重塑土試樣制備技術(shù)對比研究

何娟娟

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510925）

重塑土試樣制備技術(shù)對比研究

何娟娟

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510925）

受取樣條件限制，許多土工試驗(yàn)只能在重塑土的基礎(chǔ)上展開。而重塑土樣制備時(shí)的成樣質(zhì)量，往往受制樣工藝、設(shè)備及試驗(yàn)者的操作水平等影響，從而造成了其物理、力學(xué)參數(shù)具有較大的隨機(jī)性、偶然性，對相關(guān)試驗(yàn)研究、工程設(shè)計(jì)有著較大的影響?；诖?，采用自動(dòng)雙向擊實(shí)的制樣方式，對重塑土的制備技術(shù)進(jìn)行研究。在通過大量三軸試樣比較，采用新型方式制備重塑樣時(shí)制作工藝簡單、操作方便，成樣質(zhì)量也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的人工分層擊實(shí)制樣法。

重塑樣；三軸試驗(yàn) ；技術(shù)對比

工程實(shí)踐及研究項(xiàng)目中，常常遇到取樣難度大、擾動(dòng)過大或原狀樣難以保存、運(yùn)輸?shù)惹闆r，在試驗(yàn)中不得不采用重塑土來進(jìn)行試驗(yàn)。重塑土是指將人為擾動(dòng)過的土樣，在經(jīng)過壓密或者壓實(shí)作用后形成的具有一定重度、含水量的人工制備的土樣，與原狀土具有相同或相似的成分、結(jié)構(gòu)。目前的室內(nèi)土樣重塑方法主要有兩類：固結(jié)法與擊實(shí)法。固結(jié)法[1]是在風(fēng)干的土體加蒸餾水，配成大于液限的稀泥漿，然后倒入制樣筒中，并在頂部施加靜載使土樣固結(jié)。Malandraki[2]、蔣明鏡[3]、謝定義[4]等采用固結(jié)法對土體進(jìn)行并比較了該類重塑樣與原狀樣的性質(zhì)差異，結(jié)果表明其重塑效果較好，但從試驗(yàn)角度來看，制樣過程繁瑣、固結(jié)時(shí)間長，對制樣設(shè)備要求較高。擊實(shí)法[1]是使用一定質(zhì)量的擊錘，從一定的高度自然下落，分多層擊實(shí)土樣至所需的尺寸，相對固結(jié)法而言，制樣方法簡單易行、制樣周期短，但擊實(shí)樣成樣質(zhì)量往往與實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員操作水平有很大的相關(guān)性，土樣因受力不均勻而造成土樣上下層密實(shí)程度不均一的現(xiàn)象，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大。李曉軍[5]對分層擊實(shí)法成樣的重塑土的壓縮過程裂紋進(jìn)行了分析，該類試樣的裂紋首先出現(xiàn)在試樣下層密實(shí)度較小的區(qū)域；鄭劍鋒[6]研究發(fā)現(xiàn)兩頭壓實(shí)法所制得的樣品其干密度和含水量的分布較為均勻，比分層擊實(shí)法及泥漿法更容易控制試樣的均勻性。本文通過一種改進(jìn)的電動(dòng)式雙向推壓制樣儀[7]（圖1）進(jìn)行土工試驗(yàn)重塑樣的制備，不僅在制樣時(shí)一次性壓實(shí)土體，避免土體出現(xiàn)分層、不均勻的情況，還通過不排水不固結(jié)三軸壓縮試驗(yàn)，從破壞機(jī)理、力學(xué)性質(zhì)等方面與傳統(tǒng)分層擊實(shí)法進(jìn)行比較。

1 重塑土制樣方法技術(shù)改進(jìn)

按照土工試驗(yàn)規(guī)程[1]，傳統(tǒng)手工擊實(shí)法（圖1）制備重塑樣時(shí)，需要將已配置好具有一定含水量、干密度的濕土分成三等分，進(jìn)行分層擊實(shí)，每一層土擊實(shí)到三分一高度時(shí)將表面刮毛，再進(jìn)行下一層擊實(shí)，制樣工藝繁瑣，對試驗(yàn)人員的操作技能要求較高。改進(jìn)的電動(dòng)式雙向推壓制樣儀（圖2），由三相驅(qū)動(dòng)電機(jī)、加壓油泵、控制壓力表及附件組成。制樣時(shí)將一定量的濕土一次倒入模具中，固定模具的位置后啟動(dòng)機(jī)器，進(jìn)行雙向擊實(shí)。改進(jìn)的電動(dòng)式推壓制樣儀在制樣時(shí)采用一次成型、雙向壓實(shí)的方式，制作工藝簡單，操作方便。

2 不同制樣方式下的重塑土對比試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證該設(shè)備在樣品制備技術(shù)上的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)了土體三軸壓縮試驗(yàn)的對比試驗(yàn)，對傳統(tǒng)制樣方式與新方法所制得的土樣進(jìn)行物理、力學(xué)性質(zhì)的對比。

試驗(yàn)采用兩種不同的制樣方式（傳統(tǒng)手工擊實(shí)法、電動(dòng)雙向推壓法）制取不同含水量下的三軸試樣，并對比試樣的物理性質(zhì)（密實(shí)度、整體均一性等）。為了解不同制樣方式下試樣的力學(xué)特征，設(shè)計(jì)了不同含水量、正應(yīng)力作用下的不固結(jié)不排水（UU）三軸試驗(yàn)。綜合考慮試樣的稠度狀態(tài)、實(shí)際受力情況及試驗(yàn)設(shè)備的基本情況，確定試驗(yàn)應(yīng)變速率為1.5%/min，含水量為22.25%、24.95%、27.83%，正應(yīng)力水平選取50kPa、100kPa、200kPa，本試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)試驗(yàn)組，共18個(gè)試驗(yàn)土樣，具體試驗(yàn)方案見表1。

圖1 傳統(tǒng)手工擊實(shí)制樣儀

圖2 電動(dòng)雙向式推壓制樣儀

表1 試驗(yàn)方案

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 試驗(yàn)破壞前后外觀結(jié)構(gòu)對比

圖3為不同制樣方式下所制成的三軸試樣的對比圖，重塑土樣的含水量為22.95%，控制試樣的干密度均為1.53g/cm3。從土中可以看出，采用人工制樣的方式所制成的樣（前排）具有明顯的分層效應(yīng)，試樣分三層擊實(shí)，上部的土體比下部的土體密實(shí)，空隙分布不均勻。而采用雙向推壓式所制成的試樣（后排），試樣整體性、均一性都較好，空隙分布較為均勻。由于三軸試驗(yàn)采用的是不固結(jié)不排水，剪切時(shí)間較短，在這種條件下，試樣主要沿著薄弱部位（密實(shí)度較差、空隙較大的部位）開始破壞，也就是說，試樣的破壞特征可以反映出試樣密實(shí)的影響。

圖4為含水量24.95%、圍壓50kPa時(shí)，不同方法所制試樣（R2-1、J2-1）的破壞情況。由圖可知，兩種試樣在該應(yīng)力狀態(tài)下，均表現(xiàn)為鼓張破壞，人工所制成的試樣上部密實(shí)度明顯大于下部，試樣破壞時(shí)下部的鼓張破壞明顯，上部破壞特征不明顯；而機(jī)器所制成的試樣中，整體均勻性較好，發(fā)生鼓張破壞的部位為試樣的中部。

因此，從制樣表面的密實(shí)度、空隙分布情況來看，所采用的改進(jìn)制樣儀所制成的試樣，不存在分層效應(yīng)，其整體、均勻性明顯好于傳統(tǒng)的人工分層擊實(shí)法所制成的試樣。

圖3 含水量為24.95%時(shí)三軸試樣外觀對比（前排為人工分層擊實(shí)樣、后排為改進(jìn)機(jī)器制樣）

圖4 含水量24.95%、圍壓50kPa不同方法所制試樣破壞情況對比

2.2.2 試樣基本物理性質(zhì)對比

對采用不同制樣方式所制成的試樣進(jìn)行稱重，測得試樣的基本物理指標(biāo)如表2所示，可知采用不同的制樣方式，試樣的平均密度、干密度值有所差別。

表2 各試樣的基本物理特征

就測量數(shù)據(jù)來看，采用改進(jìn)機(jī)器制樣方法所制成的試樣，其干密度的誤差值在0.049%-0.998%之間，三種不同含水量作用下試樣含水量的標(biāo)準(zhǔn)差為0.001、0.002、0.006，單個(gè)試樣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)差為0.226、0.523、0.349；而人工擊實(shí)所制成試樣的含水量的標(biāo)準(zhǔn)差為0.001、0.003、0.008，試樣干密度誤差值在0.142%-1.857%之間，標(biāo)準(zhǔn)差為1.125、0.616、0.661，最大誤差值及標(biāo)準(zhǔn)差均大于改進(jìn)制樣。從表中可以看出，從不同含水量下各組試樣含水量的標(biāo)準(zhǔn)差來看，同一種制樣條件（含水量、制樣方法）下，當(dāng)含水量增大時(shí)，各試樣含水量之間的標(biāo)準(zhǔn)差也隨之增大，說明制備較高含水量的試樣時(shí)，各試樣的含水量差異增大，制樣控制難度增大。就各試樣的干密度情況來看，試樣的干密度主要受制樣時(shí)試樣的質(zhì)量控制，由于機(jī)器制樣中采用一次成型，而人工擊實(shí)制樣則分三次稱取擊實(shí)，制樣過程中容易造成誤差，因此機(jī)器制樣組中各試樣的干密度標(biāo)準(zhǔn)差要比人工擊實(shí)制樣組小。

2.2.3 試樣受力性能對比

對比三軸試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU），設(shè)置了兩個(gè)試驗(yàn)組“機(jī)器制樣組”、“人工制樣組”。試驗(yàn)選取了三個(gè)不同的含水率（22%、25%、28%）下進(jìn)行，每組土樣均在三個(gè)圍壓（50kPa、100kPa、200kPa），從而確定不同制樣方式對試樣力學(xué)性質(zhì)的影響。圖4為不同的制樣方式對土體的三軸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中a、c、e組為改進(jìn)機(jī)器制樣儀所制成的試樣，b、d、f為采用手工分層擊實(shí)法所制成的試樣。從曲線可知，重塑土在UU試驗(yàn)條件下曲線在兩種制樣方式下均呈現(xiàn)應(yīng)變硬化，且曲線的偏應(yīng)力都隨著圍壓的增大而增大，隨著試樣含水量的增大而降低。對比兩種制樣方式，發(fā)現(xiàn)人工擊實(shí)制樣組的試樣，在相同含水量、相同圍壓條件下其偏應(yīng)力值略低于機(jī)器制樣組。

從圖5可知：不同制樣方式下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線差異隨著含水量增大而有所增大。含水量為22%時(shí)，曲線基本保持一致，而含水量為28%，兩者之間差異明顯。此外，隨著含水量的增大曲線的平穩(wěn)性也有所降低。當(dāng)含水量為22%、25%時(shí)，試驗(yàn)所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為光滑，而當(dāng)含水量為28%時(shí)曲線不是很平穩(wěn)，尤其是當(dāng)圍壓也較低時(shí)。這一現(xiàn)象說明，重塑土土樣制備時(shí)不適宜采用高含水量的重塑土樣。這是因?yàn)樵谥厮芡恋闹苽溥^程中，土樣的含水量越高，粘性土的團(tuán)粒越多且團(tuán)粒的直徑也越大，制備重塑樣時(shí)松散土體體積也相對較大，擊實(shí)過程中容易造成空隙分布不均勻，從而導(dǎo)致試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的不平穩(wěn)起伏與波動(dòng)。

表3 應(yīng)變率為15%時(shí)各試樣偏應(yīng)力大?。╧Pa）

從表3中可知，當(dāng)各試樣達(dá)到相同應(yīng)變率（15%）時(shí)，除J3-3試樣與R3-3試樣之間存在著異常，其他各對比組總體上改進(jìn)機(jī)器所制成試樣的偏應(yīng)力略大于手工擊實(shí)制樣。而當(dāng)含水量為28%、圍壓為200kPa時(shí)，改進(jìn)機(jī)器制樣方式下試樣（J3-3）的偏應(yīng)力小于手工擊實(shí)樣（R3-3）這一異常情況，對比兩者的含水量、密實(shí)度不難發(fā)現(xiàn)其原因，J3-3試樣的含水量為27.53%、平均密度為1.950g/cm3、干密度為1.529g/cm3，而R3-3試樣的含水量為25.31%、平均密度為1.953g/cm3、干密度為1.558g/cm3?，F(xiàn)有大量試驗(yàn)研究已證明，土體的強(qiáng)度值與含水量成反比，與干密度呈正比（一定范圍內(nèi)）。J3-3試樣的含水量大于R3-3試樣，而干密度小于R3-3試樣，從而造成了J3-3試樣的偏應(yīng)力值小于R3-3試樣。因此，不考慮該對比組的情況，改進(jìn)機(jī)器所制成試樣的偏應(yīng)力略大于手工擊實(shí)制樣，兩者之間差異的大小主要由試樣的整體均勻性、含水量差異、干密度差異所控制。

圖5 兩種不同制樣方式下三軸UU試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

3 結(jié)論

由上述分析，可得出的結(jié)論如下：

（1）采用手工分層擊實(shí)法所制成的試樣具有明顯的分層效應(yīng)，整體性、均勻性較差。而采用新型制樣儀制備重塑樣時(shí)，采用一次擊實(shí)的方法，可有效解決試樣分層、不均勻的現(xiàn)象，制作工藝簡單，操作方便，從制樣表面的密實(shí)度、空隙分布情況來看也優(yōu)于傳統(tǒng)的人工分層擊實(shí)制樣法。且該方法對實(shí)驗(yàn)人員的操作技能要求較低，廢樣率低，變手動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，節(jié)省了制樣時(shí)間、提高了制樣效率。

（2）從兩種不同重塑方法試樣的力學(xué)性能來看，重塑土在不固結(jié)不排水的狀態(tài)下曲線在兩種制樣方式下均呈現(xiàn)應(yīng)變硬化，且曲線的偏應(yīng)力都隨著圍壓的增大而增大，隨著試樣含水量的增大而降低。人工擊實(shí)制樣組的試樣，在相同含水量、相同圍壓條件下其偏應(yīng)力值略低于機(jī)器制樣組，且隨著正應(yīng)力、含水量的增大，該差異越明顯。

（3）需要說明的是，室內(nèi)對擾動(dòng)樣的重塑只能對原狀土的部分性狀進(jìn)行重構(gòu)，某些土的性狀如各向異性、水穩(wěn)性、滲透性等都只能接近于原狀土，而無法完全復(fù)原。

參考文獻(xiàn)：

[1] 土工試驗(yàn)規(guī)程(GBSL237-1999)[S].北京：中國水利水電出版社，1999.

[2] Malanraki V, Toll D G. Triaxial tests on weakly bonded soil with changes in stress path[J]. Journal of Geotechnical and Geoenviromental Engineering，2001，127(3)：282-291.

[3] 蔣明鏡，沈珠江，趙魁芝，等.結(jié)構(gòu)性黃土濕陷性指標(biāo)室內(nèi)測定方法的探討[J].水利水運(yùn)科學(xué)研究，1999，(1)：65-71.

[4] 謝定義，齊吉琳，朱元林.土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)及其與變形-強(qiáng)度的關(guān)系[J].水利學(xué)報(bào)，1999，(10)：1-6.

[5] 李曉軍.分層擊實(shí)重塑土壓縮過程中微裂紋產(chǎn)生的機(jī)制探討[J].巖土工程技術(shù)，2000，（03）：139-142.

[6] 鄭劍鋒，馬巍，趙淑萍，蒲毅彬.重塑土室內(nèi)制樣技術(shù)對比研究[J].冰川凍土，2008，（03）：494-500.

[7] 晏鄂川，聶良佐，高連通，呂飛飛，蔡靜森.一種電動(dòng)式雙向推壓制樣儀：中國，203534879U[P].2014.4.9.

Comparative Study on the Preparation Techniques of Remolded Soil

HE Juan-juan
(Guangdong Polytechnic of Water Resources and Electric Engineering, Guangzhou 510925, China)

Due to the limits of sampling condition, remolded soil is used in many geotechnical tests. But the quality of the remolded soil samples is always changing with its preparation technique, equipment and operation level of participants, which results in its physic and mechanic parameter random and that’s will have a great influence on the further research and engineering design. Therefore, this study adopts an automatic bi-directional instrument to preparation soil samples in contrast with the traditional method. Through a large number of triaxial tests, it is proved that the new method of automatic bi-directional instrument is easier to operate, and its samples’ quality is better than that of traditional man-made method.

remolded soil sample; triaxial tests; method contrast

TU411

A

1672-2841（2016）02-0027-05

2016-03-21

何娟娟，女，助教，碩士，從事巖土體穩(wěn)定性分析、地質(zhì)災(zāi)害治理研究。