葉朝良，何世鑫，侯艷樂

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊　050043；2.南京水利科學(xué)研究院，南京　210029)

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簡易軸向拉伸試驗(yàn)儀設(shè)計(jì)及試樣合理尺寸的試驗(yàn)研究

葉朝良1，何世鑫1，侯艷樂2

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊050043；2.南京水利科學(xué)研究院，南京210029)

針對(duì)現(xiàn)有土工抗拉儀存在的缺陷與不足，設(shè)計(jì)改良出一套簡易軸向拉伸試驗(yàn)儀。通過四角調(diào)節(jié)螺栓和夾具設(shè)計(jì)，消除摩擦阻力和端部應(yīng)力集中，通過軸心線的控制避免試樣偏心受拉。可以完成不同尺寸長方體試樣的抗拉試驗(yàn)。由于目前試樣尺寸沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為了得到試樣的規(guī)范尺寸并分析試樣尺寸對(duì)抗拉特性的影響，利用設(shè)計(jì)的拉伸裝置，對(duì)不同截面和長細(xì)比試樣進(jìn)行試驗(yàn)。得到的試驗(yàn)結(jié)果有：ω=18.0%，ρd=1.30 g/cm3時(shí)，不同截面試樣平均抗拉強(qiáng)度值在14.2～14.6 kPa，平均極限位移值在8×10-2～9×10-2mm；ω=22.0%，ρd=1.45 g/cm3時(shí)，不同長細(xì)比試樣平均抗拉強(qiáng)度值在14.4～14.9 kPa，平均極限位移值與長細(xì)比的關(guān)系式可表示為b=9.706 7×(l/a)-6.97。分析表明：只要試樣的物理狀態(tài)(含水率ω和干密度ρd) 相同，不論含水率ω是否小于或大于塑限值，抗拉強(qiáng)度值均不受截面和長細(xì)比的影響；含水率ω低于塑限值時(shí)，極限拉伸位移不隨試樣的截面變化；含水率高于塑限值時(shí)，極限拉伸位移與長細(xì)比呈遞增的線性關(guān)系。計(jì)算每組試樣抗拉強(qiáng)度值的極差和標(biāo)準(zhǔn)差并分析數(shù)據(jù)的離散性，結(jié)合制樣難易程度和用土量等方面綜合考慮，提出截面邊長2.5 cm，長細(xì)比3的試樣尺寸較為合理，為今后開展土體抗拉強(qiáng)度研究提供可靠依據(jù)。

黃土； 抗拉試驗(yàn)；摩擦阻力 ；應(yīng)力集中 ；合理尺寸

1　概述

土的抗拉強(qiáng)度相對(duì)于抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度非常微小，在工程中常常不予考慮。而工程實(shí)踐中，機(jī)場(chǎng)、公路、高土石壩、土質(zhì)隧道[1]等土工建筑物在修建及后期使用中，產(chǎn)生的張拉裂縫往往會(huì)給建筑物及周邊環(huán)境帶來很大次生災(zāi)害。因此，近年來隨著土力學(xué)理論研究的不斷深入，關(guān)于土的抗拉特性日益受到人們的關(guān)注。國內(nèi)外的學(xué)者們用不同的試驗(yàn)方法研究了土的抗拉特性，主要集中于黏性土和黃土，并取得了一些成果[2-4]。但土的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)關(guān)于制樣標(biāo)準(zhǔn)并無明確規(guī)定，其研究結(jié)論也缺乏可比性，應(yīng)用取值存在較大問題。

土的拉伸試驗(yàn)方法主要包括單軸拉伸、三軸拉伸、軸向壓裂和土梁彎曲法等。其中單軸拉伸試驗(yàn)是測(cè)量土體抗拉特性最簡單有效的方法，應(yīng)力狀態(tài)明確，成果穩(wěn)定。Tamrakar[5]等研制了一種新型的臥式單軸拉伸儀，發(fā)明了新的制樣和測(cè)試模具。張輝和朱俊高[6]設(shè)計(jì)了一套單軸拉伸試驗(yàn)的夾具，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加荷。曾召田、呂海波等[7]設(shè)計(jì)了一套應(yīng)力式單軸拉伸試驗(yàn)儀，夾具設(shè)計(jì)為完全側(cè)限。張緒濤等[8]設(shè)計(jì)了一臺(tái)臥式直接拉伸裝置，采用數(shù)字化自動(dòng)采集技術(shù)。路立娜，樊恒輝[9]設(shè)計(jì)了一套電動(dòng)式單軸拉伸儀和制樣模具，可以連續(xù)加載。所有試驗(yàn)中試樣尺寸大都參照三軸試驗(yàn)，并沒有統(tǒng)一規(guī)格，試樣尺寸對(duì)同一土體單軸拉伸試驗(yàn)值的影響程度缺乏探討，目前尚無公認(rèn)合理的試樣尺寸。

軸向拉伸試驗(yàn)是試樣在無任何側(cè)限壓力作用下直接對(duì)其施加軸向拉力，試樣在垂直加荷軸的方向破壞，測(cè)得受拉過程中及破壞時(shí)的應(yīng)力和位移。一直以來，摩擦力對(duì)抗拉強(qiáng)度的消減作用、試樣受拉過程中偏心的影響以及試樣在兩端頭產(chǎn)生應(yīng)力集中是設(shè)計(jì)拉伸試驗(yàn)儀的難點(diǎn)。為此，本文設(shè)計(jì)了一套簡易的臥式軸向拉伸儀，在消除摩擦力、保證軸心受拉和減小端部效應(yīng)問題上進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，解決了現(xiàn)有裝置普遍存在的問題。利用新研制的試驗(yàn)儀，在控制含水率和干密度的條件下，對(duì)不同尺寸的寶蘭重塑黃土長方體試樣開展軸向拉伸試驗(yàn)，分析不同長細(xì)比和截面下的抗拉強(qiáng)度和極限位移規(guī)律，探討了試樣尺寸對(duì)黃土的抗拉特性影響，并從數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法、制樣難度等方面分析得到合理的試樣尺寸。

2　拉伸裝置的設(shè)計(jì)簡述

為了測(cè)試試樣尺寸對(duì)黃土抗拉特性的影響進(jìn)而選擇試樣合理尺寸，設(shè)計(jì)出一套簡易的臥式單軸拉伸儀，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用方便，可以對(duì)不同尺寸的長方體試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，如圖1所示。試驗(yàn)裝置主要由長方形底座(考慮到要固定磁力座，材料為鐵板)、試樣端頭板、可調(diào)高度的固定滑輪、光滑玻璃板、2塊起固定和保證試樣軸心受拉的L形擋板、不同截面大小的三面槽形夾具和制樣模具等組成。應(yīng)力測(cè)量采用砝碼加載方式，為了測(cè)得較為廣泛的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，施加砝碼質(zhì)量在20～300 g；每級(jí)荷載穩(wěn)定下的試樣位移由量程為0～10 mm的百分表讀出。利用該裝置可獲得試樣在拉伸過程中的應(yīng)力和位移值。

圖1　拉伸裝置

2.1平衡摩擦力考慮

土的抗拉強(qiáng)度很小，最大才可達(dá)到幾十千帕。對(duì)于臥式軸向拉伸裝置來說，試樣底部與裝置之間產(chǎn)生的摩擦力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不容忽視。為了有效消除摩擦阻力，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)物理學(xué)原理：當(dāng)物體在一定傾角的斜坡上有下滑趨勢(shì)時(shí)，認(rèn)為此時(shí)物體不受摩擦力。在本儀器臺(tái)座的四角處安置可自由調(diào)節(jié)高度的調(diào)節(jié)螺栓，試驗(yàn)前將試樣安放于玻璃板上，調(diào)節(jié)螺栓高度，當(dāng)試樣將要向下滑動(dòng)時(shí)擰緊螺母。這時(shí)臺(tái)座與桌面呈傾角α，試樣底面產(chǎn)生的靜摩擦力為F，試樣自身重力mg的切向分力剛好將F抵消，即F-mg·sinα=0。如圖2所示。

圖2　消除摩擦力示意

除此之外，裝置與試樣的接觸面采用光滑玻璃板的形式。試樣安裝前，預(yù)先在玻璃板上涂一薄層凡士林。因此可以認(rèn)為試樣在拉伸過程中消除了摩擦力的影響。

2.2避免偏心受拉

試樣的抗拉強(qiáng)度很小，即使微小的偏心也會(huì)給試驗(yàn)結(jié)果帶來誤差。本裝置采用簡單有效的方法，可以保證試樣軸心受力。當(dāng)試樣的正截面中心與光滑玻璃板中心線、傳遞拉應(yīng)力的鋼絲繩在同一直線上時(shí)，試樣處于軸心受拉狀態(tài)。為了滿足這一要求，長方形玻璃板設(shè)計(jì)時(shí)正好位于儀器臺(tái)座的正中央，通過兩側(cè)焊接的L形擋板將其牢牢固定。試驗(yàn)開始前，用黑色水墨筆在試樣端板、玻璃板上畫一條軸心線，安放試樣，將試樣截面中心與軸心線對(duì)齊。如圖3所示。

圖3　避免偏心受力

試驗(yàn)儀器臺(tái)面不發(fā)生傾斜也是確保試樣軸心受拉的重要條件，而目前的抗拉試驗(yàn)儀沒有專門的橫向調(diào)節(jié)裝置，本試驗(yàn)在儀器臺(tái)座底部安放一個(gè)水平尺，微調(diào)四角螺栓使水準(zhǔn)氣泡對(duì)中，從而使儀器在橫向保持水平。

2.3夾具設(shè)計(jì)

試樣的端頭部位連接目前采用的方法有[10-12]：凍結(jié)端頭法、膠結(jié)法和夾具法。其中凍結(jié)端頭法要求工藝較高，在一般條件下無法使用；僅僅使用膠結(jié)法，試樣容易在端部膠結(jié)處破壞；夾具法雖然應(yīng)用較多，但對(duì)夾具的精度要求較高，很容易受端部效應(yīng)的影響。

試樣夾具設(shè)計(jì)向來是個(gè)難題，現(xiàn)有的單軸拉伸儀器中由于夾具剛度很大，而試樣的強(qiáng)度低，剛度小，試樣端部與夾具連接時(shí)，夾具會(huì)對(duì)端頭造成一定程度的擠壓，試樣極易在端部斷裂，導(dǎo)致其在受拉狀態(tài)下的斷裂情形不同[8-13]，使試驗(yàn)結(jié)果失真。本裝置采用特定夾具并輔以膠水粘結(jié)的方法。即試樣端頭嵌入特定夾具中后，再用瞬間膠水粘結(jié)。

為了避免試樣端部破壞，夾具設(shè)計(jì)為三面槽形，稱為槽形夾具，采用3 mm厚的不銹鋼材制成。為了得到不同規(guī)格大小試樣的抗拉特性，根據(jù)要測(cè)試試樣的不同截面大小，將夾具設(shè)計(jì)成不同的規(guī)格。試樣另一端用2塊寬度為3 cm的橡膠塊與端板連接，這里稱其為軟夾具。夾具示意見圖4。試驗(yàn)時(shí)將試樣一端嵌入槽形夾具中，涂抹502瞬間膠水使端頭與夾具聯(lián)接牢固，另一端用502膠水將試樣端頭、軟夾具、端板聯(lián)接成一整體。如圖1所示。試樣兩端端頭的連接主要通過瞬間膠水的粘結(jié)力，夾具本身對(duì)端頭沒有擠壓作用，端頭處于柔性側(cè)限狀態(tài)。同時(shí)，夾具的設(shè)計(jì)使試樣兩端形成剛度過渡段，從而避免了端部應(yīng)力集中。由于膠水的作用，試樣與夾具之間不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)和脫拔現(xiàn)象。試樣的有效長度不包括兩夾具中的尺寸。根據(jù)圣維南原理，夾具對(duì)試樣有效長度內(nèi)的應(yīng)力影響可以不計(jì)(試驗(yàn)中，試樣均在有效長度內(nèi)斷裂)。

圖4　夾具

2.4模具設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用試樣為長方體，不同于普通的圓柱體試樣，不能用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有模具制樣。根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)出一套可以制作不同截面、不同長細(xì)比的長方體試樣模具，材質(zhì)為不銹鋼。該套裝置主要由矩形盒、對(duì)稱分布的可調(diào)螺栓桿、3 mm厚的不同尺寸的可調(diào)板塊組成。矩形槽頂部彎邊可以有效防止擊實(shí)功過大導(dǎo)致板塊變形，影響試樣尺寸精度；正方形板的作用是通過緊固螺栓將其頂緊，從而確保形成的長方體試樣模子完全密合、沒有縫隙。試樣大小通過選用不同的截面板塊和調(diào)節(jié)板塊位置確定。板塊上焊有螺母，與螺栓桿在同一高度，制樣時(shí)擰緊螺栓，確保試樣尺寸不發(fā)生改變。脫模時(shí)松開螺栓，取出試樣即可，操作方便、可重復(fù)使用。如圖5所示。

圖5　模具實(shí)物

2.5儀器操作和注意事項(xiàng)

試驗(yàn)裝置操作簡單，試驗(yàn)人員不需要專門學(xué)習(xí)。試驗(yàn)操作步驟如下。

(1)擰動(dòng)儀器臺(tái)座的四角螺栓，調(diào)節(jié)高度，當(dāng)放在光滑玻璃板上的試樣有向下滑動(dòng)趨勢(shì)時(shí)為宜，此時(shí)微調(diào)螺栓的高度，使儀器底部安放的水平尺內(nèi)的水準(zhǔn)氣泡居中，緊固螺母。

(2)在光滑玻璃板上涂一薄層凡士林，并畫出與試樣軸心重合的中心線，在三面槽型夾具內(nèi)部涂抹502瞬間膠水，將制好的試樣一端端頭嵌入其中。試樣另一端頭粘接到試樣端頭板上，并在試樣端頭兩側(cè)黏貼2塊寬度為3 cm、高度與試樣齊平的薄橡膠塊，需保證試樣正截面中心與玻璃上預(yù)先畫好的中線對(duì)中。

(3)在儀器左側(cè)安放帶有位移計(jì)的磁力座，磁力座牢牢吸附在底板上，百分表與試樣端部接觸，實(shí)驗(yàn)前將百分表調(diào)零。

(4)靜待3 min后開動(dòng)秒表，開始施加砝碼，同一級(jí)荷載中，每過1 min讀數(shù)1次，當(dāng)2次位移值之差在0.01 mm范圍內(nèi)時(shí)，視為讀數(shù)穩(wěn)定，讀取百分表數(shù)值。然后施加下一級(jí)荷載直至試樣斷裂。土體的抗拉強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變很小，對(duì)試樣缺陷很敏感，所以試樣制作、養(yǎng)護(hù)、安裝，到最后讀數(shù)都必須精心進(jìn)行[14]。尤其應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)。

①重塑土的制樣采用分層壓實(shí)法(分3層)，并嚴(yán)格控制每一層的高度，目的是使形成的試樣內(nèi)部擊實(shí)均勻。

②兩端夾具應(yīng)當(dāng)和試樣粘接牢固，在試樣端部形成三面柔性側(cè)限，避免試樣端部破壞。

③確保試樣截面軸心與玻璃板中心線重合，以及水平尺水泡居中，確保試樣不受偏心影響。

④粘接試樣端頭與三面夾具時(shí)，應(yīng)避免將膠水與玻璃板粘住，否則試樣將無法承受拉力。

⑤施加砝碼過程中應(yīng)當(dāng)先加重砝碼，后加輕砝碼，質(zhì)量逐漸減小?？估瓘?qiáng)度值用拉斷時(shí)的砝碼總重與上一級(jí)砝碼總重的平均值確定。

3　試樣合理尺寸試驗(yàn)研究

目前土的單軸拉伸試驗(yàn)采用的試樣規(guī)格沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使得試驗(yàn)結(jié)果存在差異。毫無疑問，試樣沒有標(biāo)準(zhǔn)，就無法完善土體軸向拉伸試驗(yàn)規(guī)范。這將給以后深入研究土的抗拉試驗(yàn)帶來諸多不變。

將試樣制作成正方形截面的長方體塊，通過控制試樣的截面大小和長細(xì)比，獲得長方體試樣的合理尺寸，為以后的研究提供理論依據(jù)。土樣取自新建寶蘭客運(yùn)專線天水南車站，簡稱“寶蘭”黃土。呈黃褐色，偶爾可見微小孔隙。其物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1　黃土的主要物理力學(xué)指標(biāo)

將現(xiàn)場(chǎng)取回的寶蘭黃土風(fēng)干、碾碎、過2 mm篩，按照試驗(yàn)規(guī)范配置成試驗(yàn)要求的含水率和干密度[15]。利用模具制作成不同尺寸(控制截面大小和長細(xì)比兩個(gè)因素)的長方體試樣，如圖6所示。試驗(yàn)研究自由形狀試樣的抗拉特性。

圖6　試樣制備

3.1不同截面試樣的拉伸試驗(yàn)3.1.1試驗(yàn)方案

只改變?cè)嚇拥慕孛娲笮。治鼋孛娲笮?duì)抗拉特性的影響規(guī)律。參照三軸試驗(yàn)，試樣長細(xì)比定為2.5，將重塑黃土制成不同截面大小的試樣。試樣物理狀態(tài)相同，試樣含水率取ω=18.0%，低于塑限值。干密度小于最大干密度，取為ρd=1.30 g/cm3。試樣尺寸的詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

表2　不同截面重塑黃土參數(shù)

為使試驗(yàn)結(jié)果更具有說服力，每一組試樣確保得到6個(gè)有效數(shù)據(jù)(即試驗(yàn)時(shí)試樣均在有效長度內(nèi)斷裂)。見圖7。

圖7　試樣有效斷裂

3.1.2試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)每組試樣得到的6個(gè)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：從試樣破壞時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變的平均值來看，抗拉強(qiáng)度的平均值在14.2～14.6 kPa，極限位移的平均值在8×10-2～9×10-2mm。說明在ω=18.0%，ρd=1.30 g/cm3的情況下(含水率ω≤ωp)，抗拉強(qiáng)度和極限位移不隨截面的變化而變化。

圖8　截面邊長對(duì)抗拉特性的離散性影響

含水率和干密度相同的情況下，理論上講，試樣內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)相同，影響抗拉強(qiáng)度的基質(zhì)吸力和土顆粒之間的聯(lián)接力相同，不同大小的正截面上可以承受的極限拉應(yīng)力即抗拉強(qiáng)度也是相同的。據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果可以推斷出：即使試樣含水率的選取高于塑限值時(shí)，相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度值也不隨截面大小變化。

本次試驗(yàn)中，黃土塑限值ωp=20.0%，參考有關(guān)文獻(xiàn)[16]，當(dāng)試樣含水率低于塑限值時(shí)，試樣以脆性斷裂為主。試樣在拉伸過程中，承受的拉力與內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)變可看做線彈性關(guān)系。當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，彈性應(yīng)變恰好達(dá)到極值，試樣突然斷裂，所以試驗(yàn)中不同截面試樣的抗拉強(qiáng)度相同時(shí)，極限位移值也基本相同。

進(jìn)一步計(jì)算抗拉強(qiáng)度值和極限位移值的極差和標(biāo)準(zhǔn)差，將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果列于表3。

極差公式

(1)

(2)

標(biāo)準(zhǔn)差公式

(3)

(4)

式中R1，σ1——抗拉強(qiáng)度的極差和標(biāo)準(zhǔn)差；

R2，σ2——極限位移的極差和標(biāo)準(zhǔn)差；

an——同組試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度值；

bn——同組試驗(yàn)的極限拉伸位移值。

表3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散型分析

將極差、標(biāo)準(zhǔn)差和截面的關(guān)系繪制于圖8所示的直角坐標(biāo)系中。

從圖8(a)、圖8(b)看出，截面邊長為2.5 cm的6個(gè)試樣組的抗拉強(qiáng)度和極限位移極差值最小，說明這一組數(shù)據(jù)的離散程度最小，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)最穩(wěn)定。

在圖8(c)、圖8(d)中，截面邊長4 cm的試樣組得到的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差值最小，其值為0.66 kPa，略小于截面邊長2.5 cm的試樣組，其標(biāo)準(zhǔn)差為0.88 kPa。由于截面太大時(shí)容易引起制樣時(shí)內(nèi)部擊實(shí)不均勻、且相應(yīng)質(zhì)量較大，用土量增加；截面2 cm和2.5 cm的試樣組得到的極限位移的標(biāo)準(zhǔn)差最小，均為0.45×10-2mm。但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，截面2 cm的試樣由于尺寸偏小，在安裝試樣過程中容易發(fā)生破損現(xiàn)象。綜合分析，截面邊長為2.5 cm的試樣尺寸最為合理。

3.2不同長細(xì)比試樣的拉伸試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)方案

通過前面試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出試樣截面邊長為2.5 cm時(shí)是合理的。下面僅改變?cè)嚇娱L細(xì)比，分析試樣截面邊長在2.5 cm時(shí)，長細(xì)比對(duì)抗拉特性的影響規(guī)律。

在試驗(yàn)方案的選取上，一開始與上節(jié)試驗(yàn)相同，試樣ω=18.0%，ρd=1.30 g/cm3。在試驗(yàn)完成將近一半的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)所有試樣均突然斷裂，呈脆性破壞。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，不同長細(xì)比試樣的抗拉強(qiáng)度和極限破壞位移基本不變。聯(lián)想到拉應(yīng)力計(jì)算公式：σ=F/(a2)，抗拉強(qiáng)度在確定截面條件下，不隨長細(xì)比變化的現(xiàn)象不難解釋。

此時(shí)試驗(yàn)含水率依然是ω=18.0%，小于塑限值ω=20.0%，所有試樣均為脆性斷裂，在這種情況下，試樣內(nèi)部土顆粒之間的粘結(jié)力非常微小，幾乎不能承受拉伸變形，所以不同長細(xì)比下的試樣，當(dāng)試樣達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，試樣的拉伸位移來不及變化就斷裂了。由上節(jié)討論和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試樣含水率在塑限以下和以上時(shí)表現(xiàn)出不同的脆塑性斷裂形式，本次試驗(yàn)中試樣的兩種斷裂形式如圖9所示。因此，當(dāng)試樣含水率高于塑限值時(shí)，試樣的破壞位移肯定隨長細(xì)比的不同而不同。

圖9　試樣斷裂形態(tài)

考慮到這一點(diǎn)，將試驗(yàn)方案做了改動(dòng)，在接下來的試驗(yàn)中，含水率高于塑限值，所有試樣含水率和干密度控制為ω=22.0%，ρd=1.45 g/cm3。這樣既能像第一節(jié)中通過數(shù)據(jù)極差和位移差的分析得到試樣合理尺寸，又可以討論ω≥ωp時(shí)，長細(xì)比對(duì)極限位移的影響規(guī)律。試樣的詳細(xì)參數(shù)如表4所示。

表4　不同長細(xì)比重塑黃土參數(shù)

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

每一相同長細(xì)比下的試樣得到6組有效的抗拉強(qiáng)度和極限位移值。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)試樣ω=22.0%，ρd=1.45 g/cm3時(shí)，抗拉強(qiáng)度平均值在14.4～14.9 kPa，不隨長細(xì)比的變化而變化。極限拉伸位移最大的平均值較最小的平均值高19.55×10-2mm，試樣的極限拉伸位移隨長細(xì)比的增大呈線性增長規(guī)律，變化明顯。極限拉伸位移隨長細(xì)比的變化關(guān)系如圖10所示。

圖10　極限拉伸位移與長細(xì)比的關(guān)系

試驗(yàn)中試樣ω≥ωp，百分表讀數(shù)顯示，試樣在拉伸過程(逐級(jí)施加砝碼)中均有明顯位移，拉伸變形表現(xiàn)為塑性變形的特征。斷裂時(shí)，極限拉伸位移最大達(dá)到32.05×10-2mm。試樣的極限拉伸位移值并不是斷裂面或某一截面的拉伸位移，而是在試樣有效長度范圍內(nèi)，各截面上產(chǎn)生的拉伸位移值的疊加總和。

由抗拉強(qiáng)度的理論公式σ=F/(a2)可知，受拉過程中，試樣長度范圍內(nèi)各正截面上每一點(diǎn)承受的拉應(yīng)力相同。試樣的物理?xiàng)l件完全相同，即干密度和含水率完全相同時(shí)(本試驗(yàn)含水率高于塑限值)，從微觀上講，相同拉應(yīng)力下，即使不同長細(xì)比的試樣，每一截面上產(chǎn)生的微小拉伸位移也是基本相同的。所以試樣的長細(xì)比增大時(shí)，產(chǎn)生的極限位移，也就是各截面上產(chǎn)生的拉伸位移值的總和就會(huì)越大。數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)極限位移b與長細(xì)比l/a的關(guān)系式為：b=9.7067×(l/a)-6.97，R2=0.9993。

還可以推斷出：因?yàn)棣?F/(a2)，所以當(dāng)試樣含水率低于塑限值時(shí)，相同正截面，不同長細(xì)比試樣獲得的相應(yīng)抗拉強(qiáng)度值也是相同的。

進(jìn)一步計(jì)算抗拉強(qiáng)度值和極限位移值的極差和標(biāo)準(zhǔn)差，將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果列于表5中。

表5　試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性分析

將所得極差、標(biāo)準(zhǔn)差和長細(xì)比的關(guān)系繪制于圖11的直角坐標(biāo)系中。從圖11(a)、圖11(b)看出，在極差方面，長細(xì)比為3的試樣組所得到的抗拉強(qiáng)度和極限位移值離散性最小。在圖11(c)、圖11(d)中，在強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差上，長細(xì)比3的試樣組為0.53 kPa，長細(xì)比2.5的試樣組為0.52 kPa，基本相同，說明長細(xì)比在2.5～3.0之間測(cè)得的抗拉強(qiáng)度值最穩(wěn)定；在位移標(biāo)準(zhǔn)差上，長細(xì)比為3的試樣組略大于長細(xì)比4，但是長細(xì)比為4的試樣體積相對(duì)較大，容易引起試樣內(nèi)部擊實(shí)不均勻、且用土量大，不經(jīng)濟(jì)。綜合分析，長細(xì)比取3較為合理。

圖11　長細(xì)比對(duì)抗拉特性的離散性影響

4　結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了1臺(tái)簡易軸向拉伸試驗(yàn)儀，此裝置有如下優(yōu)點(diǎn)：能夠有效減小端部效應(yīng)、摩擦阻力和避免偏心受力影響；模具可以制作不同截面大小和長細(xì)比的重塑土長方體試樣，并可重復(fù)使用；不受地點(diǎn)限制，實(shí)用性強(qiáng)。可以獲得不同尺寸試樣的抗拉強(qiáng)度和拉伸位移值。

(2)自由土體長方體黃土試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，在ω=18.0%，ρd=1.30 g/cm3的情況下，對(duì)不同截面試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到平均抗拉強(qiáng)度值在14.2～14.6 kPa，平均極限位移值在8×10-2～9×10-2mm。在ω=22.0%，ρd=1.45 g/cm3的情況下，對(duì)不同長細(xì)比試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到平均抗拉強(qiáng)度值在14.4～14.9 kPa，平均極限位移值b隨長細(xì)比l/a的增加逐漸增加，呈線性增長趨勢(shì)，擬合關(guān)系式為b=9.706 7×(l/a)-6.97。還可以推斷出：不論試樣含水率小于或大于塑限值，其他條件相同，測(cè)得抗拉強(qiáng)度值不會(huì)受截面大小的影響；由拉應(yīng)力計(jì)算公式：σ=F/(a2)，不論試樣含水率小于或大于塑限值，其他條件相同，得到的抗拉強(qiáng)度值不隨長細(xì)比的變化而變化。

(3)自由長方體黃土重塑試樣拉伸試驗(yàn)的合理尺寸為：截面邊長為2.5 cm，長細(xì)比為3。

(4)本次試驗(yàn)結(jié)果沒有與未改進(jìn)的儀器測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以后可在這方面進(jìn)行對(duì)比分析，以突出改良試驗(yàn)儀的優(yōu)越性；拉伸裝置加砝碼的方式不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)加載，以后在試驗(yàn)儀連續(xù)加載方面需進(jìn)行改進(jìn)；本文僅研究了正方形截面的長方體試樣的規(guī)范尺寸，對(duì)圓柱狀試樣在軸向拉伸試驗(yàn)的可能性、規(guī)范尺寸也需要進(jìn)行研究。

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The Design of Simple Axial Tensile Testing Instrument and Experimental Study of Reasonable Sample Size

YE Chao-liang1， HE Shi-xin1， HOU Yan-le2

(1.School of Civil Engineering， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043， China;2.Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing Jiangsu 210029， China)

On account of the defects and shortcomings of the existing geotechnical tensile instrument， a set of simple axial tensile testing instrument is designed and improved. By the design of adjustment bolts on the four corners and fixtures， the frictional resistance and end stress concentration are eliminated， and the control of axial line prevents sample eccentric tension to fulfill axial tensile tests of rectangular specimens of different size. As there is no unified standard currently for sample size， a tensile device is designed test the samples with different cross section and slenderness ratio so as to determine specified sample size and analyze the influence of sample size on the tensile properties，. The test results are as follows: whenω=18.0%，ρd=1.30 g/cm3， the average tensile strength value is between 14.2～14.6 kPa and the average displacement limit value is 8×10-2～9×10-2mm of samples with different cross section; whenω=22.0%，ρd=1.45 g/cm3， the average tensile strength value of the samples with different slenderness ratio is between 14.4～14.9 kPa and the relation between the average displacement limit value and slenderness ratio can be expressed asb=9.706 7×(l/a)-6.97. The analyses results show that: when the sample physical conditions are the same， tensile strength values are not affected by cross section and the slenderness ratio whether the moisture content is less or greater than the omega plastic limit， and when the water content is below the plastic limit， the limit tensile displacement doesn’t change with change of the section of specimen; when the water content is higher than plastic limit， the correlation of the limit tensile displacement with slenderness ratio tends to be increasing linear. The calculation of the poor and the standard deviation of tensile strength of each group’s samples and the analysis of the discreteness data suggest that the reasonable specimen size is 2.5 cm for section length and 3 for slenderness ratio with respect to the difficult degree of actual sample preparation and the amount of soil， which may provide reliable basis for future research on tensile strength of soil．

Loess; Tensile test; Frictional resistance; Stress concentration; Reasonable size

2015-12-23；

2016-04-08

國家自然基金項(xiàng)目(50978172)；鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2010G018-B-4)；國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(201410107018)

葉朝良(1969—)，男，教授，工學(xué)博士，從事巖土工程方面的教學(xué)與科研工作，E-mail:yechl@stdu.edu.cn。

何世鑫(1988—)，男，碩士研究生，研究方向：巖土工程防護(hù)與治理，E-mail:1511278969@qq.com。

1004-2954(2016)09-0009-07

TU432

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.003