孫緯宇，梁慶國，嚴(yán)松宏，歐爾峰，邵森林

（1.蘭州交通大學(xué)甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070）

陜西延安Q2原狀黃土抗拉強度試驗研究

孫緯宇1，2，梁慶國1，2，嚴(yán)松宏1，2，歐爾峰1，2，邵森林1，2

（1.蘭州交通大學(xué)甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070）

對陜西延安新寶塔山隧道Q2原狀黃土進行了不同加載速率的無側(cè)限抗壓與貫入抗拉試驗，研究了Q2原狀黃土抗壓與抗拉強度的影響因素。結(jié)果表明：加載速率對寶塔山Q2原狀黃土抗壓和抗拉強度影響較大，抗壓強度與抗拉強度隨加載速率增大而增大；高徑比對抗拉強度也有較大影響，試驗時當(dāng)高徑比控制在1.0左右時，高徑比對寶塔山Q2原狀黃土的抗拉強度影響相對較小，因此采用軸向壓裂法測量黃土的抗拉強度時，高徑比宜控制在1.0；在試驗加載速率范圍內(nèi)，加載速率對寶塔山Q2原狀黃土的壓拉比影響不大，其壓拉比在9.88～13.68范圍內(nèi)變化。

Q2原狀黃土；抗拉強度；加載速率；壓拉強度比

0 引言

由于土工建筑物的承拉能力較低，其抗拉特性常常被人們忽視。然而許多土工建筑物的破壞與土的抗拉特性有關(guān)，如土坡滑動前坡頂幾乎均先產(chǎn)生拉裂縫，坍塌、瀉流等重力侵蝕發(fā)生前土體表面亦先產(chǎn)生拉裂縫，可見土的抗拉特性在土工建筑物穩(wěn)定性分析中非常重要［1］。黃土抗拉強度的測試實驗有多種，主要包括彎曲梁試驗、棱鏡劈裂試驗、立方對角劈裂試驗、軸向拉伸試驗、煤球試驗、立方側(cè)向劈裂試驗和缸劈裂試驗等［2］。在國內(nèi)，駱亞生等［3］研究了不同含水量和不同干密度下黃土的抗拉強度；刑義川等［4］研究了含水量、干密度、飽和度及基質(zhì)吸力與黃土抗拉強度的關(guān)系；黨進謙等［5］研究了非飽和土的抗拉強度；孫萍等［6］基于單軸拉伸實驗研究了黃土的抗拉強度及其破裂過程的數(shù)值模擬方法；李寶雄等［7］對蘭州馬蘭黃土的物理力學(xué)特性進行了研究。沈忠言等［8］通過凍結(jié)黃土抗拉強度的試驗研究得出了拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變過程，視荷載作用的快慢大致可分為粘彈—塑性、粘—彈性和脆性破壞3類；同時對凍結(jié)黃土的抗拉、抗壓強度進行分析比較后指出，其比值為0.44～0.63。

以往有關(guān)黃土的研究主要集中在濕陷性、水敏性和強度特性上，而對原狀黃土拉壓比特性及對原狀黃土拉壓強度影響因素的研究較少。本文對陜西寶塔山Q2原狀黃土進行室內(nèi)三軸壓縮試驗、無側(cè)限抗壓和抗拉試驗，研究加載速率對無側(cè)限抗壓與抗拉強度的影響、高徑比對原狀黃土抗拉強度的影響以及原狀黃土的壓拉比特性。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 土樣來源及其物理特性

土樣取自陜西延安新寶塔山隧道DK502＋655處、埋深約為100 m的上臺階中部，為了盡量減少對土樣的擾動，試樣在現(xiàn)場制成直徑100 mm、高150 mm的圓柱體，標(biāo)明上下方向，用塑料紙和膠帶包好，裝入塑料桶，運回實驗室進行試驗。樣品的基本物理性質(zhì)見表1。

表1 試驗用Q2黃土的物性指標(biāo)Table 1 Physical parameters of Q2loess

1.2 試驗方法及試樣條件

采用無側(cè)限抗壓及軸向壓裂試驗研究黃土的抗壓與抗拉特性，其中無側(cè)限壓縮試驗嚴(yán)格按照鐵路工程土工試驗規(guī)程［9］進行，軸向壓裂試驗按照文獻［2］中所述進行。無側(cè)限抗壓的試樣高度12.50 cm，直徑6.18 cm。試驗?zāi)Ｐ团c實驗裝置見圖1、圖2，其中作為劈裂用的剛性小圓柱高度為2 cm、直徑1.545 cm，采用應(yīng)變控制式三軸儀施加軸向荷載，以測定黃土抗拉強度?？估瓘姸扔嬎愎剑?］：

式中：σt——拉應(yīng)力，kPa；P——荷載，N；K——常數(shù)，取決于試樣穿孔大小和土壤類型，本試驗取1；b——試樣半徑，cm；H——試樣高度，cm；a——圓盤半徑，cm。

圖1 抗拉強度測定模型Fig.1 Model of tensile strength measurement

圖2 試驗裝置Fig.2 The test apparatus

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同速率下的無側(cè)限抗壓和抗拉特性

試驗控制加載速度分別為0.50，0.75，1.00，1.25和1.50 mm/min，軸向壓裂的拉應(yīng)力-貫入深度曲線與抗壓抗拉強度隨加載速率的變化關(guān)系見圖3、圖4。

圖3 拉應(yīng)力-貫入深度曲線Fig.3 Curves of tensile stress vs.penetration depth of loess samples

圖4 抗壓/抗拉強度與加載速度關(guān)系Fig.4 Relation curve of compressive and tensile strength with loading rates

從圖3可以看出，在軸向壓裂試樣破壞之前，貫入深度與拉應(yīng)力有較好的線性關(guān)系，這與Q2原狀黃土的形成歷史有關(guān)。由于其形成年代久遠，且有較大的埋深，所以Q2原狀黃土具有很好的結(jié)構(gòu)性。當(dāng)其抗壓和抗拉均達到極限強度時，試樣突然破裂，且都呈脆性破壞，破壞形態(tài)多為兩瓣或三瓣劈裂。破裂為兩瓣時有較平整的破裂面；當(dāng)破裂為三瓣時，破裂面有的呈螺旋狀；無論破裂為兩瓣還是三瓣，加載柱下均形成了楔形體?？箟浩茐臅r破裂面規(guī)律性不是很明顯，破裂面傾角基本都大于45°＋?/2（?為內(nèi)摩擦角），無側(cè)限抗壓和抗拉破壞形態(tài)見圖5。

圖5 抗壓與抗拉破壞形態(tài)Fig.5 The unconfined compressive and tensile failure pattern

從抗壓與抗拉強度隨加載速率關(guān)系曲線圖（見圖4）可以看出，抗壓強度明顯高于抗拉強度，無論是抗壓還是抗拉，在試驗加載速率范圍內(nèi)其強度均隨加載速率的增大而增大，這與沈忠言等［8］提出的凍結(jié)黃土抗拉強度隨加載速度的變化規(guī)律和吳綿拔［10］提出的加載速率對巖石抗壓和抗拉強度的影響規(guī)律相一致。

2.2 高徑比對黃土抗拉強度的影響

巖石力學(xué)中已經(jīng)有大量有關(guān)尺寸效應(yīng)影響巖石強度的試驗研究［11～12］，而關(guān)于尺寸效應(yīng)對黃土抗拉強度的影響則研究較少。本試驗控制試樣的高徑比分別為0.6，0.8，1.0和1.2，試樣直徑為6.18 cm，故試樣高度分別為3.707，4.944，6.180和7.416 cm；試驗加載速度控制為1.25 mm/min。試驗前后的試樣如圖6所示。從圖6可以看出，不同高徑比下試樣的破壞形態(tài)與圖5所示試樣的破壞形態(tài)基本一致。

圖6 不同高徑比試驗前與試驗后試樣Fig.6 Samples before and after test with different height-diameter ratios

從不同高徑比下拉應(yīng)力與貫入深度關(guān)系（見圖7）可以看出，試樣高度對應(yīng)力達到峰值前的變形特性沒有顯著影響，均能保持拉應(yīng)力與貫入深度呈線性變化，而在拉應(yīng)力達到峰值以后，試樣突然斷裂，試樣再不能夠承載。圖8顯示的是高徑比與抗拉強度關(guān)系，從圖8可以看出，Q2原狀黃土的抗拉強度隨試樣高徑比的增大而降低，高徑比為0.6時抗拉強度最大，高徑比為1.2時抗拉強度最低，也就是說，隨著試樣高度的增加，其抗拉強度會減小。

圖7 不同高徑比下拉應(yīng)力與貫入深度關(guān)系Fig.7 Relationship of stress and penetration depth at different height-diameter ratio

圖8 高徑比與抗拉強度關(guān)系曲線Fig.8 Relationship of tensile strength and height-diameter ratio

以高徑比為1.0作為參考點，用δ＝（σth－σt6.18）×100/σt6.18［13］表示抗拉強度的降低幅度（σth為不同高度時的抗拉強度，σt6.18為高度6.18 cm時的抗拉強度），其關(guān)系曲線如圖9所示。

從圖9可以看出，高徑比從0.6變?yōu)?.0時，抗拉強度值降低了72.02%；而當(dāng)高徑比從0.8變?yōu)?.0時，抗拉強度值降低了22.2%；高徑比自1.0升至1.2時，抗拉強度降低了4.97%。由此可以得出，當(dāng)高徑比在1.0至1.2時，抗拉強度值的變化幅度不大。因此，用軸向壓裂法測黃土抗拉強度值時，試樣高徑比宜取為1.0。

圖9 不同高徑比抗拉強度降低幅度值Fig.9 Reduction of the tensile strength at different height-diameter ratios

2.3 Q2原狀黃土的拉壓比

在混凝土的力學(xué)特性和巖石力學(xué)的研究中，均進行過抗壓強度和抗拉強度比的研究。由于巖土體材料的非均質(zhì)性和不連續(xù)性，對其抗壓強度與抗拉強度比的研究較少。而Q2原狀黃土具有較強的結(jié)構(gòu)強度，因此對其進行抗拉抗壓比的研究是必要的。本試驗對Q2原狀黃土抗壓與抗拉比的研究分別采用了加載速率1.25 mm/min和變加載速率二種方法。

圖10給出了加載速率1.25 mm/min時抗拉強度與抗壓強度之間的關(guān)系。從圖中可以看出，Q2原狀黃土抗壓強度與抗拉強度之間存在較好的線性相關(guān)性。在加載速度為1.25 mm/min時得出的Q2原狀黃土抗壓強度與抗拉強度之比的變化范圍為11.35～13.69（經(jīng)5組抗拉強度和5組抗壓強度試驗后得出的結(jié)論），抗壓強度和抗拉強度之間的關(guān)系可用式σc＝12.565σt表示，其線性相關(guān)系數(shù)為0.8963，具有很好的線性相關(guān)性。

圖11顯示的是不同加載速率下抗壓抗拉強度比值與加載速率之間的關(guān)系。從圖11可得，變加載率時Q2原狀黃土的抗壓強度與抗拉強度之比的范圍為9.88～13.68，其中加載速率為1.0 mm/min時壓拉強度比最小，為9.88，其余試驗加載速率下壓拉強度比隨加載速率的變化不大。由此可得加載速率對Q2原狀黃土抗壓強度與抗拉強度之比影響不大，抗壓強度與抗拉強度之比的變化范圍在9.88～13.68之間。

圖10 1.25 mm/min時抗壓與抗拉強度關(guān)系Fig.10 Correlation of unconfined compressive strength with tensile strength at 1.25 mm/min

圖11 壓拉比與加載速率的關(guān)系Fig.11 Relation between ratio of compressive strength to tensile strength ration and loading rates

3 結(jié)論

寶塔山Q2原狀黃土的無側(cè)限抗壓強度和抗拉強度隨加載速度的增大而增大，加載速度對其無側(cè)限抗壓強度和抗拉強度均有較大的影響。

高徑比對寶塔山Q2原狀黃土抗拉強度有著顯著的影響，當(dāng)高徑比在1.0附近時，抗拉強度值的變化幅度不大，因此，用軸向壓裂法測黃土抗拉強度值時，試樣高徑比宜取為1.0。

寶塔山Q2原狀黃土的壓拉強度比在9.88～13.68之間，加載速度對壓拉強度比影響較小。

由于取樣、試驗和土體本身的差異等原因，這些因素對試驗結(jié)果會有較大的影響，因此，在進行原狀黃土試驗中應(yīng)予以注意。

［1］ 黨進謙，李靖，張伯平.黃土單軸拉裂特性的研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2001，7（4）：44～47.

DANG Jin-qian，LI Jing，ZHANG Bo-ping.Uniaxial tension crack characteristics of loess［J］.Journal of Engineering，2001，7（4）：44～47.

［2］ Fang H Y，Daniels J.Introductory geotechnical engineering：An environmental perspective［M］.London and New York：Taylor＆Francis，2006.

［3］ 駱亞生，邢義川.黃土的抗拉強度［J］.陜西水利發(fā)電，1998，14（4）：6～10.

LUO Ya-sheng，XING Yi-chuan.Tensile strength characteristics of loess［J］.Journal of Shaanxi Water Power，1998，14（4）：6～10.

［4］ 邢義川，駱亞生，李振.黃土的斷裂破壞強度［J］.水力發(fā)電學(xué)報，1999，（4）：36～44.

XING Yi-chuan，LUO Ya-sheng，LI Zhen.The rupture failure strength of loess［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，1999，（4）：36～44.

［5］ 黨進謙，郝月清，李靖.非飽和黃土抗拉強度的研究［J］.河海大學(xué)學(xué)報，2001，29（6）：106～108.

DANG Jin-qian，HAO Yue-qing，LI Jing.Study on tensile strength of unsaturated loess［J］.Journal of Hehai University，2001，29（6）：106～108.

［6］ 孫萍，彭建兵，殷躍平，等.黃土拉伸試驗及其破裂過程仿真分析［J］.巖土力學(xué)，2010，31（2）：633～637.

SUN Ping，PENG Jian-bing，YIN Yue-ping，et al.Tensile test and simulation analysis of fracture process of loess［J］. Rock and Soil Mechanics，2010，31（2）：633～637.

［7］ 李保雄，牛永紅，苗天德.蘭州馬蘭黃土的物理力學(xué)特性［J］.巖土力學(xué)，2007，28（6）：1077～1896.

LI Bao-xiong，NIU Yong-hong，MIAO Tian-de.Physico-mechanical characteristics of Malan loess in Lanzhou region［J］. Rock and Soil Mechanics，2007，28（6）：1077～1082.

［8］ 沈忠言，彭萬巍，劉永智.凍結(jié)黃土抗拉強度的試驗研究［J］.冰川凍土，1995，17（4）：315～321.

SHEN Zhong-yan，PENG Wan-wei，LIU Yong-zhi.Tensile strength of frozen saturated loess［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，1995，17（4）：315～321.

［9］ 鐵道部第一勘察設(shè)計院.鐵路工程土工試驗規(guī)程［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

First Survey and Design Institute.Test methods of soils for railway engineering［M］.Beijing：China Railway Publishing House，2004.

［10］ 吳綿拔.加載速率對巖石抗壓和抗拉強度的影響［J］.巖土工程學(xué)報，1982，4（2）：97～106.

WU Mian-ba.The effect of loading rate on the compressive and tensile strength of rock［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1982，4（2）：97～106.

［11］ 楊圣奇，蘇承東，徐衛(wèi)亞.巖石材料尺寸效應(yīng)的試驗和理論研究［J］.工程力學(xué)，2005，22（4）：112～118.

YANG Sheng-qi，SU Cheng-dong，XU Wei-ya.Experimental and theoretical study of size effect of rock material［J］. Engineering Mechanics，2005，22（4）：112～118.

［12］ 張明，盧裕杰，介玉新，等.不同加載條件下巖石強度尺寸效應(yīng)的數(shù)值模擬［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2011，30（4）：147～153.

ZHANG Ming，LU Yu-jie，JIE Yu-xin，et al.Numerical simulation of strength size effect of rocks under different loading［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2011，30（4）：147～153.

［13］ 梁慶國，趙磊，安亞芳，等.蘭州Q4黃土各向異性的初步研究［J］.巖土力學(xué)，2012，33（1）：17～23.

LIANG Qing-guo，ZHAO Lei，AN Ya-fang，et al.Preliminary study of anisotropy of Q4loess in Lanzhou［J］.Rock and Soil Mechanics，2012，33（1）：17～23.

EXPERIMENTAL STUDY ON TENSILE STRENGTH OF UNDISTUBED Q2LOESS FROM YANAN SHANNXI，CHINA

SUN Wei-yu1，2，Liang Qing-guo1，2，YAN Song-hong1，2，OU Er-feng1，2，SHAO Sen-lin1，2

（1.Key Laboratory of Road＆Bridge and Underground Engineering of Gansu Province，Lanzhou 730070，China；
2.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China）

The unconfined compressive and penetration tensile tests were conducted with different loading rates on undisturbed Q2loess from Baotashan Tunnel in Yan’an，Shanxi，and the impacts on the unconfined compressive strength and tensile strength were studied.It shows that the loading rates have a great impact on the compressive strength and tensile strength，which all increase with the increase of loading speed.The ratios of height to diameter have a great influence on the tensile strength of the Q2loess，when the ratio of height to diameter of the samples is about 1.0，the impact on the tensile strength tends to be relatively small.Therefore，when the tensile strength of loess is to be measured by axial unconfined penetration test，the ratio of height to diameter of the samples should be 1.0.Within the scope of the test loading rates，the loading rates have little effect on the ratios of compressive strength to tensile ratio for the undisturbed Q2loess in Baotashan tunnel，which vary between 9.88 and 13.68.

undisturbed Q2loess；tensile strength；loading rate；ratio of compressive strength to tensile strength

TU 432

A

1006-6616（2015）03-0386-07

2015-01-22

國家自然科學(xué)基金項目“黃土抗拉強度和各向異性研究”（41262010）；長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目（IRT1139）；蘭州交通大學(xué)“青藍”人才工程項目（QL-08-19A）；甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體資助項目（145RJIA332）

孫緯宇（1988-），男，碩士研究生，主要從事黃土隧道工程研究。E-mail：448221362＠qq.com