千枚岩全风化土的抗拉特性研究*

刘 莉 张 芹 颜荣涛 赵延平 姜大伟

(1.桂林理工大学广西建筑新能源与节能重点实验室，广西桂林 541004；
2.桂林航天工业学院，广西桂林 541004；
3.中国建材集团桂林地质工程勘察院有限公司，广西桂林 541004)

千枚岩作为一种变质岩，常出露于地质比较复杂的山区，岩质较差，极易破碎；
经历长时间物理化学风化搬运作用后形成千枚岩全风化土。千枚岩全风化土所在区域是滑坡、泥石流发育的活跃地带，在滑坡等地质灾害发生时常伴随有张拉裂缝的出现，其抗拉强度是影响土石坝、边坡、公路等土石结构发生拉伸破坏、拉伸开裂的重要特性指标[1]。

抗拉强度试验方法分为直接法和间接法[2]。直接法包括单轴拉伸试验、三轴拉伸试验等；
间接法包括径向压裂试验、弯曲梁试验和环状试样法等。大量学者通过研制不同形式的抗拉试验仪器分析了干密度、含水量和干湿循环作用对抗拉强度的影响。

Tamrakar等研制了一种“8”字形截面试样抗拉强度装置，研究不同固结压力下抗拉强度与抗压强度关系[3]；
Lu等利用试样倾斜产生的下滑力测试了砂土的抗拉强度[4]；
Kim等改进拉伸试验装置,测定了由毛细吸力引起的非饱和砂土抗拉强度[5]；
蔡国庆等研究了不同干密度和含水率下非饱和砂土的抗拉强度特性[6]；
吕海波等利用自制简易拉伸仪对红黏土与膨胀土抗拉强度的影响因素进行了对比[7]；
袁志辉等分析了干湿循环下重塑及原状黄土的抗拉强度衰减机制[8]。以上关于抗拉强度的研究结果大多是基于砂性土给出的，而黏性土在广含水量范围内的研究结果较少，并且也很少从土-水之间相互作用出发分析抗拉强度的影响机制。

抗拉强度现有的模型可以分为两类：1)基于微观力学或宏观力学方法的理论模型；
2)利用大量试验数据进行回归分析的经验模型。Schubert等用饱和度与毛细压力的乘积计算抗拉强度[9]；
Lu等建立了与持水性参数相关的砂土抗拉强度算式[4]。目前建立的模型大多针对无黏聚力土(如砂土)，且依据大量试验数据进行回归分析的经验模型较多，对黏土建立适用性广的抗拉强度模型较为欠缺。

基于此，以千枚岩全风化土为研究对象，采用研制的单轴抗拉试验装置，测试不同干密度及含水率的黏土抗拉强度,结合不同干密度黏土的持水特性，通过微观压汞试验解释抗拉强度随饱和度的变化原因。

1.1 试验仪器

所用仪器为自行研制的单轴拉伸仪，其拉伸模具为类“8”字形。单轴拉伸仪主要由加载系统、数据传输系统和拉伸系统三部分组成，见图1。加载系统主要指能够提供水平位移的高精度电机。数据传输系统主要包括“S”型拉压力传感器、拉压力数值显示器及位移显示器。拉伸系统主要包括移动模具端、固定模具端以及移动模具下的平行轨道，移动模具通过包裹式轴承与滑道连接，减少摩擦的同时保证试样轴心受拉。针对现有土体拉伸试验装置存在的不足，并结合前人设计的抗拉仪器，对直剪试验装置进行改进，可实现对不同干密度和含水率的土体开展抗拉强度试验。

1—固定模具；
2—移动模具；
3—拉压力传感器；
4—电动机；
5—位移显示器；
6—拉压力数值显示器。图1 单轴拉伸仪Fig.1 Uniaxial tension devices

1.2 试验材料

试验用土取自桂林龙胜县某工地，为千枚岩全风化土，土样呈红褐色。根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》测得土体的基本物理性质指标见表1。

表1 千枚岩全风化土基本物理性质Table 1 Physical indices of weathered phyllite soil

1.3 试验过程

1.3.1抗拉强度试验

为了研究含水率与千枚岩全风化土抗拉强度的关系，试验配置含水率为5%～40%，梯度为5%的土样，同时为了研究干密度对千枚岩全风化土抗拉强度的影响，进行干密度为1.1，1.2，1.4 g/cm3的抗拉强度试验。千枚岩全风化土的抗拉强度试样总共为24个。制样时按目标含水率计算称取的土样直接在模具中采用分层静压法压实。压实后将模具安装在自制的单轴拉伸仪中进行抗拉试验。

根据已有的抗拉试验分析，选择0.1 mm/min的拉伸速率。通过将拉伸载荷除以土样颈部的截面面积(宽度×高度)，计算出拉伸应力。将土样拉伸破坏的位移除以土样受拉方向的有效长度作为试样的应变值。由此可求得拉应力-拉应变曲线，最终选取该曲线上的峰值点作为该条件下土样的抗拉强度值。抗拉强度计算按式(1)进行：

σt=F/A

(1)

式中：F为轴向拉力；
A为试样截面积。

1.3.2持水特性试验

轴平移法控制吸力试验采用压力板仪：所用仪器为配有承受1 500 kPa的陶土板，由于实验室气源限制，最大气压加至700 kPa，将按静压法压制的干密度为1.1，1.2，1.4 g/cm3的两组平行样放入压力板仪的压力室中，逐级施加吸力，分别为10，20，50，80，160，300，500，700 kPa。

蒸气平衡法通过不同类型饱和盐溶液控制吸力：将制备上述3个干密度的环刀样饱和后切成小块，放在已配置好的过饱和盐溶液上方，进行脱湿试验，试验所用饱和盐溶液及对应的吸力值，如表2所示。当土块一周内质量变化小于0.01 g时，认为达到平衡。取出土样，测含水率，并利用阿基米德原理测量体积，具体步骤可参照牛庚等测体积的方法[10]。

表2 饱和盐溶液及对应吸力值(20 ℃)Table 2 Saturated salt solutions and corresponding suction(20 ℃)

2.1 抗拉强度结果

不同干密度试样的抗拉强度随饱和度变化关系如图2所示。当土样含水率达到较高值时，其制样非常困难，故在试验配置的最高含水率为40%，对于低干密度的试样而言，不能达到其饱和含水率。由图2可以看出：抗拉强度随干密度的增大而增大，随饱和度增加呈现出“增—减—增—减”的变化规律。峰值分别出现在饱和度为10%～20%、60%～100%。具体来说，当初始干密度为1.2 g/cm3时，抗拉强度随初始饱和度的增加缓慢增大，达到一定含水率后，抗拉强度随饱和度增加又缓慢降低；
随后，抗拉强度再次随饱和度增大呈显著增大的趋势，当饱和度增加到很大时，抗拉强度又出现降低趋势。总结为抗拉强度在整个饱和度范围出现两个峰值，呈现“双峰”现象，这与吕海波等的研究结果[7](1个峰值)不一致。

—1.1 g/cm3；
—1.2 g/cm3；
—1.4 g/cm3。图2 土样抗拉强度曲线Fig.2 Tensile strength curves of soil specimens

2.2 持水性结果

图3为干密度为1.1，1.2，1.4 g/cm3的土样采用轴平移法测试的低吸力范围和饱和盐溶液法测试的高吸力范围的持水性数据通过van Genuchten模型[11]拟合的土水特征线。假定渗透吸力影响较小，总吸力与基质吸力大致相等。van Genuchten模型算式为：

(2)

其中m=1-1/n

式中：θs、θr分别为饱和体积含水率、残余体积含水率；
s为基质吸力；
α、m、n为拟合参数。

1.1 g/cm3；

1.2 g/cm3；

1.4 g/cm3。图3 土样土水特征曲线Fig.3 Soil-water characteristic curve of soil specimens

从图3可以看出：干密度越小，饱和体积含水率越大，在脱湿过程中曲线变化幅度越大，持水能力差；
干密度越大，土样越密实，越不容易失水，因此进气值较大。在吸力范围0～13.1 MPa内，三种干密度土样持水性差距较大，然而在吸力较高的区段(13.1～367.54 MPa)曲线逐渐聚拢，差距较小。田慧会通过核磁共振试验对黏质砂土在脱湿过程中的影响因素进行研究，得到的结果也是干密度只是在较低吸力范围时控制土水特征曲线(SWCC)的形状，当吸力超过一定的范围后，初始孔隙比将不再控制SWCC的位置和形状[12]。所开展的试验结果与文献[12]一致。SWCC曲线中土样的脱湿经历三个过程[4]：1)对土样施加低吸力，土样从饱和状态开始脱水，当空气进入孔隙结构时，土体变得不饱和，此时可以确定土的进气值，此过程称为毛细区。2)随着干燥过程的进行，吸力逐渐增大，土体含水率逐渐降低，此时水以填充在饱和孔隙中和非饱和孔隙中颗粒周围接触的水桥两种形式存在。此过程称为过渡区。3)在残余段，随着吸力继续增大，土样含水率变化范围较小，水主要以结合水形式存在，此时出现残余体积含水率。

2.3 抗拉强度结果分析

Lu等研究过不同干密度和含水率砂土的抗拉强度试验，提出抗拉强度曲线(TSCC)的概念[13]，认为砂土的抗拉强度与持水性存在关系，并建立与持水性相关的宏观力学算式来拟合砂土的抗拉强度。基于上述成果，将千枚岩全风化土SWCC与TSCC结合分析抗拉强度随含水率呈现“增—减—增—减”的变化规律的原因，图4显示不同干密度千枚岩全风化土的SWCC与TSCC。可以看出:抗拉强度的两个峰值出现在过渡区段内，分别为进气值对应含水率的左侧与残余含水率的右侧。

—1.1 g/cm3，抗拉强度；
—1.2 g/cm3，抗拉强度；
—1.4 g/cm3，抗拉强度；
—1.1 g/cm3，土水特征曲线；
—1.2 g/cm3，土水特征曲线；
—1.4 g/cm3，土水特征曲线。图4 抗拉强度曲线与土水特征曲线Fig.4 TSCCs and SWCCs

对于土体单元而言，土颗粒受到表面张力、单位外法向力、接触点力、孔隙气压力、孔隙水压力多种力综合作用。随着含水量的增大，土颗粒之间的“液桥”增多，胶结力强，土颗粒之间接触力增大，导致产生更高的拉应力，出现残余含水率右侧峰值，而随着含水率继续增大，抗拉强度降低可能是细小均匀的粒度分布和均匀孔径分布的表现。当含水率很高时，毛细压力变大，此时毛细力对颗粒间起贡献作用，使抗拉强度再次增大出现第二个峰值。最终在饱和附近，抗拉强度不为零，这主要是得益于范德华力与双电层力的存在。

为进一步解释抗拉强度出现“双峰”的原因，对其中干密度为1.2 g/m3的液氮干燥试样进行压汞试验，其孔隙分布曲线见图5。可以看出千枚岩全风化土具有明显的“双峰”结构，若按照Kodikara等对土体内部微孔隙的划分：颗粒间孔隙(0.004～1 mm)、积聚体内孔隙(1～30 mm)、积聚体间孔隙(10～1 000 mm)，则1.2 g/cm3干密度下千枚岩全风化土内部主要存在颗粒间孔隙和积聚体间孔隙[14]。

图5 孔径分布密度函数曲线Fig.5 A density function curve of aperture distributions

在压汞试验中，孔径与外部压力满足Washburn方程，可以表示为式(3a)所示，土中吸力值与压汞试验外部压力存在式(3b)中的关系[10,15]：

(3a)

s=0.196p(d)

(3b)

式中：s为基质吸力；
p(d)为外部压力；
T为气-水交界面上的表面张力，为0.072 N/m；
α为固、液接触角，取140°；
d为孔径。

由式(3)可知:土体孔隙直径与土中吸力值的关系，如图6所示。可见，在优势孔径分布的位置可以达到最大拉应力，分别在颗粒间孔隙和积聚体间孔隙。由此推断:低吸力段峰值出现时，土体处于毛细区，颗粒间力通过毛细压力传递，积聚体间孔隙的优势孔径范围内存在最大拉应力；
在高吸力段峰值出现时，土体从过渡区段向残余区段过渡，颗粒间孔隙力通过“水桥”的传递越来越多，颗粒间孔隙的优势孔径范围内存在最大拉应力。这表明土体抗拉强度随吸力的变化与微观孔隙结构有关，不同尺寸孔隙的水分填充程度直接影响抗拉强度的大小。

—孔径；
—抗拉强度。图6 抗拉强度与孔径分布Fig.6 Tensile strength and pore size distributions

Lu等认为拉伸应力是各粒子间物理-化学作用的结果，如范德华力、双电层力、胶结力、负孔隙水压力引起的毛细应力、液体表面张力引起的毛细应力[13]。Likos等根据Lu等提出的吸力算式[13]通过量化表面张力对吸应力的影响，导出式(4)[16]：

σs=-Se(ua-uw)-Tsaaw

(4)

式中：Ts为表面张力；
S为饱和度；
Sr为残余饱和度；
e为孔隙比；
d50为中值粒径；
aaw为每孔隙体积的空气-水界面面积；
Se为等效饱和度；
Se(ua-uw)代表基质吸力对吸应力的贡献；
Tsaaw代表表面张力对吸应力的贡献；
ηs反映气-水界面分布的各向异性，从而反映表面张力对非饱和土各向异性的影响；
λs代表气-水界面面积达到最大值；
Sr为饱和度。

此时产生的抗拉强度为：

(5)

式中：φt为低应力水平至少小于1 kPa下的内摩擦角；
δ是一个与土的塑性指数有关的模型参数[17]。

由式(5)对干密度为1.1，1.2，1.4 g/cm3的千枚岩全风化土的抗拉强度进行拟合，见图7，可以看出拟合线与数据变化趋势大致相同，可以表示抗拉强度变化，说明已有的抗拉强度模型适用于千枚岩全风化土。在较高的干密度下土样通常具有较高的进气值及较高的抗拉强度，残余抗拉强度随干密度的增大而增大。这与较高干密度下压实土孔隙度较低，孔径分布较窄，土颗粒排列较为紧密的事实是一致的。

1.1 g/cm3；

1.2 g/cm3；

1.4 g/cm3。图7 抗拉强度拟合曲线Fig.7 Fitting curves of tensile strength

1)持水性曲线分为三个阶段，干密度越大的土样，其进气值越高，持水能力越强。不同干密度土样在低吸力阶段持水性差距较大，在高吸力阶段曲线差距较小。

2)全饱和度范围抗拉强度具有两个峰值，左侧峰值出现是由于“液桥”数目增多，右侧峰值出现是毛细压力贡献的结果，这与压汞试验压实土样具有“双峰”结构相对应。

3)基于吸应力概念的抗拉强度模型适用于广吸力范围的压实千枚岩全风化土，模型变化趋势与试验数据较为吻合。