土體斷裂韌度KIC試驗(yàn)研究

廖培偉，唐紅梅

（重慶交通大學(xué)巖土工程研究所，重慶 400074）

土體斷裂韌度KIC試驗(yàn)研究

廖培偉，唐紅梅

（重慶交通大學(xué)巖土工程研究所，重慶 400074）

標(biāo)準(zhǔn)的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，加荷方向與試樣重力方向在同一條直線上，由于土體的抗拉強(qiáng)度很低，在進(jìn)行土體的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的時(shí)候，試樣僅在自重的作用下就會(huì)斷裂，即使不斷裂，重力對(duì)測(cè)試結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。根據(jù)三點(diǎn)彎曲的試驗(yàn)原理，將試樣沿底邊旋轉(zhuǎn)90°，采用水平加荷的方式，使試樣重力與加荷方向垂直，避開了重力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，并使用自主研發(fā)的土體斷裂裝置測(cè)得了土體斷裂韌度KIC。

斷裂韌度;標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn);土石比:含水率;土體斷裂試驗(yàn)裝置

近年來，因降雨引發(fā)的泥石流和滑坡頻繁發(fā)生，造成了巨大經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)和不可挽回的生命損失，因此邊坡失穩(wěn)引發(fā)的泥石流和滑坡成為了全球性的地質(zhì)災(zāi)害。而斜坡拉裂縫的形成提供了雨水進(jìn)入土體的通道，大量雨水沿裂縫下滲，使邊坡沿剪切面產(chǎn)生向下的滲透力，一旦剪應(yīng)力和滲透力超過土體的抗剪強(qiáng)度，則斜坡土體整體下滑形成泥石流和滑坡［1-7］?？梢?，斜坡拉裂縫是降雨型泥石流和滑坡形成的重要原因之一，判別斜坡是否會(huì)出現(xiàn)張開型裂紋及其擴(kuò)展問題成為了泥石流和滑坡的關(guān)鍵問題。

目前國(guó)內(nèi)外雖有一些研究人員從事巖石、混凝土等材料斷裂韌度的研究，但對(duì)于土體斷裂韌度的研究至今研究的較少。A.S.Saada，等［8］首次發(fā)表了對(duì)于土體斷裂參數(shù)的研究，但是他們提出的方法不便于操作，而且試驗(yàn)結(jié)果受人為影響非常嚴(yán)重。F.H.Lee，等［9］對(duì)于黏土中Ⅰ型裂紋擴(kuò)展的應(yīng)變能釋放率臨界值GC進(jìn)行了研究，采用的緊湊拉伸試樣的方法，但是這種試驗(yàn)可能出現(xiàn)施力點(diǎn)先于試樣斷裂破壞的情況。文獻(xiàn)［10-11］提出了用環(huán)試驗(yàn)確定黏土斷裂參數(shù)的方法。文獻(xiàn)［12-15］為消除或避免土體自重對(duì)試驗(yàn)的影響分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法進(jìn)行了改進(jìn)，但是存在不易操作，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)。

筆者根據(jù)斷裂力學(xué)原理，提出了簡(jiǎn)單易操作測(cè)定試樣斷裂韌度KIC的方法，并對(duì)擊實(shí)土樣的土石比及含水量的土體斷裂韌度KIC的變化的影響趨勢(shì)進(jìn)行了試驗(yàn)分析，以求對(duì)降雨引發(fā)的泥石流和滑坡的預(yù)防預(yù)警起到一定的指導(dǎo)意義，提供一些理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)原理

1.1 標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)［16］是斷裂力學(xué)的測(cè)定斷裂韌度KIC的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)之一（圖1）。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣及加荷裝置Fig.1 Conventional three-point bending beam loading assembly

為了保證線彈性斷裂力學(xué)的有效性，對(duì)于三點(diǎn)彎曲試樣來說，其裂縫a和韌帶（W-a）都有一定的要求，即:

式中:σys為材料的屈服應(yīng)力;KI為應(yīng)力強(qiáng)度因子;W，B分別為試樣的寬度和厚度;a為試樣中預(yù)制裂紋的切口深度。當(dāng) S=4W，a/W=0.45-0.55 時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子可以用式（2）進(jìn)行計(jì)算:

1.2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的局限性與改進(jìn)

KIC描述的是帶裂紋材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，當(dāng)然也是土體裂紋開裂的判別標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，試樣的物質(zhì)組成、幾何尺寸（如，長(zhǎng)/寬比等）、含水量、干密度等許多因素均影響材料KIC的大小。筆者僅就試樣物質(zhì)的組成和試驗(yàn)含水量對(duì)土體KIC的影響進(jìn)行討論。

1.2.1 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的局限性

標(biāo)準(zhǔn)的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的加載方向與材料的重力方向一致，在做土體的斷裂試驗(yàn)時(shí)，土體有可能僅在重力下就發(fā)生斷裂，即使不在重力下發(fā)生開裂，重力與開裂時(shí)的荷載相比也是不可忽略的，土體的重力對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果影響是很大的，因此標(biāo)準(zhǔn)的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)不適合用來做土體的斷裂試驗(yàn)。

1.2.2 試驗(yàn)方法的改進(jìn)

將標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的試樣放置方向［圖2（a）］旋轉(zhuǎn)90°［圖2（b）］，使試樣重力方向與加荷方向垂直，放置在圖2所示的測(cè)試裝置上，這樣在試驗(yàn)過程中試樣重力就不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生任何影響。

圖2 試驗(yàn)土樣模型Fig.2 Soil sample model

在試驗(yàn)過程中利用定滑輪改變加荷方向（圖3），使加荷方向由水平的變?yōu)樨Q直的，為了減小甚至忽略摩擦力的影響，在試驗(yàn)裝置上涂抹潤(rùn)滑油并在土體下面兩側(cè)木板下面放鋼珠（圖4）。

圖3 土體KIC測(cè)試裝置Fig.3 Testing assembly of KIC

圖4 加荷裝置Fig.4 Loading assembly

加荷方法為:以很緩慢的速度向圖3所示的吊桶內(nèi)加入細(xì)砂，土體開裂時(shí)測(cè)量吊桶以及桶內(nèi)砂的質(zhì)量即為試樣開裂時(shí)的荷載，斷裂標(biāo)準(zhǔn)以裂紋起裂為準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)土料

試驗(yàn)中用粒徑的大小來進(jìn)行土與石的劃分，定義粒徑小于2.0 mm為土體，粒徑大于2.0 mm的為石。用圖4所示的斷裂測(cè)試方法，對(duì)不同土石比和不同含水率的土體進(jìn)行了室內(nèi)擊實(shí)試樣斷裂韌度KIC的測(cè)試。試驗(yàn)所用的原土體取自重慶交通大學(xué)附近的一工程棄渣堆積體，其 Wp=18.8%，Gs=2.59。由于試樣尺寸較小，在配制試樣的過程中剔除了原土體中粒徑大于2.0 mm的顆粒和瓜米石中粒徑大于5.0 mm的顆粒，之后配制出試驗(yàn)所需的土石比為 7∶3，6∶4，5∶5，4∶6 和 3∶7 的試驗(yàn)土體（圖5）。

圖5 試驗(yàn)用料級(jí)配曲線Fig.5 Sieve analysis for test materials

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)試驗(yàn)的目的，共進(jìn)行了24組試驗(yàn)，每組3個(gè)試樣，試樣尺寸為280 mm×60 mm×30 mm。預(yù)制的裂縫深度為a=30 mm，干密度控制為1.8 g/cm3。

為了研究試樣土石比和含水率對(duì)斷裂韌度KIC的影響，控制各組試樣的干容重相同，而土石比或試驗(yàn)含水率不同。試樣預(yù)制裂縫及開裂形態(tài)如圖6。

圖6 試樣預(yù)制裂縫以及開裂形態(tài)Fig.6 Sample prefabricated crack and shape of crack surface after fracture failure

3.1 土石比對(duì)斷裂韌度的影響

在同一含水率下制備不同土石比的試樣進(jìn)行斷裂韌度的測(cè)試，可以研究試樣土石比對(duì)斷裂韌度KIC的影響，可以繪制出土石比與斷裂韌度的關(guān)系曲線（圖7）。

圖7 土石比對(duì)斷裂韌度KIC的影響Fig.7 Effect of soil-stone ratio on fracture toughness KIC

在相同含水率及干密度下制備的不同土石比試樣斷裂韌度KIC隨土石比中土質(zhì)量百分比的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。即存在一個(gè)最優(yōu)的土石比使斷裂韌度KIC值達(dá)到最大。

3.2 含水率對(duì)斷裂韌度的影響

如圖8，在相同土石比及干密度的情況下斷裂韌度KIC隨試驗(yàn)含水量的減小先增大。當(dāng)含水量增加到一定值后，KIC隨含水量的增加而減小。即KIC值存在一個(gè)使其值為最大的最優(yōu)含水量。這種變化規(guī)律還有待進(jìn)一步分析，對(duì)其他種類的土體是否存在也有待驗(yàn)證。

圖8 含水率對(duì)斷裂韌度KIC的影響Fig.8 Effect of water ratio on fracture toughness KIC

4 結(jié)論

1）土體自重對(duì)斷裂韌度KIC的測(cè)試的影響一直是試驗(yàn)的難點(diǎn)，筆者通過自行研制的土體斷裂裝置，改變了傳統(tǒng)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的加荷方向，使用水平加荷的方式，避免了試樣僅在自重作用下就斷裂的情況，也消除了自重對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2）試樣的含水率和土石比均對(duì)土體的斷裂韌度KIC有較大的影響，對(duì)于相同含水率及干密度制備的試樣，KIC值隨土石比中土質(zhì)量百分比的增加呈先增大后減小的趨勢(shì);對(duì)于相同土石比及干密度制備的試樣，KIC隨含水率的增加也呈先增加后減小的趨勢(shì)。

3）研究結(jié)果對(duì)修筑人工邊坡的配合比及含水量有指導(dǎo)意義。人工邊坡和土方工程填筑的時(shí)候應(yīng)保證合適的含水率和土石比，能提高其穩(wěn)定性。

（References）:

［1］ 蔡磊，鄧英爾，肖冰峰，等.“5·12”地震后旋地泥石流形成條件及運(yùn)動(dòng)特征［J］.地下水，2011，33（1）:138-141.

Cai Lei，Deng Yinger，Xiao Bingfeng，et al.Formation conditions and dynamics characteristics of the Xuandi debris flow after the“5·12”earthquake［J］.Ground Water，2011，33（1）:138-141.

［2］ 楊為民，吳樹仁，張永雙，等.降雨誘發(fā)坡面型泥石流形成機(jī)理［J］.地學(xué)前緣，2007，14（6）:197-204.

Yang Weimin，Wu Shuren，Zhang Yongshuang，et al.Research on formation mechanism of the debris flow on slope induced by rainfall［J］.Earth Science Frontiers，2007，14（6）:197-204.

［3］ 王偉，王華，許芝娟，等.降雨條件下黏性土坡微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)環(huán)境能場(chǎng)分析［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38（3）:229-234.

Wang Wei，Wang Hua，Xu Zhijuan，et al.Analysis of microstructure dynamic environmental energy-field of clays-soil slope under rainfall［J］.Journal of Northwest Agriculture and Forestry Science and Technology University，2010，38（3）:229-234.

［4］ 李兆平，張彌.考慮降雨入滲影響的非飽和土邊坡瞬態(tài)安全系數(shù)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2001，34（5）:57-61.

Li Zhaoping，Zhang Mi.Effects of rain infiltration on transient safety of unsaturaetd soil slope［J］.China Civil Engineering Journal，2001，34（5）:57-61.

［5］ 陳洪凱，鮮學(xué)福，唐紅梅，等.坡面泥石流形成過程模型試驗(yàn)［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，35（11）:130-134.

Chen Hongkai，Xian Xuefu，Tang Hongmei，et al.Modeling experiment on developing processes for debris flow on slope［J］.Journal of Hunan University，2008，35（11）:130-134.

［6］ 陳曉清，崔鵬，馮自立，等.滑坡轉(zhuǎn)化泥石流起動(dòng)的人工降雨試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（1）:106-116.

Chen Xiaoqing，Chui Peng，F(xiàn)eng Zili，et al.Artificial rainfall experimental study on landslioe translation to debris Flow［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25（1）:106-116.

［7］ 劉菲，唐紅梅.重慶庫(kù)區(qū)工程棄渣泥石流形成機(jī)理［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，29（4）:620-623.

Liu Fei，Tang Hongmei.Formation mechanism of construction spoil debris flow in Chongqing reservoir［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29（4）:620-623.

［8］ Saada A S，Chudnovsky A，Kennedy M R.A fracture mechanics study of stiff clays［C］.Proceedings of 11th Intenational Conference of Soil Mechnics and Foundation Engineering:2.San Franci SCO The united states committee of Internathoral society for soil mechanics and foundathon engineering，1985:637-640.

［9］ Lee F H，Lo K W，Lee S L.Tension crack development in soil［J］.Journal of Geotechnical Engineering，ASCE，1988，114（8）:915-930.

［10］ Harison J A.Fracure Toughness and Tensile Cracking of Soils［D］.Kentucky:University of Kentucky，1993.

［11］Harison J A，Hardin B O，Mahboub K.Fracture toughness of compacted cohesive soils using ring test［J］.Journal of Geotechnical Engineering，ASCE，1994，120（5）:872-891.

［12］Chandler H W.The use of non-linear fracture mechanics to study the fracture properties of soil［J］.Journal of Agricultural Engineering Research，1984（29）:321-327.

［13］Hallett P D，Newson T A.A simple fracture mechanics approach for assessing ductile crack growth in soil［J］.Soil Science Society of A-merica Journal，2001，65（4）:1083-1088.

［14］丁金栗，刁玉椿，孫亞平.擊實(shí)黏性土斷裂韌度性質(zhì)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，1990（7）:55-60.

Ding Jinli，Diao Yuchun，Song Yaping.Study of fracture toughness of compacted clay［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1990（7）:55-60.

［15］張振國(guó)，丁金栗.黏性土體斷裂韌度 KIC研究［J］.巖土力學(xué)，1993，14（3）:47-52.

Zhang Zhenguo，Ding Jinsu.Studies on the fracture toughness KICof cohesive soil［J］.Rock and Soil Mechanics，1993，14（3）:47-52.

［16］GB/T 4161—1984金屬材料應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1984.

Experimental Study on the Fracture Toughness KICof Soil

Liao Peiwei，Tang Hongmei
（Institute of Geotechnical Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Conventional three-point bending test，the loading direction and the gravity direction of the sample are in the same line.Because of the low tensile strength of soil，the sample will break only under the sample deadweight at the three-piont test of soil.Even if the sample is not broken，the deadweight will exert a great influence on the test results.According to the principle of three point bending test，the sample along the bottom edge to rotate 90°，by using horizontal loading way，the deadweight of sample is vertical to loading direction.In this way，the effect of gravity on the test results is avoided.The fracture toughness of soil is obtained by breaking assembly of soil which is independently developed.

fracture toughness of soil;conventional three-point bending test;soil-stone ratio;water content;soil fracture apparatus

O 344.2

A

1674-0696（2012）04-0788-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.13

2011-11-11;

2012-01-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40171017）;重慶交通大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2011（上）第02號(hào)）

廖培偉（1986—），男，山東棗莊人，碩士研究生，主要從事巖土工程與地質(zhì)災(zāi)害研究。E-mail:fengkailiao@163.com。