4.2 黄土的抗拉强度
土抵抗拉伸的能力通常相当弱。一般情况下，设计人员在土工结构物的设计和稳定分析中常常忽略不计土的抗拉强度。由于近几年来经济的快速发展，公路、机场、高土石坝等的修建蓬勃兴起，使人们对这些建筑物或构筑物的抗裂能力提出较高的要求，这就使得对土的抗拉强度的研究更具现实意义。同样，从西北地区的土质特点出发，也要求我们对黄土的抗拉强度做出研究。
4.2.1 黄土抗拉强度的测试仪器和测试方法
测试黄土抗拉强度的仪器都是由其他仪器改装而成的，图4.2是一种测抗拉强度的仪器，采用该仪器进行试验，只能测定土的抗拉强度，其试验过程中没有进行应变测定。
图4.2 单轴拉伸仪示意图
1—固定架；2—传力板；3—试样；4—钢丝绳；5—滑轮；
6—光滑玻璃板；7—加力台；8—砝码；9—加力盘
用502瞬间黏结剂将试样与传力板牢固黏结，为防止水分蒸发，在试样表面涂一薄层硅脂，将黏结好的试样放到单轴拉伸仪上（图4.2），加砝码于加力盘上进行抗拉试验，每级砝码重50～100g，每加一级稳定5min后再加下一级，直到拉断为止。用拉断时的砝码总重与上一级砝码总重的平均值计算抗拉强度。其中，击实土样在拉断后对其断裂处的干密度进行测试，并与制样时的控制干密度进行了比较。本试验中所有试样均呈脆性破坏，没有出现颈缩现象。该试验采用的试样和三轴试验试样相同，高8cm、直径3.91cm。
图4.3 单轴拉伸仪结构
1—推动杆；2—手轮；3—夹具；4—试样；
5—应力环；6—百分表
图4.3是既可测抗拉强度又能测变形的仪器，该仪器是对原直剪仪进行改造实现的，手轮转动一圈，推动杆水平移动0.2mm，属应变控制式仪器，由拉伸系统和测力系统组成。在单轴拉裂试验中，保证拉力完全作用于试样中心轴上是决定试验成败的关键问题之一，试验中曾在试样两侧各安装一块百分表，同时进行变形测量，可知无偏心发生。试验时将试样用夹具夹紧，放到单轴土工拉伸仪上，逆时针方向转动手轮，推动杆带动试样拉伸，手轮转动一圈，记录百分表读数一次，根据百分表读数计算试样产生的轴向应变和承受的拉应力，直至试样拉断时的轴向拉应力为试样的抗拉强度σt，轴向应变为试样的极限拉应变εt，试样的拉伸速率为0.8mm/min（手轮转动4r/min）。用该仪器进行试验时，试样与传力板通过夹具连接，不需胶粘，避免因等待使试样水分蒸发的不足，夹具内壁粘贴一薄层防滑布，并涂松香，增加试样与夹具间的柔性和摩擦，试验中没有出现试样拔脱现象。试样的轴向应变与轴向应力按式（4.3）和式（4.4）计算。
轴向应变（‰）
轴向应力（kPa）
式中：n为手轮转速；R为百分表读数，0.01mm；L为试样的初始长度，cm；C为应力环率定系数，N/0.01mm；A为试样截面积，cm2。该试验采用的试样边长为5.48cm（截面积30cm2）、高为12cm的等截面条形。
图4.4 黄土土样的击实曲线
4.2.2 黄土的抗拉强度特性
1.土样的来源及其物理性质指标
本试验土样取自杨陵砖窑土场，取土深度3.0m，属Q3黄土，相对密度为2.71，用烘干法测得天然含水量为23.4%，天然干密度为1.30g/cm3，天然孔隙比为1.085，天然饱和度为0.585。黄土土样的物理力学性质见表4.1。黄土土样的击实试验结果见表4.2。黄土土样的击实曲线，如图4.4所示。
表4.1 黄土土样的物理力学性质
表4.2 黄土土样的击实试验结果
2.试验结果及分析
该组试验采用图4.2所示的试验仪器进行试验，内容包括原状黄土的抗拉试验，扰动黄土的抗拉试验以及土水特征曲线试验。其中原状黄土抗拉试验结果见表4.3和图4.5，土水特征曲线如图4.6所示，扰动黄土抗拉试验结果见表4.4。
表4.3 原状黄土抗拉试验结果
图4.5 原状黄土抗拉强度与含水量关系曲线
图4.6 杨陵黄土基质吸力与含水量关系曲线
表4.4 扰动黄土抗拉试验结果
（1）基质吸力对原状黄土的抗拉强度的影响。从图4.5、图4.6对比可知，抗拉强度和基质吸力与含水量有共同的规律，即随含水量的增大而减小。根据图4.5和图4.6点绘出原状黄土基质吸力与抗拉强度关系曲线，如图4.7所示。在图4.7所示含水量范围15%～25%内，基质吸力与抗拉强度有很好的相关性，经曲线拟合，基质吸力（ua-uw）与抗拉强度σt存在下列关系，即
式（4.5）的相关系数为0.997，含水量范围为15%～25%。根据式（4.5），就可以在进行非饱和原状黄土抗剪强度试验的同时，用试验测出基质吸力值直接估算出其抗拉强度。
（2）扰动黄土的抗拉特性。扰动黄土抗拉试验结果见表4.4。根据表4.4绘制扰动黄土各特征曲线，如图4.8～图4.10所示。从图4.8所示的扰动黄土抗拉强度σt与含水量w的关系曲线可以看出，对应于同一干密度，抗拉强度随含水量的增加而减小。在一定的含水量范围内，含水量的变化对干密度较低试样的抗拉强度影响甚微，而对接近于最大干密度试样的抗拉强度影响显著；但当含水量超过某一值时，各不同干密度试样的抗拉强度都突然较大幅度降低，干密度对抗拉强度的影响几乎丧失。
图4.7 原状黄土基质吸力与抗拉强度关系曲线
图4.8 扰动黄土抗拉强度与含水量关系曲线
图4.9 扰动黄土抗拉强度与干密度关系曲线
图4.10 扰动黄土抗拉强度与饱和度关系
同样，从图4.9所示的扰动黄土抗拉强度σt与干密度ρd的关系曲线可以看出，对应于同一含水量，抗拉强度随着干密度的增加而增加。较低的干密度下，干密度对抗拉强度的影响几乎与一定范围的含水量变化无关；而当干密度较大时，含水量才明显地对抗拉强度构成影响，此时的含水量减小将显著地引起抗拉强度的增大。当含水量大于一定值时，抗拉强度发生突降，此时的干密度对抗拉强度的影响甚微。
从图4.10所示的扰动黄土抗拉强度σt与饱和度Sr关系曲线可以看出，击实黄土的抗拉强度实际上受含水量和干密度的双重影响。纯粹由干密度增大而引起的饱和度增大将导致抗拉强度的增大，含水量愈小这种影响愈明显；含水量愈大这种影响愈微弱；纯粹由含水量增大而引起的饱和度增大将导致抗拉强度的减小，干密度愈大这种影响愈明显。这就要求在黄土地区修建那些对抗拉强度要求较高的工程项目时，施工中应尽量接近最大干密度，而在运行中应采取各种防水、疏水措施以保持较低的含水量。
（3）原状黄土与扰动黄土的抗拉强度对比。通过把干密度为1.30g/cm3的扰动黄土与原状黄土的抗拉强度进行对比（图4.8），发现同一含水量下原状黄土的抗拉强度远远高于扰动黄土在同一干密度下的抗拉强度。这应当是黄土在扰动状态下土体的天然结构强度丧失的缘故。