土體抗拉張力學(xué)特性研究現(xiàn)狀與展望,地質(zhì)工程論文

土體抗拉張力學(xué)特性研究現(xiàn)在狀況與展望,地質(zhì)工程論文在傳統(tǒng)工程地質(zhì)環(huán)境及土力學(xué)性質(zhì)的研究中，土體通常不主動作為抗拉材料使用，以為土的抗拉強(qiáng)度很小或幾乎視為零[1,2],實際工程中土體的抗拉強(qiáng)度經(jīng)常被忽略，多側(cè)重于抗壓和抗剪，對抗拉張的研究較少[3,4].然而，很多工程問題中的土體會發(fā)生開裂現(xiàn)象，諸如紅色問題土中常見的崩崗[5]、滑坡以及黃土中常見的滑塌[6]等地質(zhì)災(zāi)禍孕育經(jīng)過中坡頂幾乎都產(chǎn)生的張拉裂縫[7,8],其毀壞形式是拉張和剪切的耦合，都與其抗拉張力學(xué)特性密切相關(guān)。抗拉張強(qiáng)度是評價非飽和土的崩崗、崩塌及土壩、堤防、路基、垃圾填埋場等邊坡的穩(wěn)定性的重要參數(shù)，黃文熙[9]早就指出抗拉張是黏性土的一個比擬重要的力學(xué)性質(zhì)。試驗研究表示清楚[4,10]天然非飽和黏性土的抗拉強(qiáng)度一般可到達(dá)十幾到幾十千帕，從抗拉力學(xué)角度，土體的抗拉強(qiáng)度幾乎相當(dāng)于同等面積內(nèi)2m3m間距錨桿的抗拔力。可見，抗拉強(qiáng)度在土體穩(wěn)定性中起著相當(dāng)重要的作用，忽略土的抗拉張強(qiáng)度顯然是對土的強(qiáng)度認(rèn)識上的不全面。本文從土體抗拉張力學(xué)特性的實驗研究和理論分析2個角度出發(fā)，介紹并比照分析了國內(nèi)外土體抗拉張力學(xué)特性的試驗以及理論方面的最新研究，通過總結(jié)分析歷史上大量的巖土毀壞試驗抽象概括出了土體的8種毀壞形式，隨后以為土體變形毀壞的本質(zhì)是拉剪耦合的漸進(jìn)性發(fā)展經(jīng)過，并指出研究非飽和土抗拉特性的核心問題就是要弄清土體抗議與粒間吸力之間的關(guān)系，最后總結(jié)了研究現(xiàn)在狀況中存在的一些主要問題，瞻望了今后的研究與發(fā)展方向。2抗拉張力學(xué)特性試驗研究土體的抗拉張力學(xué)特性的測試主要在室內(nèi)進(jìn)行，分2類：一類是直接測定法，即單軸拉伸試驗和三軸拉伸試驗方式方法；另一類是間接測定方式方法，包括徑向壓裂試驗、彎曲梁試驗和環(huán)狀試樣法等。比擬土體抗剪特性及理論的研究，土體抗拉張?zhí)匦缘难芯砍潭葻o論從試驗手段還是從理論方面都還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后的。例如，至今仍沒有統(tǒng)一規(guī)范并獲得業(yè)界普遍認(rèn)同的土體抗張?zhí)匦詼y試儀器。不過，當(dāng)下抗拉張的新型試驗儀器及間接測試方式方法不斷涌現(xiàn)，不少學(xué)者開場重視土體抗拉張力學(xué)特性的研究，這些極大地促進(jìn)了土體抗拉張?zhí)匦缘脑囼灪屠碚撗芯俊Ｍ馏w的抗拉張?zhí)匦栽囼灥难芯渴加?0世紀(jì)50年代，20世紀(jì)50~70年代，抗拉張?zhí)匦缘难芯恐饕谟谔綄で笏魍恋目估瓘?qiáng)度基本測試方式方法上[11~19].1951年，Haefeli[11]首先用直接拉伸試驗，研究了飽和黏性土在不同圍壓下的抗拉強(qiáng)度和毀壞形式，拉開了研究土體抗拉強(qiáng)度的序幕。隨后Tchbotarioff等[12]亦采用單軸拉伸試驗方式方法，對礦物組成不同的黏性土開展了試驗研究，得出了主要幾種黏土礦物抗拉強(qiáng)度的基本特性。Vomocil等[13]采用離心機(jī)方式方法測試了5種砂土的抗拉強(qiáng)度隨含水量和密度的變化規(guī)律。Farrell等[14]采用無側(cè)限壓力的直接拉伸試驗測試了重塑黏土在不同的土水吸力條件下的拉應(yīng)力，試驗結(jié)果顯示拉應(yīng)力隨含水量的增加而呈拋物線性減小，與Vomocil等[13]的研究結(jié)果類似。1960年，Parry[18]首先采用三軸拉伸試驗研究黏性土的抗拉強(qiáng)度，試驗結(jié)果表示清楚土的拉伸應(yīng)力應(yīng)變特性受圍壓、超固結(jié)比以及排水條件的影響。Bishop等[19]的三軸試驗結(jié)果進(jìn)一步表示清楚黏土的抗拉強(qiáng)度與小的圍壓變化幾乎沒有關(guān)系。而后不久，混凝土抗拉強(qiáng)度間接測試方式方法---巴西劈裂法試驗也被引進(jìn)用于研究含水率對土體抗拉強(qiáng)度的影響[20].Krishnayya[21]在徑向壓裂試驗中設(shè)計了一種特殊的電測工具，使得徑向壓裂法能夠同時測出黏土的抗拉強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。抗拉張試驗方式方法的多樣性，使得人們有條件來比照研究不同試驗方式方法對土體抗拉張力學(xué)特性的影響規(guī)律。Yoginder[22]創(chuàng)始了抗拉強(qiáng)度比照試驗的先河，比照黏性土三軸拉伸試驗和單軸拉伸試驗中的抗拉特性。Kezdi[23]和Ajaz等[24]采用單軸拉伸、無側(cè)限壓縮和土梁彎曲試驗，比照研究了土體的3相物理組成對土的抗拉強(qiáng)度的影響。我們國家開展抗拉張力學(xué)特征的研究起步稍晚，始于20世紀(jì)70年代初。1973年，清華大學(xué)土石壩抗裂研究小組比擬了單軸拉伸試驗和土梁彎曲試驗測試的結(jié)果，得出土體抗拉強(qiáng)度和拉伸變形模量均隨含水量的增大而降低及隨干密度的增大而增高的認(rèn)識[25].20世紀(jì)80年代開場，國內(nèi)外的研究在土體抗拉強(qiáng)度測試方式方法創(chuàng)新及完善經(jīng)過中[26],進(jìn)入了抗拉強(qiáng)度力學(xué)基本特性研究階段。Fang等[27]采用無壓浸透技術(shù)新方式方法測試土體的抗拉強(qiáng)度，指出拉伸強(qiáng)度與土體的液塑限、活性指數(shù)、韌性指數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、凝聚力及內(nèi)摩擦角具有相關(guān)性?，F(xiàn)場試驗測試土體抗拉張強(qiáng)度開場于20世紀(jì)80年代初[28].這時期新的試驗內(nèi)容和試驗方式方法也不斷出現(xiàn)。鈕澤明等[29]試驗研究了循環(huán)加卸荷載、干容重與含水量、加荷速率幾個因素對黏性填土單軸抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。Mosaid[30]采用空心圓柱內(nèi)牙劈裂試驗測試了壓實黏性土的特性參數(shù)。Snyder等[31]采用氣動斷裂法新技術(shù)測量了非飽和土的拉伸強(qiáng)度。20世紀(jì)80年代后期到20世紀(jì)末，國內(nèi)外學(xué)者對土體抗拉強(qiáng)度的研究記載忽然少見，幾乎有十余年的斷層，只是零星地開展了一些抗拉強(qiáng)度方面的研究，如Nearing等[32]通過試驗測試土體抗拉強(qiáng)度特征，證明土體擾動后抗拉強(qiáng)度為原狀土抗拉強(qiáng)度的33%;駱亞生等[33]通過單軸拉伸試驗，對黃土的抗拉強(qiáng)度與含水量、干密度、飽和度及基質(zhì)吸力間的關(guān)系進(jìn)行了討論，獲得了幾項較為明顯的規(guī)律。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著各種試驗儀器、設(shè)備愈加完善，又迅速有了更廣泛和更深切進(jìn)入的新發(fā)展，更重視土的成分、物性和構(gòu)造等因素對抗拉張強(qiáng)度的影響。此階段，抗拉張的測試方式方法不斷探尋求索，涌現(xiàn)出了大量的新測試方式方法和測試儀器[34~44].例如，Tang等[34]采用應(yīng)變控制式加載方式利用單軸拉伸試驗研究了非飽和黏性土的抗拉特性，Tamrakar等[35]研制的在直剪儀上改制臥式單軸拉伸試驗儀以測試斷裂韌度的方式方法，進(jìn)謙及其帶領(lǐng)的團(tuán)隊[36~41]研發(fā)了新型臥式單軸土工拉伸儀，李曉軍等[42,43]研制的能夠配合計算機(jī)層析〔CT〕掃描的圓環(huán)內(nèi)壁施加徑向壓應(yīng)力的拉裂法[44].這一時期國際上，抗拉張試驗方式方法比擬創(chuàng)新、理論比擬成熟、操作亦比擬簡單的測試方式方法有下面3種：〔1〕Kim等[45]改良了Perkins[46]研制的土樣直接拉伸試驗裝置，測試了3組不同密度和4組不同含水量的重塑土的抗拉強(qiáng)度，土樣盒〔178mm178mm178mm〕由2個對稱的半盒子組成，盒子內(nèi)部固定了4個三角楔形以利于試驗時試樣從斷面最短處斷開。之后，Arslan等[47]進(jìn)一步用此裝置測試了月壤的抗拉張?zhí)匦?，Kim等[48]亦根據(jù)需要改良了此裝置，然后測試了非飽和砂性土由毛細(xì)吸力引起的抗拉強(qiáng)度。〔2〕Ibarra等[49]采用液壓機(jī)和土樣車床把原圓柱形土樣重塑并制成計時沙漏形，然后在自制的拉伸裝置上測試了不同含水量和密度的重塑黏土的抗拉強(qiáng)度?！?〕Akagawa等[50]采用Tamrakar等[51]闡述過的力學(xué)性狀較好的橫8字形土樣，測試了0~-2℃的凍土的抗拉強(qiáng)度，試驗結(jié)果表示清楚土孔隙中冰的構(gòu)造是凍土相對非凍土具有高抗拉強(qiáng)度的主要原因。在國內(nèi)，進(jìn)入21世紀(jì)后也涌現(xiàn)了不少具有創(chuàng)新性的新測試方式方法和測試儀器。孫萍等[52~54]采用臥式單軸拉伸土工拉伸儀〔屬應(yīng)力控制式〕，所用試樣直徑39.1mm、高80mm,試驗結(jié)果表示清楚不同含水率的原狀黃土在拉伸經(jīng)過中均沒有明顯的頸縮現(xiàn)象，斷裂面粗糙，基本垂直于拉應(yīng)力方向，屬于脆性斷裂，與邢義川等[55]的試驗結(jié)果一樣。李榮建等[56]和宋焱勛等[57]通過電動控制加載的土梁彎曲試驗機(jī)采用土梁彎曲試驗測試了原狀黃土和重塑黃土的抗拉強(qiáng)度，華而不實原狀土梁試樣通過原狀土梁削樣器制備，重塑土梁試樣通過重塑土梁壓樣器制備，試樣尺寸為240mm30mm30mm〔長寬高〕的長方體土梁試樣。試驗結(jié)果表示清楚通過Mohr-coulomb強(qiáng)度線的反向延長線確定的抗拉強(qiáng)度明顯夸張了土體的實際抗拉強(qiáng)度〔超過了3倍以上〕。胡海軍等[58]對原有的動三軸儀器進(jìn)行改造，使設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)軸向施加拉力〔應(yīng)力控制式〕，改裝的儀器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)單軸抗拉強(qiáng)度試驗，而且能實現(xiàn)帶圍壓的三軸減載伸長試驗，其試驗結(jié)果表示清楚，層面會對重塑黃土的抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度產(chǎn)生影響。李春清等[59]用蘭州市九州開發(fā)區(qū)的重塑黃土，用軸向壓裂法系統(tǒng)研究了黃土在不同的加載速率、試樣高度、制樣方式方法、加載圓柱直徑時的抗拉強(qiáng)度。試驗結(jié)果表示清楚，靜壓制樣優(yōu)于擊實制樣且其抗拉強(qiáng)度較大，抗拉強(qiáng)度測試值隨加載圓柱體直徑呈線性增大，高徑比為1∶1的試樣的抗拉強(qiáng)度最穩(wěn)定。張緒濤等[60]針對現(xiàn)有土工直接拉伸試驗裝置的缺乏，研制了一套臥式直接拉伸試驗裝置，該裝置由拉伸加載系統(tǒng)、數(shù)字液壓伺服控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)3部分組成。試驗裝置可開展多種易成型材料的直接拉伸試驗，能精到準(zhǔn)確測試材料的抗拉強(qiáng)度并能給出拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線；巧妙設(shè)計了加載夾具，解決了試驗材料與拉伸裝置的連接難題；能精到準(zhǔn)確連續(xù)控制試驗拉力，并能獲得材料抗拉強(qiáng)度峰后段的拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線。與此同時，抗拉強(qiáng)度的研究范圍逐步拓寬甚至出現(xiàn)穿插學(xué)科研究領(lǐng)域。Rahimi等[61]的平行試驗表示清楚有機(jī)物含量越高，土體抗拉張強(qiáng)度越大，這個結(jié)論值得今后研究重視，由于抗剪強(qiáng)度與有機(jī)質(zhì)含量一般恰好成反比。Kavdir等[62]的試驗表示清楚，土的拉伸強(qiáng)度和團(tuán)圓體的穩(wěn)定性可成為土體構(gòu)造質(zhì)量指標(biāo)，可用于確定土地利用類型。Zeh等[63]對基質(zhì)吸力和土體構(gòu)造影響下壓實土的抗拉強(qiáng)度試驗結(jié)果表示清楚，在壓實經(jīng)過中，孔隙的大小、顆粒排列等對抗拉強(qiáng)度影響很大。在最近幾年抗拉強(qiáng)度研究中，干密度、前期固結(jié)壓力、含水率、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、拉伸速度、土-水特征曲線、Mohr-Coulomb參數(shù)、圍壓及其他非飽和土參數(shù)等重要影響因素得到試驗研究[64,65].3抗拉張力學(xué)特性理論研究除少數(shù)土體以外〔淤泥、飽和軟黏土等〕，自然界土體大多為非飽和土，所以土體抗拉張?zhí)匦缘睦碚撗芯坷響?yīng)集中于非飽和土。非飽和土的抗拉強(qiáng)度主要來源于顆粒間的粘結(jié)和分子引力構(gòu)成的凝聚力、膠結(jié)物質(zhì)的構(gòu)成膠結(jié)力和外表張力構(gòu)成顆粒間的吸附力等3種作用力[36].宏觀上，經(jīng)常有學(xué)者將摩爾-庫倫的負(fù)半軸作為土體的抗拉強(qiáng)度[66],實際上由于負(fù)半軸的高度非線性，直接將負(fù)半軸包絡(luò)線作為抗拉強(qiáng)度是嚴(yán)重高估了非飽和土的抗拉強(qiáng)度的[67,68].一般來講，顆粒間的吸力越大，粒間的膠結(jié)強(qiáng)度越高，非飽和土抵抗拉張應(yīng)力的能力越強(qiáng)。很多抗拉張力學(xué)行為的研究表示清楚，由吸力引起的粒間吸附作用是非飽和土抗拉強(qiáng)度的一個重要組成部分。眾所周知，非飽和土吸力的存在，使得非飽和土的力學(xué)性質(zhì)較之飽和土的復(fù)雜得多，其強(qiáng)度一般也要大于飽和土的強(qiáng)度。當(dāng)今很多的非飽和土有效應(yīng)力公式及強(qiáng)度計算公式中都包含了土顆粒的粒間吸力〔如基質(zhì)吸力或濕吸力等〕對非飽和土強(qiáng)度的奉獻(xiàn)[69~74].鑒于非飽和土顆粒間的吸力影響著顆粒間的聯(lián)合強(qiáng)度，即土顆粒間吸力的變化必然引起抗拉強(qiáng)度的變化，因而眾多學(xué)者從這個角度進(jìn)行研究并獲得了一些可喜的成果[64~68].Vesga等[69,70]將非飽和土分為飽和狀態(tài)、索帶狀態(tài)、完全鐘擺狀態(tài)和部分鐘擺狀態(tài)等4種狀態(tài)，之后又給出了各種狀態(tài)下顆粒間有效應(yīng)力的表示出式。Cho等[71]以為處于完全鐘擺狀態(tài)的非飽和土顆粒間的毛細(xì)吸力F由基質(zhì)吸力s和外表張力Ts引起，其表示出式為：式中：r1和r2分別為水氣在分界面處的半徑。Pierrat等[72]給出了處于部分鐘擺狀態(tài)的非飽和土顆粒間的毛細(xì)吸力的表示出式，并給出了如此圖1所示的關(guān)系曲線圖。由圖1可見，假如2個顆粒間是直接接觸的或者顆粒間的間距d=0,那么在低飽和角時顆粒間的毛細(xì)吸力F有最大值。但是，當(dāng)土顆粒不是直接接觸時，在低飽和角時顆粒間的毛細(xì)吸力F可能會為零。Vesga等[73]采用直接〔單軸〕拉伸試驗和間接〔巴西劈裂〕拉伸試驗分別測試了高嶺土在不同含水量〔不同水氣狀態(tài)〕時的抗拉強(qiáng)度〔圖2〕，結(jié)果表示清楚高嶺土的抗拉強(qiáng)度先隨著含水量的增加而增加，之后隨著含水量的增加而減小。Lu等[74]根據(jù)土水特征曲線上非飽和土的3種水氣狀態(tài)給出了其對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度與飽和度的關(guān)系〔圖3〕，發(fā)現(xiàn)非飽和土的抗拉強(qiáng)度與飽和度之間也并不是完全線性的關(guān)系，其變化趨勢與非飽和土所處的水氣狀態(tài)密切相關(guān)?？梢砸灾v，非飽和土的抗拉強(qiáng)度是范德華力、雙電層吸力、膠結(jié)力和毛細(xì)吸力等土顆粒間各種物理化學(xué)作用力的綜合[75],它與含水量、飽和度和基質(zhì)吸力等密切相關(guān)[49,53,76.根據(jù)李曉軍等[43]重塑黃土的抗拉強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)，繪制成三維圖形，從圖4可見重塑黃土的抗拉強(qiáng)度與干密度和含水率密切相關(guān)，且抗拉強(qiáng)度隨著干密度的增加而增加，但與含水率的關(guān)系卻存在一個波峰。邢義川等[55]、Ibarra等[49]、朱崇輝等[77]和呂海波等[78]的試驗也有類似的結(jié)果。也有很多學(xué)者注意到了非飽和土土體裂隙與其抗拉強(qiáng)度及粒間吸力嚴(yán)密相關(guān)[79,80].例如非飽和土抗拉強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力改變條件下枯燥裂縫深度的方程初步建立[81],非飽和土龜裂構(gòu)成經(jīng)過中抗拉強(qiáng)度與其顆粒間的吸力關(guān)系密切[3]以及外表活性劑、鹽分能夠影響拉伸強(qiáng)度而被關(guān)注[82,83].這些研究上的認(rèn)識，已充分講明非飽和土粒間吸力與抗拉強(qiáng)度存在著量化關(guān)聯(lián)性，也表示清楚非飽和土粒間吸力的量化方式方法、測試方式方法的研究是非飽和土強(qiáng)度理論研究的重要內(nèi)容和基礎(chǔ)。由此可看到正確的吸力認(rèn)識對非飽和土抗拉張?zhí)匦匝芯康闹陵P(guān)重要性。傳統(tǒng)非飽和土力學(xué)以為來源于土壤學(xué)或土壤物理學(xué)中的基質(zhì)吸力就是非飽和土的粒間吸力，但實際上非飽和土中隨著含水率變化的粒間吸力的組成是濕吸力和可變構(gòu)造吸力[84~86],非飽和土力學(xué)中這個認(rèn)識上的問題是傳統(tǒng)非飽和土理論中存在的一個基礎(chǔ)性問題。借鑒熊承仁等[87]基于彎曲外表內(nèi)外壓差的Young-Laplace公式和彎曲外表蒸氣壓變化的Kelvin公式建立基質(zhì)吸力〔不含浸透吸力〕計算公式的方式方法，張鵬程等[88]已經(jīng)推導(dǎo)出基于等粒任意堆積土的濕吸力計算公式。湯連生等[89]已經(jīng)求出了典型堆積方式下等粒徑顆粒的可變構(gòu)造吸力的表示出式，并對其影響因素進(jìn)行了討論。但是，對于考慮級配的非飽和土的濕吸力以及不等粒徑任意堆積方式下的可變構(gòu)造吸力，仍亟待進(jìn)一步研究。不過，立足于粒間吸力，從濕吸力和構(gòu)造吸力的角度，來研究非飽和土的抗拉強(qiáng)度顯然是非飽和土研究的一個重要方向。4拉剪耦合實驗成果與理論室內(nèi)實驗及野外觀測均表示清楚，土體的變形毀壞并非單純的拉張或剪切，而是拉張剪切耦合漸進(jìn)性發(fā)展的經(jīng)過。湯連生等在對花崗巖殘積土進(jìn)行三軸試驗時發(fā)現(xiàn)，土樣在特定條件下會出現(xiàn)剪切毀壞、拉張為主的鼓脹毀壞和張剪混合的剪脹毀壞3種變形毀壞形式〔圖5〕[90,91].已有的大量試驗[92~102]表示清楚，各類巖性的原狀土樣與重塑土樣在低圍壓應(yīng)力狀態(tài)下和在高圍壓應(yīng)力狀態(tài)下的毀壞形態(tài)卻迥然不同，原狀土樣在低圍壓時壓縮毀壞是帶有剪切面的剪切毀壞，在高圍壓時壓縮毀壞表現(xiàn)為我們通常所講的鼓形毀壞〔始終不出現(xiàn)剪切面的張脹毀壞，其實更準(zhǔn)確的講是拉張毀壞〕，重塑土樣則無論圍壓怎樣變化都是鼓形〔拉張〕毀壞。巖石的毀壞形態(tài)差異更是顯著，早在1960年Griggs等[103]就注意到無論在拉伸試驗中還是在壓縮試驗中，巖石均存在剪切斷裂和拉伸斷裂2種毀壞形式。大理巖、紅砂巖在低圍壓時是劈裂毀壞，而后隨著圍壓增大逐步過渡到剪切毀壞，當(dāng)圍壓超過脆-延轉(zhuǎn)化的臨界圍壓時呈鼓脹毀壞[103~108].Wang等[109]對砂巖毀壞形態(tài)的研究中，觀察到砂巖試樣的毀壞是剪切毀壞和拉張毀壞的混合，試樣的中心部位出現(xiàn)剪切裂縫呈現(xiàn)為剪切毀壞形式，而試樣端部卻有近乎垂直的拉張裂縫的產(chǎn)生，并且隨著圍壓的增加，毀壞形式中剪切形式裂縫越來越占主導(dǎo)，拉張裂縫逐步減少。巖石壓縮毀壞形式與巖性關(guān)系也特別密切，例如，單軸試驗中發(fā)現(xiàn)石英巖〔硬巖〕是劈裂毀壞，亞氯酸硅巖〔軟巖〕是剪切毀壞[110],三軸試驗中泥灰?guī)r在低圍壓時巖樣呈剪切毀壞，中等圍壓時呈剪脹毀壞[111].Adelinet等[112]對玄武巖進(jìn)行三軸壓縮時也發(fā)現(xiàn)，玄武巖在圍壓應(yīng)力水平不同時，其毀壞呈現(xiàn)脆性毀壞、水平變形帶和純壓縮帶幾種不同形態(tài)。固然土與巖石具有很多共性，但是歸納國內(nèi)外文獻(xiàn)的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，圍壓應(yīng)力水平對土的毀壞形式和巖石的毀壞形式的影響竟然呈現(xiàn)出相反的規(guī)律，即在較低的圍壓條件下原狀土樣和高圍壓條件的巖樣表現(xiàn)為軟化型應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，軸差應(yīng)力引起的毀壞形式為剪切毀壞，試樣中出現(xiàn)剪切帶；相反，在高圍壓條件下原狀土樣和低圍壓條件下巖樣表現(xiàn)為硬化型應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，軸差應(yīng)力引起的卻是拉張型的鼓脹毀壞。結(jié)合歷史以來的試驗研究，巖土體的毀壞形式能夠抽象總結(jié)為劈裂毀壞〔a〕、張剪毀壞〔b〕、剪切毀壞〔c〕、鼓脹毀壞〔d〕、剪脹毀壞〔e〕、張性斷裂毀壞〔f〕、剪切斷裂〔g〕及混合斷裂〔h〕8類〔圖6〕。然而，是什么決定巖土〔試樣〕三軸壓縮的毀壞形式，是被剪壞還是被拉壞，以及是什么決定巖土〔試樣〕三軸擠長的毀壞形式，是剪斷的還是被脹斷的？這些問題至今仍困擾著我們而不得其解，力學(xué)理論沒有能說明其力學(xué)上的本構(gòu)關(guān)系，也沒有能給出其判據(jù).實際上，不僅僅僅是室內(nèi)土樣的毀壞，甚至自然土坡的毀壞也正是拉張-剪切不斷耦合發(fā)展的經(jīng)過。已有的土坡穩(wěn)定性分析理論更多的是關(guān)注土體的剪切毀壞，基于剪切毀壞準(zhǔn)則進(jìn)行安全系數(shù)計算及毀壞面搜索。早在1943年，土力學(xué)之父Terzaghi最早強(qiáng)調(diào)拉張區(qū)域的構(gòu)成及深度對邊坡的很多穩(wěn)定性分析都具有重要影響,如不考慮土體發(fā)生拉張毀壞的可能，在特定情況下〔土體黏聚力較大〕，根據(jù)極限平衡理論對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析時，將會在土條間產(chǎn)生負(fù)條間力及法向力，這一現(xiàn)象不僅不合理，還會導(dǎo)致數(shù)值計算不收斂。不考慮巖土體的張拉毀壞這一事實，單純從M-C剪切毀壞出發(fā)分析地質(zhì)體穩(wěn)定性問題，可能導(dǎo)致計算所得邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)較理論往往偏高1%~10%,偏于冒險[113].Taghavi等[114]在研究河堤穩(wěn)定性時，結(jié)合實驗結(jié)果及野外檢測數(shù)據(jù)，提出經(jīng)歷體驗曲線來估計堤壩拉張裂縫的開展深度。鄧東平等[115]在考慮滲流條件下具有張裂縫邊坡的穩(wěn)定性，基于直線、圓弧和任意曲線3種滑動面型式，推導(dǎo)出折線型和臺階型邊坡的安全系數(shù)計算公式，研究結(jié)果表示清楚，拉張裂縫的存在對邊坡穩(wěn)定性影響極大。戴自航等[113]在對土坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析時，考慮了土體發(fā)生拉張毀壞的可能，并以為當(dāng)土坡內(nèi)某一點的最小主應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時，土體發(fā)生拉張毀壞，否則土體發(fā)生剪切毀壞，并以強(qiáng)度折減有限元法的實例分析進(jìn)行了驗證。結(jié)合大量滑坡事故現(xiàn)場踏勘和勘察表示清楚，滑動面的實際情況常與張拉-剪切復(fù)合毀壞相吻合[113].該研究在考慮拉張作用的土坡危險毀壞面搜索方式方法上具有指示性，但沒有透徹地分析土體拉張毀壞的本質(zhì)，也忽略了土體內(nèi)拉應(yīng)力到達(dá)抗拉強(qiáng)度時，剪應(yīng)力可能早已超過抗拉強(qiáng)度的情況。張迺龍等[116]利用線彈性斷裂力學(xué)分析土質(zhì)構(gòu)造的斷裂機(jī)制，并且結(jié)合有限元對土質(zhì)邊坡頂部裂縫進(jìn)行了計算，分析土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性，并以斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)建立了土質(zhì)邊坡頂部裂縫的穩(wěn)定性判據(jù)。Cai等[117]用線彈性斷裂力學(xué)理論對黏土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究得出，坡頂存在拉裂縫對堅硬超固結(jié)黏土垂直邊坡穩(wěn)定性的影響宏大。縱觀國內(nèi)外，總體上牽涉到拉張毀壞作用對邊坡穩(wěn)定性影響的研究并不多，像Baker[118]基于極限平衡方式方法來研究拉張強(qiáng)度對邊坡穩(wěn)定性影響〔描繪敘述性研究〕的文獻(xiàn)少見，而且其研究都只考慮土體中原就存在〔既有〕的拉張裂縫對土坡穩(wěn)定性的作用[108~115],缺乏對土坡變形毀壞經(jīng)過中發(fā)生的拉張裂縫的構(gòu)成經(jīng)過、機(jī)理〔即拉張作用的原因及發(fā)展〕以及拉剪耦合變形毀壞經(jīng)過的研究。近10年來，開場有更多的學(xué)者陸續(xù)關(guān)注到拉張裂縫發(fā)展經(jīng)過對邊坡穩(wěn)定性的影響，例如，Toyota等[119]提出考慮拉張應(yīng)力的三維應(yīng)力條件下土樣毀壞判據(jù)，并利用數(shù)值分析驗證了該判據(jù)在非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用，這也是意識到土樣變形毀壞的形式及判據(jù)與邊坡體的變形毀壞經(jīng)過存在內(nèi)在規(guī)律的一篇重要文獻(xiàn)。Zheng等[120]利用動力方式方法分析邊坡在地震作用下的毀壞機(jī)制，提出邊坡在地震作用下發(fā)生毀壞是由裂縫上部的拉張毀壞和剪切毀壞共同引起的，而不僅僅僅是由于剪切滑移毀壞引起的。Radoslaw[121]運用極限分析法，分析了事先給定的不同開展程度的裂縫對土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，指出當(dāng)坡角到達(dá)60時，拉張裂縫存在與否會導(dǎo)致土坡臨界高度相差50%.陸定杰等[122]以為開挖卸荷導(dǎo)致邊坡垂直節(jié)理張開并向深部發(fā)展，對邊坡土體的強(qiáng)度衰減作用明顯，當(dāng)垂直裂隙與前緣緩傾裂隙貫穿后，邊坡發(fā)生失穩(wěn)毀壞。這些研究的學(xué)術(shù)思想在考慮拉張毀壞的土坡穩(wěn)定性領(lǐng)域雖已有了長足的進(jìn)步，但其著重點并未放在拉張裂縫的構(gòu)成經(jīng)過及機(jī)制，對拉剪耦合變形毀壞，尤其是對考慮外界環(huán)境擾動條件的影響作用，也缺乏討論。與學(xué)術(shù)界對應(yīng)的是，(滑坡防治工程勘查規(guī)范〕〔DZ/T0218-2006〕將崩塌重新定義為地質(zhì)體在重力作用下，從高速邊坡忽然加速崩落或滾落〔跳躍〕，具有明顯的拉斷和傾覆現(xiàn)象,這種定義強(qiáng)調(diào)崩塌毀壞中的拉斷現(xiàn)象，比擬符合人們對崩塌的認(rèn)識，講明當(dāng)前固然無法給出崩塌更為詳細(xì)的定義，但在實際工程規(guī)范及研究中已經(jīng)意識到拉張毀壞作用在邊坡變形失穩(wěn)經(jīng)過中扮演了極為重要的角色。固然當(dāng)前有大量的實驗和理論研究土體的拉張毀壞和剪切毀壞，對巖土體形態(tài)各異的毀壞形式在影響因素的層面做出了一定的解釋，在其應(yīng)用〔例如土坡穩(wěn)定性分析〕上也獲得很多成果，但缺乏力學(xué)意義上的毀壞形式判據(jù)，即土體在何種情況出現(xiàn)拉張、剪切以及混合毀壞仍然沒有得到解決，當(dāng)前巖土界對土體拉剪毀壞耦合發(fā)展的機(jī)理及規(guī)律還不清楚。將拉張毀壞與剪切毀壞聯(lián)絡(luò)起來構(gòu)成合理的土體拉張-剪切毀壞準(zhǔn)則，是這一領(lǐng)域?qū)淼难芯繜衢T。5研究現(xiàn)在狀況的幾個特點時至今日，土體抗拉張領(lǐng)域的研究雖仍然倍受關(guān)注，以往的研究也為土體抗拉張試驗積累了豐富的研究經(jīng)歷體驗，提供了良好的基礎(chǔ)，但是其研究仍然少，專門針對非飽和土的研究更少。縱觀土的抗拉張力學(xué)特性研究的整個進(jìn)程，此領(lǐng)域有5個特點：〔1〕研究從一開場注重抗拉張強(qiáng)度測試方式方法，到完善測試方式方法，到關(guān)注試樣尺寸及制樣方式方法的影響[123~125],再到側(cè)重抗拉張強(qiáng)度特征及其主要影響因素，并已開場愈發(fā)感覺到了非飽和土的抗拉張力學(xué)特性與其粒間吸力關(guān)系特別密切，然而專門針對此關(guān)系的系統(tǒng)研究更是很少涉足。〔2〕抗拉張強(qiáng)度研究至最近已然表示清楚，抗拉張1區(qū)域性的特殊土有其特殊性，如脹縮土、黃土的拉張強(qiáng)度特性有各自特點，但是對遇水敏感的非飽和紅土抗拉張強(qiáng)度的研究較缺乏。〔3〕對抗拉張強(qiáng)度的主要影響或控制因素及其機(jī)理，固然國內(nèi)外獲得了一定進(jìn)展，積累了一定數(shù)據(jù)和資料，但仍缺乏系統(tǒng)的研究，還遠(yuǎn)未構(gòu)成較系統(tǒng)的非飽和土的抗拉張力學(xué)理論。〔4〕在非飽和土方面，抗拉強(qiáng)度理論研究未被重視。已有的實驗或理論幾乎都是針對飽和土的。同時，由于缺乏統(tǒng)一的非飽和土吸力認(rèn)識，當(dāng)前的各種吸力理論〔基質(zhì)吸力、粒間吸力、濕吸力〕都是見仁見智，就當(dāng)前已獲得的研究成果，要建立系統(tǒng)的非飽和土抗拉強(qiáng)度理論幾乎是不可能的?！?〕在對土體抗拉張?zhí)匦赃M(jìn)行研究時，往往將其與抗剪力學(xué)行為獨立開來，忽略了土體強(qiáng)度的另一個重要特性---抗剪切力學(xué)行為對抗拉張?zhí)匦缘挠绊懸?guī)律。實際上，土體的拉張和剪切并非脫離對方而獨立存在的，無論是室內(nèi)土樣實驗〔拉剪混合毀壞〕，還是野外實際勘察〔滑坡土體后緣多存有拉張裂縫〕，其結(jié)果都表示清楚土體的變形毀壞是拉剪耦合漸進(jìn)性發(fā)展的經(jīng)過。6瞻望新的重要研究方向綜上所述可見，土力學(xué)發(fā)展至今，對一般意義上的非飽和土力學(xué)行為的研究還不夠充分，癥結(jié)就在于對土體抗拉張?zhí)匦约袄赳詈系恼J(rèn)識還不夠透徹。為促進(jìn)土體抗拉張力學(xué)理論體系的系統(tǒng)建立，同時可從側(cè)面進(jìn)一步促進(jìn)非飽和土土力學(xué)理論的研究，那么我們瞻望土體抗拉張力學(xué)特性研究的幾個新的重要研究方向：〔1〕非飽和土粒間吸力與其抗拉張?zhí)匦躁P(guān)系的認(rèn)識。