EXPERIMENTAL STUDY ON TENSILE STRENGTH OF UNDISTUBED Q2 LOESS FROM YANAN SHANNXI, CHINA
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摘要: 对陕西延安新宝塔山隧道Q2原状黄土进行了不同加载速率的无侧限抗压与贯入抗拉试验, 研究了Q2原状黄土抗压与抗拉强度的影响因素。结果表明:加载速率对宝塔山Q2原状黄土抗压和抗拉强度影响较大, 抗压强度与抗拉强度随加载速率增大而增大; 高径比对抗拉强度也有较大影响, 试验时当高径比控制在1.0左右时, 高径比对宝塔山Q2原状黄土的抗拉强度影响相对较小, 因此采用轴向压裂法测量黄土的抗拉强度时, 高径比宜控制在1.0;在试验加载速率范围内, 加载速率对宝塔山Q2原状黄土的压拉比影响不大, 其压拉比在9.88~13.68范围内变化。Abstract: The unconfined compressive and penetration tensile tests were conducted with different loading rates on undisturbed Q2 loess 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 Q2 loess, 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 Q2 loess in Baotashan tunnel, which vary between 9.88 and 13.68.
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0. 引言
由于土工建筑物的承拉能力较低，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土的抗拉特性有关，如土坡滑动前坡顶几乎均先产生拉裂缝，坍塌、泻流等重力侵蚀发生前土体表面亦先产生拉裂缝，可见土的抗拉特性在土工建筑物稳定性分析中非常重要[1]。黄土抗拉强度的测试实验有多种，主要包括弯曲梁试验、棱镜劈裂试验、立方对角劈裂试验、轴向拉伸试验、煤球试验、立方侧向劈裂试验和缸劈裂试验等[2]。在国内，骆亚生等[3]研究了不同含水量和不同干密度下黄土的抗拉强度；刑义川等[4]研究了含水量、干密度、饱和度及基质吸力与黄土抗拉强度的关系；党进谦等[5]研究了非饱和土的抗拉强度；孙萍等[6]基于单轴拉伸实验研究了黄土的抗拉强度及其破裂过程的数值模拟方法；李宝雄等[7]对兰州马兰黄土的物理力学特性进行了研究。沈忠言等[8]通过冻结黄土抗拉强度的试验研究得出了拉伸的应力-应变过程，视荷载作用的快慢大致可分为粘弹—塑性、粘—弹性和脆性破坏3类；同时对冻结黄土的抗拉、抗压强度进行分析比较后指出，其比值为0.44~0.63。
以往有关黄土的研究主要集中在湿陷性、水敏性和强度特性上，而对原状黄土拉压比特性及对原状黄土拉压强度影响因素的研究较少。本文对陕西宝塔山Q2原状黄土进行室内三轴压缩试验、无侧限抗压和抗拉试验，研究加载速率对无侧限抗压与抗拉强度的影响、高径比对原状黄土抗拉强度的影响以及原状黄土的压拉比特性。
1. 试验材料及试验方法
1.1 土样来源及其物理特性
土样取自陕西延安新宝塔山隧道DK502+655处、埋深约为100 m的上台阶中部，为了尽量减少对土样的扰动，试样在现场制成直径100 mm、高150 mm的圆柱体，标明上下方向，用塑料纸和胶带包好，装入塑料桶，运回实验室进行试验。样品的基本物理性质见表 1。
表 1 试验用Q2黄土的物性指标Table 1. Physical parameters of Q2 loessw/% ρ/(g·cm-3) ds wL/% wp/% e αv/MPa-1 19.64 2.01 2.638 29.2 13.25 0.597 0.09 注：w—含水量；ρ—湿密度；ds—比重；wL—液限；wp—塑限；e—孔隙比；αv—压缩系数 1.2 试验方法及试样条件
采用无侧限抗压及轴向压裂试验研究黄土的抗压与抗拉特性，其中无侧限压缩试验严格按照铁路工程土工试验规程[9]进行，轴向压裂试验按照文献[2]中所述进行。无侧限抗压的试样高度12.50 cm，直径6.18 cm。试验模型与实验装置见图 1、图 2，其中作为劈裂用的刚性小圆柱高度为2 cm、直径1.545 cm，采用应变控制式三轴仪施加轴向荷载，以测定黄土抗拉强度。抗拉强度计算公式[2]：
σt=10Pπ(KbH−a2) (1) 式中：σt——拉应力，kPa；P——荷载，N；K——常数，取决于试样穿孔大小和土壤类型，本试验取1；b——试样半径，cm；H——试样高度，cm；a——圆盘半径，cm。
2. 试验结果与分析
2.1 不同速率下的无侧限抗压和抗拉特性
试验控制加载速度分别为0.50，0.75，1.00，1.25和1.50 mm/min，轴向压裂的拉应力-贯入深度曲线与抗压抗拉强度随加载速率的变化关系见图 3、图 4。
图 3 拉应力-贯入深度曲线Figure 3. Curves of tensile stress vs. penetration depth of loess samples
图 4 抗压/抗拉强度与加载速度关系Figure 4. Relation curve of compressive and tensile strength with loading rates从图 3可以看出，在轴向压裂试样破坏之前，贯入深度与拉应力有较好的线性关系，这与Q2原状黄土的形成历史有关。由于其形成年代久远，且有较大的埋深，所以Q2原状黄土具有很好的结构性。当其抗压和抗拉均达到极限强度时，试样突然破裂，且都呈脆性破坏，破坏形态多为两瓣或三瓣劈裂。破裂为两瓣时有较平整的破裂面；当破裂为三瓣时，破裂面有的呈螺旋状；无论破裂为两瓣还是三瓣，加载柱下均形成了楔形体。抗压破坏时破裂面规律性不是很明显，破裂面倾角基本都大于45°+ϕ/2(ϕ为内摩擦角)，无侧限抗压和抗拉破坏形态见图 5。
从抗压与抗拉强度随加载速率关系曲线图(见图 4)可以看出，抗压强度明显高于抗拉强度，无论是抗压还是抗拉，在试验加载速率范围内其强度均随加载速率的增大而增大，这与沈忠言等[8]提出的冻结黄土抗拉强度随加载速度的变化规律和吴绵拔[10]提出的加载速率对岩石抗压和抗拉强度的影响规律相一致。
2.2 高径比对黄土抗拉强度的影响
岩石力学中已经有大量有关尺寸效应影响岩石强度的试验研究[11~12]，而关于尺寸效应对黄土抗拉强度的影响则研究较少。本试验控制试样的高径比分别为0.6，0.8，1.0和1.2，试样直径为6.18 cm，故试样高度分别为3.707，4.944，6.180和7.416 cm；试验加载速度控制为1.25 mm/min。试验前后的试样如图 6所示。从图 6可以看出，不同高径比下试样的破坏形态与图 5所示试样的破坏形态基本一致。
图 6 不同高径比试验前与试验后试样Figure 6. Samples before and after test with different height-diameter ratios从不同高径比下拉应力与贯入深度关系(见图 7)可以看出，试样高度对应力达到峰值前的变形特性没有显著影响，均能保持拉应力与贯入深度呈线性变化，而在拉应力达到峰值以后，试样突然断裂，试样再不能够承载。图 8显示的是高径比与抗拉强度关系，从图 8可以看出，Q2原状黄土的抗拉强度随试样高径比的增大而降低，高径比为0.6时抗拉强度最大，高径比为1.2时抗拉强度最低，也就是说，随着试样高度的增加，其抗拉强度会减小。
图 7 不同高径比下拉应力与贯入深度关系Figure 7. Relationship of stress and penetration depth at different height-diameter ratio以高径比为1.0作为参考点，用δ=(σth-σt6.18)×100/σt6.18[13]表示抗拉强度的降低幅度(σth为不同高度时的抗拉强度，σt6.18为高度6.18 cm时的抗拉强度)，其关系曲线如图 9所示。
图 9 不同高径比抗拉强度降低幅度值Figure 9. Reduction of the tensile strength at different height-diameter ratios从图 9可以看出，高径比从0.6变为1.0时，抗拉强度值降低了72.02%；而当高径比从0.8变为1.0时，抗拉强度值降低了22.2%；高径比自1.0升至1.2时，抗拉强度降低了4.97%。由此可以得出，当高径比在1.0至1.2时，抗拉强度值的变化幅度不大。因此，用轴向压裂法测黄土抗拉强度值时，试样高径比宜取为1.0。
2.3 Q2原状黄土的拉压比
在混凝土的力学特性和岩石力学的研究中，均进行过抗压强度和抗拉强度比的研究。由于岩土体材料的非均质性和不连续性，对其抗压强度与抗拉强度比的研究较少。而Q2原状黄土具有较强的结构强度，因此对其进行抗拉抗压比的研究是必要的。本试验对Q2原状黄土抗压与抗拉比的研究分别采用了加载速率1.25 mm/min和变加载速率二种方法。
图 10给出了加载速率1.25 mm/min时抗拉强度与抗压强度之间的关系。从图中可以看出，Q2原状黄土抗压强度与抗拉强度之间存在较好的线性相关性。在加载速度为1.25 mm/min时得出的Q2原状黄土抗压强度与抗拉强度之比的变化范围为11.35~13.69(经5组抗拉强度和5组抗压强度试验后得出的结论)，抗压强度和抗拉强度之间的关系可用式σc=12.565σt表示，其线性相关系数为0.8963，具有很好的线性相关性。
图 10 1.25 mm/min时抗压与抗拉强度关系Figure 10. Correlation of unconfined compressive strength with tensile strength at 1.25 mm/min图 11显示的是不同加载速率下抗压抗拉强度比值与加载速率之间的关系。从图 11可得，变加载率时Q2原状黄土的抗压强度与抗拉强度之比的范围为9.88~13.68，其中加载速率为1.0 mm/min时压拉强度比最小，为9.88，其余试验加载速率下压拉强度比随加载速率的变化不大。由此可得加载速率对Q2原状黄土抗压强度与抗拉强度之比影响不大，抗压强度与抗拉强度之比的变化范围在9.88~13.68之间。
图 11 压拉比与加载速率的关系Figure 11. Relation between ratio of compressive strength to tensile strength ration and loading rates3. 结论
宝塔山Q2原状黄土的无侧限抗压强度和抗拉强度随加载速度的增大而增大，加载速度对其无侧限抗压强度和抗拉强度均有较大的影响。
高径比对宝塔山Q2原状黄土抗拉强度有着显著的影响，当高径比在1.0附近时，抗拉强度值的变化幅度不大，因此，用轴向压裂法测黄土抗拉强度值时，试样高径比宜取为1.0。
宝塔山Q2原状黄土的压拉强度比在9.88~13.68之间，加载速度对压拉强度比影响较小。
由于取样、试验和土体本身的差异等原因，这些因素对试验结果会有较大的影响，因此，在进行原状黄土试验中应予以注意。
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图 3 拉应力-贯入深度曲线
Figure 3. Curves of tensile stress vs. penetration depth of loess samples
图 4 抗压/抗拉强度与加载速度关系
Figure 4. Relation curve of compressive and tensile strength with loading rates
图 6 不同高径比试验前与试验后试样
Figure 6. Samples before and after test with different height-diameter ratios
图 7 不同高径比下拉应力与贯入深度关系
Figure 7. Relationship of stress and penetration depth at different height-diameter ratio
图 9 不同高径比抗拉强度降低幅度值
Figure 9. Reduction of the tensile strength at different height-diameter ratios
图 10 1.25 mm/min时抗压与抗拉强度关系
Figure 10. Correlation of unconfined compressive strength with tensile strength at 1.25 mm/min
图 11 压拉比与加载速率的关系
Figure 11. Relation between ratio of compressive strength to tensile strength ration and loading rates
表 1 试验用Q2黄土的物性指标
Table 1. Physical parameters of Q2 loess
w/% ρ/(g·cm-3) ds wL/% wp/% e αv/MPa-1 19.64 2.01 2.638 29.2 13.25 0.597 0.09 注：w—含水量；ρ—湿密度；ds—比重；wL—液限；wp—塑限；e—孔隙比；αv—压缩系数 
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