簡易軸向拉伸試驗儀設計及試樣合理尺寸的試驗研究

葉朝良，何世鑫，侯艷樂

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

?

簡易軸向拉伸試驗儀設計及試樣合理尺寸的試驗研究

葉朝良1，何世鑫1，侯艷樂2

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

針對現有土工抗拉儀存在的缺陷與不足，設計改良出一套簡易軸向拉伸試驗儀。通過四角調節螺栓和夾具設計，消除摩擦阻力和端部應力集中，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。由于目前試樣尺寸沒有統一標準，為了得到試樣的規范尺寸并分析試樣尺寸對抗拉特性的影響，利用設計的拉伸裝置，對不同截面和長細比試樣進行試驗。得到的試驗結果有：ω=18.0%，ρd=1.30 g/cm3時，不同截面試樣平均抗拉強度值在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，不同長細比試樣平均抗拉強度值在14.4～14.9 kPa，平均極限位移值與長細比的關系式可表示為b=9.706 7×(l/a)-6.97。分析表明：只要試樣的物理狀態(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，抗拉強度值均不受截面和長細比的影響；含水率ω低于塑限值時，極限拉伸位移不隨試樣的截面變化；含水率高于塑限值時，極限拉伸位移與長細比呈遞增的線性關系。計算每組試樣抗拉強度值的極差和標準差并分析數據的離散性，結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，長細比3的試樣尺寸較為合理，為今后開展土體抗拉強度研究提供可靠依據。

黃土； 抗拉試驗；摩擦阻力 ；應力集中 ；合理尺寸

1　概述

土的抗拉強度相對于抗剪強度和抗壓強度非常微小，在工程中常常不予考慮。而工程實踐中，機場、公路、高土石壩、土質隧道[1]等土工建筑物在修建及后期使用中，產生的張拉裂縫往往會給建筑物及周邊環境帶來很大次生災害。因此，近年來隨著土力學理論研究的不斷深入，關于土的抗拉特性日益受到人們的關注。國內外的學者們用不同的試驗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]。但土的抗拉強度試驗關于制樣標準并無明確規定，其研究結論也缺乏可比性，應用取值存在較大問題。

土的拉伸試驗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。其中單軸拉伸試驗是測量土體抗拉特性最簡單有效的方法，應力狀態明確，成果穩定。Tamrakar[5]等研制了一種新型的臥式單軸拉伸儀，發明了新的制樣和測試模具。張輝和朱俊高[6]設計了一套單軸拉伸試驗的夾具，在萬能試驗機上進行加荷。曾召田、呂海波等[7]設計了一套應力式單軸拉伸試驗儀，夾具設計為完全側限。張緒濤等[8]設計了一臺臥式直接拉伸裝置，采用數字化自動采集技術。路立娜，樊恒輝[9]設計了一套電動式單軸拉伸儀和制樣模具，可以連續加載。所有試驗中試樣尺寸大都參照三軸試驗，并沒有統一規格，試樣尺寸對同一土體單軸拉伸試驗值的影響程度缺乏探討，目前尚無公認合理的試樣尺寸。

軸向拉伸試驗是試樣在無任何側限壓力作用下直接對其施加軸向拉力，試樣在垂直加荷軸的方向破壞，測得受拉過程中及破壞時的應力和位移。一直以來，摩擦力對抗拉強度的消減作用、試樣受拉過程中偏心的影響以及試樣在兩端頭產生應力集中是設計拉伸試驗儀的難點。為此，本文設計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問題上進行了設計改進，解決了現有裝置普遍存在的問題。利用新研制的試驗儀，在控制含水率和干密度的條件下，對不同尺寸的寶蘭重塑黃土長方體試樣開展軸向拉伸試驗，分析不同長細比和截面下的抗拉強度和極限位移規律，探討了試樣尺寸對黃土的抗拉特性影響，并從數理統計方法、制樣難度等方面分析得到合理的試樣尺寸。

2　拉伸裝置的設計簡述

為了測試試樣尺寸對黃土抗拉特性的影響進而選擇試樣合理尺寸，設計出一套簡易的臥式單軸拉伸儀，結構簡單，應用方便，可以對不同尺寸的長方體試樣進行拉伸試驗，如圖1所示。試驗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。應力測量采用砝碼加載方式，為了測得較為廣泛的應力應變關系曲線，施加砝碼質量在20～300 g；每級荷載穩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

土的抗拉強度很小，最大才可達到幾十千帕。對于臥式軸向拉伸裝置來說，試樣底部與裝置之間產生的摩擦力對試驗結果的影響不容忽視。為了有效消除摩擦阻力，運用運動物理學原理：當物體在一定傾角的斜坡上有下滑趨勢時，認為此時物體不受摩擦力。在本儀器臺座的四角處安置可自由調節高度的調節螺栓，試驗前將試樣安放于玻璃板上，調節螺栓高度，當試樣將要向下滑動時擰緊螺母。這時臺座與桌面呈傾角α，試樣底面產生的靜摩擦力為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，預先在玻璃板上涂一薄層凡士林。因此可以認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

試樣的抗拉強度很小，即使微小的偏心也會給試驗結果帶來誤差。本裝置采用簡單有效的方法，可以保證試樣軸心受力。當試樣的正截面中心與光滑玻璃板中心線、傳遞拉應力的鋼絲繩在同一直線上時，試樣處于軸心受拉狀態。為了滿足這一要求，長方形玻璃板設計時正好位于儀器臺座的正中央，通過兩側焊接的L形擋板將其牢牢固定。試驗開始前，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齊。如圖3所示。

圖3　避免偏心受力

試驗儀器臺面不發生傾斜也是確保試樣軸心受拉的重要條件，而目前的抗拉試驗儀沒有專門的橫向調節裝置，本試驗在儀器臺座底部安放一個水平尺，微調四角螺栓使水準氣泡對中，從而使儀器在橫向保持水平。

2.3夾具設計

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

試樣夾具設計向來是個難題，現有的單軸拉伸儀器中由于夾具剛度很大，而試樣的強度低，剛度小，試樣端部與夾具連接時，夾具會對端頭造成一定程度的擠壓，試樣極易在端部斷裂，導致其在受拉狀態下的斷裂情形不同[8-13]，使試驗結果失真。本裝置采用特定夾具并輔以膠水粘結的方法。即試樣端頭嵌入特定夾具中后，再用瞬間膠水粘結。

為了避免試樣端部破壞，夾具設計為三面槽形，稱為槽形夾具，采用3 mm厚的不銹鋼材制成。為了得到不同規格大小試樣的抗拉特性，根據要測試試樣的不同截面大小，將夾具設計成不同的規格。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。試驗時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接牢固，另一端用502膠水將試樣端頭、軟夾具、端板聯接成一整體。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力，夾具本身對端頭沒有擠壓作用，端頭處于柔性側限狀態。同時，夾具的設計使試樣兩端形成剛度過渡段，從而避免了端部應力集中。由于膠水的作用，試樣與夾具之間不會產生滑動和脫拔現象。試樣的有效長度不包括兩夾具中的尺寸。根據圣維南原理，夾具對試樣有效長度內的應力影響可以不計(試驗中，試樣均在有效長度內斷裂)。

圖4　夾具

2.4模具設計

試驗所用試樣為長方體，不同于普通的圓柱體試樣，不能用實驗室現有模具制樣。根據試驗要求，設計出一套可以制作不同截面、不同長細比的長方體試樣模具，材質為不銹鋼。該套裝置主要由矩形盒、對稱分布的可調螺栓桿、3 mm厚的不同尺寸的可調板塊組成。矩形槽頂部彎邊可以有效防止擊實功過大導致板塊變形，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節板塊位置確定。板塊上焊有螺母，與螺栓桿在同一高度，制樣時擰緊螺栓，確保試樣尺寸不發生改變。脫模時松開螺栓，取出試樣即可，操作方便、可重復使用。如圖5所示。

圖5　模具實物

2.5儀器操作和注意事項

試驗裝置操作簡單，試驗人員不需要專門學習。試驗操作步驟如下。

(1)擰動儀器臺座的四角螺栓，調節高度，當放在光滑玻璃板上的試樣有向下滑動趨勢時為宜，此時微調螺栓的高度，使儀器底部安放的水平尺內的水準氣泡居中，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先畫好的中線對中。

(3)在儀器左側安放帶有位移計的磁力座，磁力座牢牢吸附在底板上，百分表與試樣端部接觸，實驗前將百分表調零。

(4)靜待3 min后開動秒表，開始施加砝碼，同一級荷載中，每過1 min讀數1次，當2次位移值之差在0.01 mm范圍內時，視為讀數穩定，讀取百分表數值。然后施加下一級荷載直至試樣斷裂。土體的抗拉強度和極限拉應變很小，對試樣缺陷很敏感，所以試樣制作、養護、安裝，到最后讀數都必須精心進行[14]。尤其應當注意以下幾點。

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

②兩端夾具應當和試樣粘接牢固，在試樣端部形成三面柔性側限，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，應避免將膠水與玻璃板粘住，否則試樣將無法承受拉力。

⑤施加砝碼過程中應當先加重砝碼，后加輕砝碼，質量逐漸減小。抗拉強度值用拉斷時的砝碼總重與上一級砝碼總重的平均值確定。

3　試樣合理尺寸試驗研究

目前土的單軸拉伸試驗采用的試樣規格沒有統一標準，使得試驗結果存在差異。毫無疑問，試樣沒有標準，就無法完善土體軸向拉伸試驗規范。這將給以后深入研究土的抗拉試驗帶來諸多不變。

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。土樣取自新建寶蘭客運專線天水南車站，簡稱“寶蘭”黃土。呈黃褐色，偶爾可見微小孔隙。其物理力學性質見表1。

表1　黃土的主要物理力學指標

將現場取回的寶蘭黃土風干、碾碎、過2 mm篩，按照試驗規范配置成試驗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比兩個因素)的長方體試樣，如圖6所示。試驗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3.1.1試驗方案

只改變試樣的截面大小，分析截面大小對抗拉特性的影響規律。參照三軸試驗，試樣長細比定為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。試樣尺寸的詳細參數如表2所示。

表2　不同截面重塑黃土參數

為使試驗結果更具有說服力，每一組試樣確保得到6個有效數據(即試驗時試樣均在有效長度內斷裂)。見圖7。

圖7　試樣有效斷裂

3.1.2試驗結果分析

對每組試樣得到的6個有效數據進行分析，結果表明：從試樣破壞時應力和應變的平均值來看，抗拉強度的平均值在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)，抗拉強度和極限位移不隨截面的變化而變化。

圖8　截面邊長對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，試樣內部的物理結構相同，影響抗拉強度的基質吸力和土顆粒之間的聯接力相同，不同大小的正截面上可以承受的極限拉應力即抗拉強度也是相同的。據此試驗結果可以推斷出：即使試樣含水率的選取高于塑限值時，相應的抗拉強度值也不隨截面大小變化。

本次試驗中，黃土塑限值ωp=20.0%，參考有關文獻[16]，當試樣含水率低于塑限值時，試樣以脆性斷裂為主。試樣在拉伸過程中，承受的拉力與內部產生的應變可看做線彈性關系。當拉應力達到抗拉強度時，彈性應變恰好達到極值，試樣突然斷裂，所以試驗中不同截面試樣的抗拉強度相同時，極限位移值也基本相同。

進一步計算抗拉強度值和極限位移值的極差和標準差，將得到的數據結果列于表3。

極差公式

(1)

(2)

標準差公式

(3)

(4)

式中R1，σ1——抗拉強度的極差和標準差；

R2，σ2——極限位移的極差和標準差；

an——同組試驗的抗拉強度值；

bn——同組試驗的極限拉伸位移值。

表3　試驗數據離散型分析

將極差、標準差和截面的關系繪制于圖8所示的直角坐標系中。

從圖8(a)、圖8(b)看出，截面邊長為2.5 cm的6個試樣組的抗拉強度和極限位移極差值最小，說明這一組數據的離散程度最小，得到的試驗數據最穩定。

在圖8(c)、圖8(d)中，截面邊長4 cm的試樣組得到的抗拉強度標準差值最小，其值為0.66 kPa，略小于截面邊長2.5 cm的試樣組，其標準差為0.88 kPa。由于截面太大時容易引起制樣時內部擊實不均勻、且相應質量較大，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準差最小，均為0.45×10-2mm。但試驗發現，截面2 cm的試樣由于尺寸偏小，在安裝試樣過程中容易發生破損現象。綜合分析，截面邊長為2.5 cm的試樣尺寸最為合理。

3.2不同長細比試樣的拉伸試驗

3.2.1試驗方案

通過前面試驗數據分析，得出試樣截面邊長為2.5 cm時是合理的。下面僅改變試樣長細比，分析試樣截面邊長在2.5 cm時，長細比對抗拉特性的影響規律。

在試驗方案的選取上，一開始與上節試驗相同，試樣ω=18.0%，ρd=1.30 g/cm3。在試驗完成將近一半的時候，發現所有試樣均突然斷裂，呈脆性破壞。試驗數據顯示，不同長細比試樣的抗拉強度和極限破壞位移基本不變。聯想到拉應力計算公式：σ=F/(a2)，抗拉強度在確定截面條件下，不隨長細比變化的現象不難解釋。

此時試驗含水率依然是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，試樣內部土顆粒之間的粘結力非常微小，幾乎不能承受拉伸變形，所以不同長細比下的試樣，當試樣達到抗拉強度時，試樣的拉伸位移來不及變化就斷裂了。由上節討論和試驗發現，試樣含水率在塑限以下和以上時表現出不同的脆塑性斷裂形式，本次試驗中試樣的兩種斷裂形式如圖9所示。因此，當試樣含水率高于塑限值時，試樣的破壞位移肯定隨長細比的不同而不同。

圖9　試樣斷裂形態

考慮到這一點，將試驗方案做了改動，在接下來的試驗中，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。這樣既能像第一節中通過數據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，長細比對極限位移的影響規律。試樣的詳細參數如表4所示。

表4　不同長細比重塑黃土參數

3.2.2試驗結果分析

每一相同長細比下的試樣得到6組有效的抗拉強度和極限位移值。試驗結果表明：當試樣ω=22.0%，ρd=1.45 g/cm3時，抗拉強度平均值在14.4～14.9 kPa，不隨長細比的變化而變化。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比的增大呈線性增長規律，變化明顯。極限拉伸位移隨長細比的變化關系如圖10所示。

圖10　極限拉伸位移與長細比的關系

試驗中試樣ω≥ωp，百分表讀數顯示，試樣在拉伸過程(逐級施加砝碼)中均有明顯位移，拉伸變形表現為塑性變形的特征。斷裂時，極限拉伸位移最大達到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，各截面上產生的拉伸位移值的疊加總和。

由抗拉強度的理論公式σ=F/(a2)可知，受拉過程中，試樣長度范圍內各正截面上每一點承受的拉應力相同。試樣的物理條件完全相同，即干密度和含水率完全相同時(本試驗含水率高于塑限值)，從微觀上講，相同拉應力下，即使不同長細比的試樣，每一截面上產生的微小拉伸位移也是基本相同的。所以試樣的長細比增大時，產生的極限位移，也就是各截面上產生的拉伸位移值的總和就會越大。數據擬合發現極限位移b與長細比l/a的關系式為：b=9.7067×(l/a)-6.97，R2=0.9993。

還可以推斷出：因為σ=F/(a2)，所以當試樣含水率低于塑限值時，相同正截面，不同長細比試樣獲得的相應抗拉強度值也是相同的。

進一步計算抗拉強度值和極限位移值的極差和標準差，將得到的數據結果列于表5中。

表5　試驗數據離散性分析

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

圖11　長細比對抗拉特性的離散性影響

4　結論

(1)設計了1臺簡易軸向拉伸試驗儀，此裝置有如下優點：能夠有效減小端部效應、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比的重塑土長方體試樣，并可重復使用；不受地點限制，實用性強。可以獲得不同尺寸試樣的抗拉強度和拉伸位移值。

(2)自由土體長方體黃土試樣拉伸試驗結果表明，在ω=18.0%，ρd=1.30 g/cm3的情況下，對不同截面試樣進行拉伸試驗，得到平均抗拉強度值在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，對不同長細比試樣進行拉伸試驗，得到平均抗拉強度值在14.4～14.9 kPa，平均極限位移值b隨長細比l/a的增加逐漸增加，呈線性增長趨勢，擬合關系式為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，測得抗拉強度值不會受截面大小的影響；由拉應力計算公式：σ=F/(a2)，不論試樣含水率小于或大于塑限值，其他條件相同，得到的抗拉強度值不隨長細比的變化而變化。

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

(4)本次試驗結果沒有與未改進的儀器測試結果進行對比，以后可在這方面進行對比分析，以突出改良試驗儀的優越性；拉伸裝置加砝碼的方式不能實現連續加載，以后在試驗儀連續加載方面需進行改進；本文僅研究了正方形截面的長方體試樣的規范尺寸，對圓柱狀試樣在軸向拉伸試驗的可能性、規范尺寸也需要進行研究。

[1]葉朝良.黃土隧道施工地表裂縫形成機理及控制技術研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[2]Tezera F. Azmatch.et. al. Tensile Strength and stress-strain Behavior of Devon Silt under Frozen Fringe Conditions[J]. Cold Regions Science and Technology， 2011，68:85-90.

[3]張云，陳夢蕓.擊實黏土抗拉強度研究[J].水文地質工程地質，2015，42(4)：56-73.

[4]湯連生，桑海濤，羅珍貴，等.土體抗拉張力學特性研究進展[J].地球科學進展，2015，30(3)：297-309.

[5]Surendra B. Tamrakar， et al. Development of a new Soil Tensile Strength Test Apparatus[C]∥Paul W M. Site Characterization and Modeling(GSP 138). Austin， Texas: Geotechnical Special Publication， ASCE， 2005:2291-2300.

[6]張輝，朱俊高，王俊杰，等.擊實礫質土抗拉強度試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2006，25(S2)：4186-4190.

[7]曾召田，呂海波，趙艷林，等.簡易單軸拉伸儀的研制及制樣方法探討[C]∥第九屆全國工程地質大會論文集.工程地質學報，2012，20(增3)：621-626.

[8]張緒濤，張強勇，高強，等.土工直接拉伸試驗裝置的研制及應用[J].巖土工程學報，2014，36(7)：1309-1316.

[9]路立娜，樊恒輝.土體單軸抗拉強度試驗儀器的研制[J].工程勘測設計，2014，36(9)：113-115.

[10]Haefeli R. Investigation and Measurements of Shear Strength of Saturated Cohesive Soil[J]. Geotechnique， 1951，2(3)：186-208.

[11]Lovell C W，Umakant Dash. Tensile Strength of Clays[J]. Proc 3rdSoutheast Asian Conf Soil Eng， 1972.

[12]Kezdi A.土石壩材料的拉伸強度和彎曲強度[J].水利水運科技情報，1974(S3).

[13]黨進謙，張伯平，熊永.單軸土工拉伸儀的研制[J].水利水電科技進展，2001，21(5)：31-32.

[14]李廣信.高等土力學[M].北京：清華大學出版社，2004.

[15]中華人民共和國鐵道部.TB10102—2010鐵路工程土工試驗規程[S].北京：中國鐵道出版社，2011.

[16]孫萍.黃土破裂特性試驗研究[D].西安：長安大學，2007.

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

國家自然基金項目(50978172)；鐵道部科技研究開發計劃項目(2010G018-B-4)；國家大學生創新創業訓練計劃(201410107018)

葉朝良(1969—)，男，教授，工學博士，從事巖土工程方面的教學與科研工作，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