于豹挽拉鼹度缀低，瑟竣纛鞍长 的一段时期内，土在受拉状态下的力学特性很少有学者涉足。但随着建设事业 t 体拉伸试验综述及本次试验目的 的发展，工程实际的迫切需要，越来越多的从事岩土工程的研究人员开始探索 这一领域。从上世纪五十年代开始，陆续有不少成果面世。众多的先行者已为 这一领域的研究开辟了道路。 1 2 粘性土拉伸试验的发展历史 直接拉伸法是最早发展的拉伸试验方法。1 9 5 0 年r h a e f e l i m 用冻结端 头的方法做了饱和粘性土的直接拉伸试验，研究了饱和粘性土不同围压下的抗 拉强度和试样的破坏形式。r h g p a r r y ( 1 9 6 0 ) “1 在三轴仪上做了一系列粘 性土的抗拉试验。试验表明土的应力应变特性与超固结比、外部压力的改变以 及排水条件有十分密切的关系。y o g i n d e r 和r i c h a r d ( 1 9 6 8 ) 0 1 介绍了有关粘土 在三轴条件下和平面应变条件下特性对比试验。试验结果表明，在相同的应力 路径下，平面应变给出的强度值较高，应力应变关系更大。a w b i s h o p ( 1 9 6 4 ) “在三轴仪上用围压力产生轴向伸长变形在伦敦粘土上做了排水伸长试验，试验 表明其抗拉强度与h o e k ( 1 9 6 5 ) 修正g r i f f i t h 理论良好吻合。j n a r a i n 和 p c r a w a t ( 1 9 7 0 ) “1 使用径向压裂法，并与无侧限压缩试验进行了对比，试 验表明，随着含水量的增大粘性土的抗拉强度降低，土的柔性增大。v d a s h ( 1 9 7 2 ) “1 用粘结端头的方法做了土的拉伸试验，提供了试件的破坏形式和应力 应变曲线，试验表明饱和固结粘土的抗拉强度随固结围压力的增加和含水量的 减小而增大。这一关系是非线性的；拉伸强度随粘粒含量的增加而线形增大， 试件在断裂时是突然的。断面垂直于加载轴线。f a n g 和c h e n g ( 1 9 7 2 ) ”1 提出用 轴向压裂法进行土的抗拉试验，提出了一些影响试验成果的因素，如试样的尺 寸、加荷速率、土的类型等。清华大学( 1 9 7 3 ) 叫嘲用化学粘合剂粘结试件端部 的方法，以矩形等截面试件对粘性土做了抗拉特性试验，同时做了土梁弯曲试 验进行结果比较。对比的结论认为前者的可靠性高于后者。前者的抗拉强度、 破坏拉应变相对略小，变形模量两者接近。k r i s h n a y y a 和e i s e n s t e i n ( 1 9 7 4 ) “”在径向压裂试验中设计一种特殊的电测工具，使径向压裂法不仅可以测出粘 性土的抗拉强度，还可以测出其应力应变关系曲线。试验结果表明粘性土的抗 拉强度是很低的，特别是对于中塑状态的土，其抗拉强度在设计中可视为零。 当含水量超过最优含水率时，应变有显著增长，而抗拉强度将会大大降低。低 塑性土因含水量增大而而产生的抗拉强度的降低远大于同等条件下的高塑性 2 四川大学硕士学位论文 土。k e z d i a ( 1 9 7 4 ) “”做了单轴拉伸试验和土粱弯曲试验以测定不同相组成 的糕娃瓣抗拉强度和雅界( 开裂) 剪应变。a a j a z 和p a r r y ( 1 9 7 5 ) “2 1 做了 蠢接拉伸、土粱弯曲和无侧限压缩试验，他们研究了从较低含水薰到最优含水 量区闽嚣季申牯性土豹抗拽强度和威力应交特性，掰种的试验结果都显示出应 力应变曲线在低葡裁段为线性，程较高葡簸段为j 隧性；拉伸时的割线禳鳖明 最大于压缩割线模量。沈新慧“”通过对一种红粘拨土的单轴拉伸、径向艨裂、 空心圆柱j 立伸和觅侧限压缩试验，对压实粘性士的抗拉强度特性进行了研究。 在研究含水量范嗣内，保持含水鬃不变，千容重的变化对抗拉强度的影响，及 保持干容蓬不变，含水蠢变化对抗拉强度的影响。实心溺柱拉伟试验表明，在 研究压力范围内，有效应力抗拉强度与总应力抗披强度之间强度甚为接邋。该 土样的直接拉伸强度、间接拉伸谶度、无衡限抗聪强度乏闯的眈德均为辩数。 试验表明，摩尔库仑强度理论对土的抗拉是不适合的，而对总应力抗拉强度是 否适合还肖待研究。周鸿迳( 1 9 8 4 ) “”傲了秸往_ 的三轴缒 牵试骚，结暴袭耀， 试样的破坏表现为纯拉断、先剪切伸长厩拉断、纯剪切三种形式。当作用于试 样的围压力不同，得到的断裂强凌也不弼。v n g e o r g i a n n o n 等( 1 9 9 0 ) 8 ” 做了粘性土的不排水三轴压缩和拉伸试验，试验结果表明，随着粘粒含爨的提 离，不撵承抗拉强度和掇限拉律成交都骥箍增加。 3 粘悛主拉伸试验方法简介 由上节可知，土抗拽强度试验的方法很多，遮些方法多数是由脆性材料( 岩 稿、混凝土等) 的抗拉试验延 串蕊来熬。蠢蓠。较秀鬻麓静主静抗拉强发试疆 方法可分为两大类：直接拉伸试验和间接拉伸试验。 1 3 。1 宣接拉伸试验 壹接菠弹法叉莓努麓嚣释：革辘弦 率帮三辅控 睾。 ( 1 ) 单轴拉伸 就法逶鬻使用专门翻造魏夹美或臻一定魏糕蘩方法捷试静麓嚣壤嚣定在 加力仪器上，然艏施加轴向拉力。一般悬在无侧眼压力下进行的。该法威力状 态楚攀稿骥，藏暴稳定，哥褥裂试撵受控谗获态下耱鑫_ 鸯盛变关系噩疑线、抗 4 立强度和极限拽成变以及试样的拉伸变彤模量等。 土体拉伸试验综述及本次试验目的 ( 2 ) 三轴拉伸 一般利用三轴仪进行，将试样放在压力室中，先施加围压力固结，待试样 固结后开始加载。加载有两种方式：保持围压力不变，逐渐减小试样的轴向 压力；保持轴向压力不变，逐渐增大试样的围压力。 1 3 2 间接拉伸试验 间接拉伸试验是假定土的应力应变关系为某种数学模型( 一般为线弹性或 弹塑性) ，基于这个假设，用理论公式求出抗拉强度。常见的间接拉伸试验有以 下几种： ( 1 ) 土梁弯曲法 将士样制成条状的矩形截面土梁，在底面简支，顶面逐节施加压力。梁的 底部产生拉应力，顶部产生压应力。裂缝从底部拉应力最大的部位出现，然后 逐步向顶部扩展，裂缝方向与拉应力垂直。这种方法假设土梁的横断面在弯曲 后仍保持平面，土梁应力应变关系遵守虎克定律，测出土梁的饶度，用材料力 学公式计算土梁受拉边缘的拉应力和拉应变。 ( 2 ) 径向压裂法( 巴西劈裂法) 将土样制成圆柱体、立方体或梁等形状，沿中轴或对角线加荷，将试样劈 为两半。测出最大荷载，假设应力应变关系为线弹性计算土的抗拉强度。 ( 3 ) 轴向压裂( 双面冲压法) 将土样制成圆柱状，在圆柱两端通过刚性衬垫施加轴向荷载，将试样劈裂 为若干瓣，测出最大荷载，按塑性理论计算抗拉强度。 ( 4 ) 空心圆柱法 将土样制空心圆柱状，在有侧限压力或无侧限压力条件下，在圆柱的内壁 施加静水压力，使试样产生拉应力直至被拉裂。测出最大荷载，假设应力应变 关系为线弹性计算土的抗拉强度。 ( 5 ) 圆盘弯曲拉伸试验“” 该方法在岩石抗拉强度测试中有应用，目前还没有用此法测量土体抗拉强 度的研究论文。该试验方法是2 0 世纪5 0 年代中期前苏联学者提出来的。用钻 孔岩芯加工成薄圆盘状试件，放于环状支座上，并于上表面施加环状均布荷载。 根据弹性理论计算试件的抗拉强度。 4 霆翊大学矮圭攀像逾交 4 当翦需要瓣决的主要湖题及本次| 戎验的目的 扶已发表的文献来看，薪入的磷究主装集中在主俸抗拉强度毽豹测量上， 而对其在受拉状态下的应变特性较少涉及；在对土的抗拉强度测定方面，土料 含水量、颗粒缴西己等条件的燮化范围往往较窄，难以较全面的研究邀些因素对 荚獍拉强褒熬彩旗；主豹耪类基本上都楚缝糖毪主，对工程孛较秀露楚豹薅矗 土鞍少研究；在土样的加荷方式上，基本上都是采用次加载。但实际上无论 对予公路。机场跑道基础下土体或是土石坝体内及基础下的土体，都存在反复 麴鼹载熬揍嚣；在三轴拉 枣试验中，由予藏力坟态复杂，破坏规理蚕痰敞麓摹 的控伸破坏来解释，应进行深层次的探讨：粘往土的抗投强度试验方法有多种， 由于试验手段和理论假设不同，得到的结果有一定的出入，有必要谯各种方法 之潮建立一定的类比关系：髓且随着力学的发展，人们对土体在受压下的剪 褥疆环认识较凳深入，著摄臻7 主俸豹抗蒡强度臻鄹，毽茸兹鸯建，久l j 对主 体在受拉状态下，土体的破坏准则并没有得到统一的认识。总之，谯土的拉伸 试验研究中，遥存在许多急待解决的问题。 本次试验遽过薅苓司主瓣五耱萃霹方法蕊试验磷究，叁在磅究主髂撬拉强 痰的影响因素、不同测定方法之间的关系以及探讨粘蚀的断裂机珊，建立粘 性土在受拉条件下的破坏准则。 土体拉仲试验研究 2 土体拉伸试验研究 本章使用五种试验方法：单轴拉伸、三轴拉伸、径向压裂、轴向压裂、土 梁弯曲，分别对丹棱土和昔格达土进行拉伸特性的综合研究，其中主要涉及以 下内容：土料受拉条件下的应力一应变关系；含水率、干密度pd 等因素对土抗 拉强度、极限拉伸应变、应力一应变关系的影响；各试验方法成果之间的对比关 系等。 在本论文的论述中记拉伸应力为( y l ，拉伸应变为el ，抗拉强度为o l ，抗 拉强度对应的拉伸极限应变为极限拉伸应变e 。 2 1 土料情况 试验所用土料有两种：丹棱土、昔格达土。丹棱土为四川省眉山市丹棱县 枫落山坪塘坝体整改工程所用的坝体填筑料，为普通的黄色粘性土，在本论文 中定名为丹棱土；昔格达土取自四川省攀枝花市，为某土石坝心墙料。其中昔 格达土按照取样地点和工程性质不同又分为四种不同编号，编号为昔3 - 7 6 。 土料的基本物理力学性质见表2 - l 2 3 。表2 1 中昔格达土物理性质均为 原土的性质，表2 2 和2 3 中昔3 和矿为原土加风化砂( 加砂比例分别为8 ：2 、 7 ：3 ) 后混合料性质。单轴拉伸试验中使用的昔3 和矿为加砂后的混合料。 表2 - 1土的物理性质 界限含水率( )颗粒分析( ) 比重 土料0 0 5 土的名称 g - s lpi p o 0 5 0 9 9 ，i 篾明鼹二次多项式来反驶竣轴拉傍试验测定的性o 。一pd 关系是余理 豹。由予嚣耪不丽主辩缝有穗阉酌a 。隧pd 增大褥增大的趋势，这耱趋势不因 土性的改变而改变。因此可认为这是粘性土固有的抗拉特性。 2 2 5 4 极限拉伸应变的变化规律 ( 1 ) 在控制干密度pd 条件下，极限拉伸应变e 。随着含水率u 的增加而 增大，见图2 1 1 。丹棱土( ) = 1 4 o 时对应。= o 3 4 9 ，= 2 8 o 时对应。= o 5 4 7 ) 昔格达6 土= 1 3 o 时对应ef = o 5 1 6 ，= 3 0 5 时对应。= o 7 1 4 ，两种土料 在试验的pd 范围内e 。分别相差1 5 6 、1 3 8 倍。 ( 2 ) 在控制含水率条件下，极限拉伸应变e 。随干密度pd 的增加而增 加。详见图2 1 2 。丹棱土pd = 1 3 4 9 c m 3 ，对应e 。= 0 3 5 4 ，pd = 1 6 4 9 c 3 ，对应 e 。= o 5 2 3 ；昔格达6 0 土pd = 1 1 8 9 c m 3 ，对应。= 0 3 6 5 ，pd = 1 4 8 9 c m 3 ，对应 e 。= o 7 5 6 。两种土料在试验的pd 范围内e 。分别相差1 4 8 、2 0 7 倍。 2 2 5 5 割线拉伸模量b 。的变化授律 为定量描述t od 和m 对土料拉伸应力o l 应变el 关系曲线的影响，引入曲 线的割线拉伸模量e i ，即曲线起始点与峰值点之间的直线斜率。各状态下拉伸 应力a l 应变l 关系曲线的割线拉伸模量e t 结果见表2 - 6 ，其变化趋势见图 2 1 3 、2 一1 4 。图2 1 3 、2 1 4 中割线拉伸模量显示了与抗拉强度相近的变化趋势。 表2 _ 6 不同状态下的割线拉伸横量 丹棱pd ( g e r a 3 )1 3 41 4 01 4 61 5 21 5 81 6 4 - t - 模量e l ( m p a )3 7 2 6 3 74 0 97 6 88 5 81 1 5 6 昔格pd ( g e r a 3 )1 1 81 2 41 3 01 3 61 4 21 4 8 达6 模量e t ( m p a )6 2 05 7 77 6 98 6 08 5 l1 1 2 3 丹棱( )1 4 01 7 22 0 42 3 62 5 82 8 h 土 模量b ( m p a ) 9 8 01 2 0 91 0 7 l7 6 84 5 22 3 0 ，- 昔格( )1 3 o1 7 0 81 9 92 3 3 52 7 23 0 5 达6 。模量e l ( m p a )1 1 0 81 2 5 4“1 8l o 2 28 5 l4 8 8 土体拉伸试验研究 不同粘性土( 昔3 矿) 在最优含水率o p 和最大干密度pd 。条件下抗拉强 度见第四章“填土的断裂机理”。 2 2 6 小结 ( 1 ) 土体在单轴拉伸条件下，拉裂破坏具有突然性，破坏面基本垂直于 加荷轴，沿主应力面发生。典型的拉伸应力a r 应变el 关系曲线见图2 - 3 ，曲 线大致可分为三段：弹性段、塑性屈服段和断裂破坏阶段。土体的干密度pd 和 含水率对土体拉伸应力o l 一应变8l 关系曲线影响很大。 ( 2 ) 在同pd 条件下，粘性土的抗拉强度0 。随含水率u 增大先增大后减 小，为一单峰曲线。0 。最大值对应。低于击实试验。o p 。随m 增大，极限拉 伸应变e 。增大，拉伸应力a l 一应变el 关系曲线变缓，曲线的割线拉伸模量e e 降低。但是，当太小时，b 会降低( 丹棱土= 1 4 ，昔格达矿= 1 3 时) 。 ( 3 ) 相同m 条件下，粘性土的抗拉强度0 。随干密度pd 增大而增大，可 用二次多项式反映这种变化关系；随千密度pd 增大，极限拉伸应变e 。增大， 拉伸应力o r 应变e 。关系曲线变陡，曲线的割线拉伸模量e l 增大。 2 3 三轴拉伸试验 为研究粘性土的断裂机理，建立相应的断裂破坏准则，采用三轴拉伸试验 对丹棱土进行了四组不同围压下的三轴拉伸试验。 三轴拉伸试验是在侧向压力条件下进行的拉伸试验，其加荷方式有两种“1 。 ( 1 ) 在一定的围压下使试样固结，然后保持轴压不变，逐渐增大围压，直 至试样破坏，其简图见图2 1 5 ( b ) ； ( 2 ) 在一定的围压下使试样固结，然后保持围压不变，逐渐减小轴压，直 至试样破坏，其简图见图2 1 5 ( c ) 。 从试样破坏方式上看以上两种均为试样被挤压伸长破坏。本次试验采用第 二种加荷方式。 2 3 1 三轴拉伸断裂强度的计算 见公式( 2 3 ) 。 1 4 四川大学硕1 一学位论土 + 图2 - 1 5 三轴拉伸试验装置及受力简图 2 3 2 试验内容及目的 ( 1 ) 研究围压对试样破坏强度以及破坏形式的影响； ( 2 ) 研究粘性土断裂机理并建立粘性土断裂准则。 试验设计围压为0 ( 单轴拉伸试验) 、5 0 、1 0 0 、2 0 0 、4 0 0 k p a 。 2 3 3 试样及试验仪器 土料选用丹棱土，试样的控制状态为pd = 1 5 2 9 c m 3 ，( i ) = 2 3 6 。试验装置 见图2 1 5 ( a ) ，其余同单轴抗拉试验。 2 3 4 试验步骤 ( 1 ) ( 4 ) 步同单轴拉伸试验； ( 5 ) 将试样从击实卡具上取下，安装好上盖，拆除四瓣膜，套好橡皮膜， 将其固定到三轴仪上，在安装时注意试样的对中，避免对试样的扰动。 ( 6 ) 装上压力罩，将拉杆与试样帽、拉杆与量力环连接好； ( 7 ) 旋开排气孔，向压力室充水； ( 8 ) 开围压阀门，施加所需的围压。设计围压分别为0 、5 0 、1 0 0 、2 0 0 、 4 0 0 k p a ，围压为0k p a ，就是单轴抗拉试验； ( 9 ) 旋转手轮，调节量力环上百分表。打开排气阀记下读数，将试样固结 8 小时后进行试验； 上叫 l t o ( ( 十体拉伸试验研究 ( 1 0 ) 安装测位移的百分表，并将百分表读数调整为整数，设定试验速率： ( 1 1 ) 开上马达，接上离合器对试样施加拉伸位移。每分钟记录百分表读 数一次，注意捕捉峰值： ( 1 2 ) 当出现峰值后，继续拉伸适量的位移后关闭马达和围压阀，拔开离 合器，倒转手轮，打开排气孔，排去压力室内的水，拆除压力罩； ( 1 3 ) 拆除试样，观察破坏断面并做好试验记录。整理试验数据，计算试 样的抗拉强度。 2 3 5 试验结果与分析 2 3 5 1 试样破坏形式的描述 根据对本次三轴拉伸试验试样的破坏形式及其变形发展过程的观察，并结 合前人试验成果“”“”，认为三轴拉伸试验中试样的破坏有下面三种不同的形式： ( 1 ) 纯拉断 当试样的强度较大，试验的围压力o 。较小时进行轴向卸荷，将发生纯拉断 破坏。试样断裂面呈水平，整个断面粗糙不平，在拉断处的试样四周保持平直、 无收缩。本次试验围压0l 为5 0 k p a 以及单轴拉伸试验( 即围压为0 ) 时表现纯 拉断的破坏形式。图2 1 6 ( a ) 显示纯拉断的典型形式。 ( 2 ) 先剪切伸长后拉断 在较大的周围压力0l 下进行轴向卸荷，这时将发生先剪切伸长后拉断的破 坏形式。在卸荷刚开始的阶段。试样伸长变形不显著，并且试样四周保持平直( 即 没有凹槽) ，卸荷至一定数量后试样侧面出现一圈缝隙，随着卸荷的进展缝隙加 宽加深，伸长变形增加较快。在拉断之前试样侧面发生了一圈凹槽，最后沿凹 槽断裂。断裂面靠试样边缘的部份为倾斜的面，且与水平面呈小于4 5 。的倾角， 斜面表面光滑，并有剪切痕迹，试样断裂后，中间呈水平状且粗糙不平部份的 面。本次试验围压0l 为l o o k p a 时表现为这种过度型的破坏形式。见图2 - 1 6 ( b ) 。 ( 3 ) 纯剪切 当周围压力o 。为更高时，随着卸荷进展，环状楔体将楔人土柱更深，边缘 剪切部份的面积将更大，中间受拉断裂的面积将更小。当围压ol 高达某一值时， 剪切破坏的部份将贯通全断面。不再有受拉断裂的破坏形式存在，此时呈单纯 的剪切破坏。本次试验围压o 为2 0 0 、4 0 0 k p a 时表现纯拉断的破坏形式。见图 1 6 四川大学硕士学位论文 蝈圈禽 图2 - 1 6 三种拉伸破坏彩式 从以上的描述来看，三轴拉伸试验的破坏形式比较复杂。一方面，三轴拉 伸试验与三轴压缩试验一样，可用以研究土的变形及抗剪强度特性，特别是研 究粘性土在拉伸条件下的变形与强度特性。这方面的工作，在国外以有一些报 导，如巴拉苏勃拉曼宁( a s b a l a s u b r a m a n i u m ) “”等曾对一种风化的曼谷粘士在 三轴拉伸下( 包括卸荷与增荷两种情况) 的变形与强度特性作了较详细的研究。另 一方面，由于土的抗压强度较高而抗拉强度甚低，使得三轴拉伸试验与三轴压 缩试验又有所不同，其不同之处在于以下两点：在三轴压缩条件下，当大小 主应力相等或接近相等时，即使其值都很大，只要其差值不大，土中剪应力就 很小不会发生破坏。但在三轴拉伸条件下，情况就不同，由于土的抗拉强度 甚低，因而可以在土中剪应力很低的条件下发生纯拉断破坏。在三轴压缩条 件下，剪切面必须贯穿全断面才破坏；而在三轴拉伸条件下，剪切面从试样侧面 开始发生，随着卸荷而逐渐向试样内部发展，不待剪切面发展到全断面，中间 部份已因拉应力超过抗拉强度而断裂，形成先剪切并伴随伸长最后拉断的形式。 正因为具有上述特点，三轴拉伸试验在一定条件下可以用来测定粘性土的 抗拉强度。 周鸿逵“”对通过对先剪切伸长后拉断的几个试样的变形发展过程的仔细观 察，得到以下的看法：随着卸荷的进展，首先发生的是试样周边部份的剪切， 在试样侧壁产生两组剪切面，形成一圈滑动楔，在周围压力作用下向试样内部 楔人( 此时橡皮膜紧贴) ，使试样侧壁上形成一圈凹槽。在楔入时产生一对劈力， 使作用在试样中间部份的压力减小，并引起相应的伸长应变。随着卸荷的继续， 滑动楔随之增大，受剪切的部份逐渐向试样内部发展，而中间部分的面积逐渐 1 7 土体拉伸试验研究 减小，由楔人产生的劈力却逐渐增大，因而使作用在中间部份的压应力逐渐减 小，以至转变为拉应力。这一过程的继续发展，中间部分所受的拉应力不断增 加，一直发展至中间部分被拉断。从发展过程来看是先剪切伸长后拉断，而从 最后的破坏形式来看，表现为边缘部份为剪切破坏( 可以看到剪切的特征) ，中间 部份则为拉断破坏( 可以看到断裂的特征) 。周围压力越大则剪切的作用越大，拉 断的作用越小，破坏时破坏面上具有断裂特征的中间部份的面积越小。 当作用的周围压力进一步加大，拉断的作用将进一步减小。最后将在某一 个足够大的围压下进行轴向卸荷时，破坏形式将转为纯剪切。发生纯剪切破坏 形式的三轴拉伸试验不能用来测定土的抗拉强度。 2 3 5 2 试样破坏强度 试样在三轴条件下拉伸破坏强度见表2 7 。 围压o l ( k p a ) o5 01 0 02 0 0 4 0 0 1 破坏强度o 。( k p a ) - 3 6 52 3 11 7 88 17 5 由上表知，当作用于试样的围压0 不同，试样的破坏强度也不同。当围压 o ，较低，试验的破坏强度0 。为负值，破坏面上为拉应力；随着0 - 的增加，达 到断裂时的拉应力将减小当o 增加到某一值后，断裂时的轴向应力将从拉应力 转变为压应力，并随o 。的继续增加，断裂时的压应力亦将随之增加。 2 3 s 3 破坏应力圆 将三轴拉伸试验断裂时的二个主应力0 。和o 。( o 。) 画出莫尔应力圆如图 2 1 7 所示。图中直线为同一试样m o h r - c o u t o m b 强度包线。今假定试样的抗剪 强度参数可用于三轴拉伸试验，并将其与断裂应力圆相比较。可以看出，当周 围压力0 = o 及o 。= 5 0 、l o o k p a 时的应力圆全部在m o h r - c o u l o m b 强度包线以下， 说明在这种情况下，土样中的剪应力较低不足以发生剪切破坏。当o1 = 2 0 0 、 4 0 0 k p a 时，作出的断裂应力圆己与强度包线相割，将发生剪切破坏。 四川大学硕士学位论文 ； 蒸气 。 啄 图2 - 1 7 三轴拉伸试验破坏应力莫尔应力圆 由于三轴拉伸试验的围压比轴压大，试样是在高围压下固结，低轴压下破 坏，由于固结作用使得试样的抗剪强度参数要比一般的三轴压缩试验高，因此 oi - 2 0 0 、4 0 0 k p a 时。作出的断裂应力圆均与强度包线相割而不是相切。周鸿逵 “对某土坝心墙原状土的三轴拉伸试验发现这种固结作用更明显。周鸿遣试验 结果奠尔应力圆见图2 1 8 。 乍 一 2 ， 彳 一， 口盯f j， f ，附 图2 1 8 周鸿逵试验莫尔应力圆” 23 6 小结 ( 1 ) 随着围压ol 的不同，粘性土试样的破坏的形式不同，可分为：纯拉 断、先剪切伸长后拉断、纯剪切三种破坏形式： ( 2 ) 围压ol 较小时，逐渐减小轴压o3 ，土体发生纯拉断或先剪切伸长后 1 9 土体拉伸试验研究 拉断的破坏形式，此时试样破坏时oi 、o3 关系不符合m o l a r c o u l o m b 准刚，当 围压较大土体发生纯剪切破坏形式时，土体破坏强度遵循m o h r c o u l o m b 准则， 但抗剪强度参数比三轴压缩试验的参数稍高。 2 4 径向压裂试验 径向压裂试验，又称巴西劈裂试验，最初是用于测定混凝土和岩石试样的 抗拉强度，后被用到测定土的抗拉强度。由于该法简便易行，制样与压缩试验 相同，使用现有的三轴剪切仪或承载t b 试验仪即可进行，而且成果重现性较好， 比直接拉伸法和土梁法稳定，因而成为一种重要的土的抗拉强度试验方法。 2 ，4 1 径向压裂试验的理论基础 径向压裂法按试样的形状和加载方式可分为四种测定方式，试件形状有圆 柱体、立方体和梁三种；加载方式有沿圆柱直径、立方体和梁中轴线和立方体 试件对角线破坏三种形式。各种形式的测定方式都是将试样在压力作用下劈开 ( 具体见图2 - 1 9 ) 。抗拉强度o 。通过间接计算得到。 商 由由 ( b )( c ) ( d 】 图2 - 1 9 径向压裂法四种压裂方式 径向压裂法测定材料抗拉强度是基于材料线弹性的假设推导而得的。其理 论推导如下n 7 m ”： 考虑在圆周任一直径上两点a 、b 受力大小相等、方向相反的力q 作用的 2 0 嚣强大学蘸士学证谚文 _ = 柱，将其放在半无限域中，上边界与a 相切，如闰2 2 0 所示。在圆周直径a 、 b 施加一对集中荷载q 俸厢时，在整个平面内会产生肇一的拉应力。这个阏题 兹鬓薄由磁令蒸奉豹弹矬应力分毒递热瓣求。 ( a ) 串援瘗豹应力( b ) 二作用力叠翩 鬟2 - 2 0 试骏受力势辑凰 。! 翌_ 基本弹性戍力分布假设为： ( 1 ) 第一个基本弹佳应力分布蹩由一个俸雨予厚度为t ，雨其它各边都滗限 筵 奉熬平投上熬集中力产生熬。在弹性力学理论中，这个瓣瑟豹解就是著名豹 包辛格解( b o u s s i n s s q ，1 9 8 2 ) 。距a 点r 处c 点径向鼷力为： 仃：翌c o s _ _ _ 6 6 ( 2 4 ) 瘿， 以d 为壹经做嬲与乎板的边切予a 点，则圆周上任一点d 的径向压力按式 2 4 成为： d ：望堂堕：笙( 2 5 ) 嬲d c o s 6r i d 在圆周上备点除加载点a 外威力均相同，于p 点取一个三角单元，由力的 平衡条件得到作用在圆周上的压应力为： 口：翌c o s 0 ( 2 6 ) 4 z j d 将该圆盘自平板中取出，并在直径的两端a 、b 点施加相同的集中力q ， 细图2 2 0 ( b ) ，弱按式2 - 6 在蓠蜀t 作稻着溪韩威力，酃： a d 方翔：q = 丽2 q i r ( 2 - 7 - a ) 士体拉伸试验研究 沿b d 方向：o r 一2 _ q _ q 罢( 2 7 山) 刑dd 这两个应力与a d 和b d 成比例关系，可用应力平行四边形表示。于是， o ，和o ，1 的合力o d = p ：2 q l d ，通过圆心0 ，且为常数。因而，两个集中力 叠加在一起，就相当于沿圆周形成均匀的指向圆心的径向压力2 q l d ，而圆盘 内任意单元，如e 点就承受两个径向应力。 ( 2 ) 第二个基本弹性应力是围绕圆周作用的均匀拉力p - 一2 q nl d ，则在圆 盘内任意单元的任何方向形成均匀的双轴向拉应力： p ：- 2 _ _ q _ q ( 2 8 ) 丑埘 把上述两个基本应力叠加。于是，沿圆周上的_ 2 q 丌l d 相互抵消，可以 按式2 4 ，2 - 5 计算圆盘内任意点的应力。例如，沿直径a b 上任点，对于直 径上点有0 = 0 。，即c o s0 = c o sol = 1 ，于是该点的垂直应力分量为压应力，水平 应力分量为拉应力，其大小分别为： 垂直应力分量： 疋：以：丝三+ 丝上一罢：丝f ! + 旦一11 ( 2 _ 9 ) 耐 r 耐d 一，删 n l d ir d r j 1 ，、 水平应力分量：q = d r e = 一号号 ( 2 一l o 径向压裂法试验就是按照式2 1 0 计算试件的抗拉强度。 以上是基于理想的弹性状态的解法。通常为防止受集中力部位过旱破坏， 常在试件和平板间加1 1 2 d 宽的垫块。在这种状态下。在试件中部四分之三直 径内应力分布保持为0 。，当在垫块下的部位应力分布骤变为1 8 倍于此值的压应 力。如图2 2 1 ( a ) 所示a 假设在2 a 宽度内压应力分布是均匀的如果2 a 0 4 6 3 吕 其平均值：o r , = 0 4 7 6 兰；o 7 5t m ( 2 1 4 ( c ) ) dn l d 上述结果表明，与弹性理论推导和弹性有限元计算所得的结论一致。因此 认为，应用式2 一1 0 计算径向压裂法试验的抗拉强度是简便准确的。 根据n i l s s o n ( 1 9 6 1 ) 关于径向压裂法用于混凝土材料的报告，圆柱体试件 在试验中得到的结果比其他形式的试件更为稳定。 2 ，4 2 垫条对试验结果的影响o ” 在岩石劈裂法试验中国内外学术界和工程界对是否加垫条、加何种垫条已 有一些研究，但比较试验资料尚不够多，有些试验规范也不对此作硬性规定。 杨同口1 1 等采用如下垫条方式对其影响做了研究。 ( 1 ) 不加垫条( 直接压) ，使试样与承压垫块直接接触。这种方法最为简 便国内外的矿业部门规范常用此法。 ( 2 ) 弧形压模，国际岩石力学学会( i s r m ) 建议用特制的弧形压模进行加 载其与试样接触的上下压模的弧形半径为圆盘岩石试样半径的1 5 倍。这种方法 需先加工特制的弧形压模，且对试样直径有严格限制。 ( 3 ) 硬纸板垫条，属于软垫条，厚o 8 m m 宽4 r n m 的硬纸板。 ( 4 ) 塑胶板垫条，属于软垫条，厚2 r a m 宽4 m m 的塑胶板，试验中明显 加大岩石试样与承压垫块的接触面积。试验后塑胶板已变形压扁且粘附于附样。 ( 5 ) 加钢丝，属于硬垫条，直径2 m m 的钢丝须事先用9 1 4 胶粘于试样上 加载时在试样对中方面仍有难度，为所有方法中最困难的一种。 ( 6 ) 除试样形状为方盘外其余与5 相同。 图2 2 2 为上述方案的加载示意。 嚣矧夭学蘸士攀挝论文 pppp p 宰申宰幸宰审 p ppp pp 萃细整囊 婚压鬟爱羝鬟蛰条姐坟蠢奠基 0 加鲴篁蝌簟( 挂) 霭2 2 2