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非饱和黏性土的抗拉强度与抗剪强度关系试验研究土是地壳表层岩石风化的产物，是一种松散的 矿物颗粒或岩屑集合体。土的力学性质与原岩相比 存在较大的差别，风化前的新鲜原岩体，从岩石的
成因上说，无论是岩浆岩、沉积岩、变质岩、其力 学性质都主要表现为具有较强的抗压强度、抗剪强 度和抗拉强度，而土作为岩石风化产物，由于完整 性、整体性遭到不同程度的破坏，力学性质上表现 为还具有一定的抗压强度、抗剪强度，但强度值已 大大降低，而抗拉强度则大部分或完全丧失。
工程建设中一般不主动利用土的抗拉强度，而 主要是利用土的抗压和抗剪强度。但土体在工程中 有时承受拉应力是不可回避的。例如：心墙土石坝 工程中，心墙土料在外部坝壳料的拱效应作用下， 外部沉降小，内部黏性土料沉降大，心墙土料会受 到拉应力作用，这种情况下黏土料可能产生拉裂破 坏。另外高大受拉建筑物周围土体也常常受到拉应 力作用，例如；高压输电线塔基周围土体就经常承 受拉应力作用。随着经济和科学技术的发展，世界 各国高大工程建筑大量出现，在工程中土体受拉破 坏的现象逐渐增多，对土进行抗拉特性研究逐渐成 为土力学研究的重要课题之一。由于现代土工测试 技术的发展和研究手段多样化，对土的抗拉特性， 尤其是对非饱和黏性土抗拉特性研究逐渐受到岩土 工程专家的重视，并成为热点课题。 土的抗拉特性研究，国外有价值的研究成果相 对较多，例如，Griffith破坏准则、毕肖普破坏准则 等。另外H.Hiroshi和M.Ikeutil，J.D.Davies和 D.K.Bose在土的抗拉强度方面也有系统研究。近 年来，我国在土的剪切和抗拉强度研究方面，黄文 熙等3~16研究团体和个人进行过大量的工作，并撰 写了一些有价值的研究论文，尤其在非饱和土的基 质吸力理论方面成果显著。土的抗拉研究成果与其 使用的试验方法和所依据的分析理论存在很大的联 系，至今已有数种用于测试土的拉伸强度方法，由
于各种方法所依据的分析理论不同，所以理论成果 不够统一，目前还急需建立起一种具有广泛影响的 统一的黏性土抗拉力学本构模型。 下面简要介绍目前常用的一些拉伸试验方法及 相应的分析理论。在试验方法上，对土的拉伸试验 研究主要集中在2个方面进行，一个是直接拉伸试 验，另一个是间接拉伸试验，相应的分析理论各不 相同。
直接拉伸试验又可分单轴拉伸试验和三轴拉伸 试验，单轴拉伸试验一般是采用夹具夹住试样两端 或用胶结材料黏接试样端部，对试样直接施加轴向 拉力，在无侧限压力条件下测试土样的抗拉强度。 三轴拉伸试验是另一种直接拉伸试验，用三轴仪在 侧限压力不变条件下，减小轴向压力，使试样轴向 伸长代替在试样端部施加拉力效果。直接拉伸不像 间接拉伸试验需要假设试样为线弹性材料，但是试 样两端夹紧或黏着的部位易发生应力集中，拉伸破 坏往往出现在两端部位。
间接拉伸试验不是直接在试样两端施加拉应 力，而是假设土的拉伸破坏符合一定的应力－应变 关系，用压裂等间接方法进行试验，然后用与试验 方法相适应的理论公式计算抗拉强度。这类试验主 要有土梁弯曲试验、轴向压裂试验、径向压裂试验 气压劈裂试验4种方式。 土梁弯曲试验是将已知断面面积的条状土梁试 样在底面两端简支，在顶面逐级增加压力，梁的底 部为拉应力，顶部为压应力，裂缝先从底部拉应力 最大处开始出现，然后向上扩展，其方向与拉应力 方向垂直，这种方法假设土梁的横截面在弯曲后仍 保持为平面，土的应力－应变为线性关系，按弹性 理论计算抗拉强度。轴向压裂试验也称为无侧限冲 压试验，试验时，在圆柱状试样上下两端通过小的 刚性冲压垫块施加相反的轴向荷载，将试样劈裂为 两半，再根据塑性理论，计算其抗拉强度。径向压 裂试验也称巴西试验，最初用于测试混凝土等脆性 材料的抗拉强度，后来被用于测试击实土的抗拉强 度，圆柱状试样沿直径方向施加相反的压力将试样 劈裂为两半，假设应力－应变为线性关系，计算其 抗拉强度。气压劈裂试验是在有侧限压力或无侧限 压力条件下，对圆柱状试样的内壁施加压力，使试 样发生切向拉伸破坏，假设应力－应变为线性关系， 计算其抗拉强度。
3土的剪切与拉伸试验研究
拉伸研究资料表明，土的拉伸破坏主要发生在 非饱和黏性土体当中，非饱和黏性土的抗剪强度和 抗拉强度受土的物理状态影响较大，土的干密度和 含水量状况是影响土的抗剪强度和抗拉强度的2个 最重要的物理性指标，在其他情况相同的条件下， 土的抗剪强度和抗拉强度随含水量的增大而减小， 随干密度的增大而增大。另外还与剪切或拉伸过程 中的剪切与拉伸速率有关，一般存在速率越快，强 度越高的特点。为了探究非饱和黏性土的抗拉特性 以及抗拉强度与抗剪强度的内在联系，进行了同种 非饱和黏性土的试验研究主要包括： (1）含水量不同，其余条件相同(包括剪切速 率、干密度、围压)的不固结不排水剪切试验。 (2)含水量不同，其余条件相同(包括剪切速 率、干密度、围压)的三轴直接拉伸试验。 (3)含水量不同，其余条件相同(包括剪切速 率、干密度、围压）的单轴直接拉伸试验
剪切试验采用常规应变控制式三轴剪切仪进 行，所用土样为陕西省西安市黑河大坝心墙填筑非 饱和黏性土扰动重塑土样。根据土的物理分析试验 及击实试验结果得到土的如下各项物理力学指标。 黏粒含量为55.2%，液限为36.3%，塑限为21.2% 塑性指数为15.1，轻型击实试验的最大干密度为 1.71g/cm，最优含水量为19.0%。将各种条件下的 10组不同组土样编号为TY1～TY10，考虑到土体 拉伸破坏多发生在最优含水量以下的实际状况，剪 切和拉伸试验制样含水量控制在击实试验最优含水 量以下进行，依次为10.0%～19.0%，各组试样含水 量相差1.0%。所有试样干密度相同，均采用击实试 验最大干密度乘以0.98的压实系数结果，即1.68 g/cm²，试样形状为高80mm，断面面积120mm² 的圆柱形试样。为防止在试样制备过程中，产生人 为的横向分层软弱面和试样各部分干密度不均匀， 制样采用一次成型法，制样时，制样筒侧壁涂抹润 滑油。同一组试样围压分别为200，300，400，600 kPa，剪切方式采用围压固定轴压增大的不固结不排 水剪进行，剪切速率为0.002mm/s，试验步骤按照 规程[17中的不固结不排水剪切试验规定的步骤进 行。
拉伸试验采用单轴直接拉伸试验和三轴直接拉 伸试验2种方法进行，试验仪器采用三轴剪切仪经 改造而成的拉伸试验仪进行，试验装置原理见图1。
一试验土样：6—橡皮膜：7—压力室；8—升降杆：9—试验机 图1抗拉试验装置示意图 Fig.1Device of tensile test
将土样TY1的剪切和拉伸试验结果以莫尔圆 形式绘制在同一坐标系中，作出强度包线，见图2。
图2土样TY1抗拉强度与抗剪强度包线 Fig.2 Curves of the tensile strength and shear strength on the TY1 soil sample
结果显示，在同一含水量状态下，土的抗剪强 度和抗拉强度都随围压的不同而不同，围压越大， 抗剪强度越大；出现拉伸破坏的土体，抗拉强度则 随围压的增大而减小，当围压达到一定程度，土体 破坏时，在土体内部并不产生拉应力，即土体不发 生拉伸破坏，而是发生剪切破坏。 对所有试验数据均按图2方式整理成莫尔圆形 式后发现；各组试样结果都存在上述的共同规律， 并且可得到表1所示的抗剪和抗拉强度力学参数指 标。将表1中的数据结果按剪切试验系列、拉伸试 验系列，绘制成图3和4所示的黏聚力、内摩擦角 与含水量关系曲线
表1抗剪强度与抗拉强度力学指标
由图3，4可知，抗剪强度参数指标与抗拉强度 参数指标与含水量存在联系，抗剪强度黏聚力c和
图3黏聚力与含水量关系曲线 Fig.3 Relation curves of cohesion andwate
内摩擦角与抗拉强度黏聚力c和内摩擦角都随 含水量的增大而减小，且近似呈现出一种二次线性 关系。在低含水量情况下，黏聚力受含水量的变化 影响较大，在高含水量情况下，黏聚力受含水量的 变化影响减小，即黏聚力在低含水量状况下比在高 含水量状况下受含水量变化更加敏感，图中表现为 随含水量的增加曲线趋于平缓。内摩擦角与含水量 之间存在相似的规律。 非饱和黏性土的剪切和拉伸试验结果存在上述 规律的原因，研究认为主要和土在受拉过程中所受 到的基质吸力有关，基质吸力的大小又与土的饱和 程度相关，非饱黏性土基质吸力呈现出一种非线性 规律变化，基质吸力随含水量的增加而减小，本试 验含水量状况就属于处于大于最大基质吸力含水量 的情况。对基质吸力问题的机制及变化规律，一些 土力学研究者进行过大量的研究，在此不作详细论 述。 各组剪切试样的莫尔圆所确定的库仑抗剪强
黏聚力(kPa)，取c的0.7。
由△ANE~△AOD可得
由△ANE~△AOD可得
抗拉试验中黏聚力c和内摩擦角是将三轴拉 伸和单轴拉伸试验结果以压应力为正，拉应力为负， 围压为大主应力，轴向应力为小主应力gtcc-068-2019标准下载，进行莫尔 圆整理所得。 由图2可知，土的三轴剪切试验和三轴拉伸试 验各个莫尔圆都具有公共切线，说明土的抗剪强度 和抗拉强度都满足莫尔－库仑破坏准则，预示土的 拉伸与剪切破坏可能存在共同的破坏机制，只是破 坏产生于同一机制的不同阶段。图3，4结果显示， 与抗剪强度相似的抗拉强度指标c和与抗剪强度 指标c和o存在一定的联系，抗拉强度指标的c和 较抗剪强度指标相应的c和o都小，对所做的全部 试验结果进行统计发现，物理性状相同的抗拉强度 指标c和值均为相应物理性状的抗剪强度指标c 和p值的0.7～0.8倍。由于该规律的存在，可用土 的抗剪强度对土的抗拉强度进行计算。 将土样TY1中围压为100kPa的三轴拉伸试验 结果和该组拉伸试验所得的抗拉强度指标分离出 来，形成图5所示的抗拉强度包线，对图5进行数 学关系分析可最终概括出非饱和黏性土的不同围压 条件下的抗拉强度与C，的数学关系。数学分析 如下：
将式(2)～(4)代入式(5)并整理可得R含已知参 数的表达式如下：
sin (Cc tan + ) RE 1+ sin
于是，抗拉强度可用下式表达