粗粒土靜三軸試驗制樣工藝的研究

劉 濤,楊凌云

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710043)

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粗粒土靜三軸試驗制樣工藝的研究

劉 濤,楊凌云

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710043)

基于中國高面板堆石料壩的研究，高圍壓下粗粒土靜三軸試驗成果可為大壩穩(wěn)定性提供參考依據(jù)，試樣制備工藝對三軸試驗成功與否起著決定性的作用。文章重點闡述了在儀器設(shè)備運轉(zhuǎn)正常的條件下，針對中高圍壓和細料含量較高試樣(<5 mm顆粒占40%以上)，提出提高試驗成功率的建議和方案。試驗結(jié)果表明：PVC純料軟板具有很好的抗撕裂性能，能夠滿足三軸試驗在高圍壓狀態(tài)下對乳膠膜的保護；人工擊實法制樣能夠提高細料含量較高試樣三軸試驗的準確度和成功率。

粗粒土靜三軸試驗；中高圍壓；細料含量； PVC純料軟板；乳膠膜；人工擊實

0 前 言

粗粒土通常是指塊石、碎石、卵石、石屑、石粉等粗顆粒組成的無黏性混合料，或者黏性土中含有大量粗顆粒的混合土；靜三軸試驗是指在不同恒定周圍壓力(即最小主應力σ3)下，施加軸向壓力(即主應力差σ1-σ3)，進行剪切至破壞，然后按摩爾-庫倫強度理論求得抗剪強度參數(shù)、按照鄧肯-張模型假設(shè)求得鄧肯模型參數(shù)，飽和狀態(tài)試驗還可求出南水模型參數(shù)[1-3]。國內(nèi)三軸試驗數(shù)據(jù)成果處理技術(shù)已然成熟[4-5]，但是中高圍壓下三軸試驗成功率偏低[6]困擾著眾多單位及個人，造成試驗任務(wù)延期，成本增加。在設(shè)備儀器運轉(zhuǎn)正常情況下，三軸試驗失敗原因主要包含以下2個方面：

(1) 中高圍壓下橡皮/乳膠膜穿孔，使得壓力室的水進入試樣，直接導致試驗失敗，這也是試驗失敗的最主要因素；

(2) 細料(<5 mm)含量偏高，在擊實作用下向下聚集，在試件的中下方形成穩(wěn)定的自濾層，不易于水的自由通過，造成在固結(jié)和剪切過程中飽和試樣中的水不能及時排出，形成孔壓，造成試驗結(jié)果失真或者試驗失敗。

由此可見，制樣是三軸試驗開展的前提，制樣工藝[7]對三軸試驗成功起著決定性的作用。

1 試驗簡介

本次試驗采用大型三軸儀，試樣直徑30 cm，高60 cm，試驗用料為某工程墊層料，巖性為安山質(zhì)晶屑巖屑凝灰熔巖，試驗級配見表1，干密度為2.22 g/cm3，試驗剪切速率2 mm/min。試驗開始前，檢測儀器狀態(tài)良好；裝樣過程中，試樣底部與頂部均鋪墊透水銅絲網(wǎng)，防止細料進入儀器管道造成水路堵塞；飽和采用先抽氣、后水頭飽和的方法(規(guī)范法)。

表1 墊層料試驗級配表

(1) 為了研究中高圍壓下橡皮/乳膠膜穿孔，購置市場上質(zhì)量較好的乳膠膜[8]、PVC[9]純料軟板、硅膠板,以上幾種材料均為3 mm厚，以確保試樣體積基本一致。

(2) 試驗采取圍壓分別為1 000 kPa和2 500 kPa；制樣為表面振動法分3層進行裝填，第1種是用3塊PVC純料軟板搭接墊襯到乳膠膜里面制樣；第2種是用3塊硅膠板搭接墊襯到乳膠膜里面制樣；第3種是直接用雙層乳膠膜制樣。通過這3種方法，2種圍壓下分別進行3組試驗，根據(jù)結(jié)果選出試驗過程中乳膠膜比較安全的方案。

(3) 為了研究第1種和第2種保護措施對試樣力學指標造成的影響，試驗采用圍壓300 kPa、600 kPa、1 000 kPa、1 500 kPa分別進行三軸試驗(飽和)，根據(jù)結(jié)果進行判定。(注：PVC純料軟板和硅膠板質(zhì)地均勻，較柔軟，采取3塊搭接的方式是為了使其不束縛試驗變形)。

(4) 為了研究細料含量偏高造成結(jié)果失真或者試驗失敗，筆者用表面振動法和人工擊實法分別裝樣進行研究，試驗圍壓為1 000 kPa，分別進行固結(jié)排水和剪切試驗，過程中觀測孔壓變化，得出細料含量較高情況下試驗成功率高的制樣工藝。

2 試驗結(jié)果對比

(1) 研究橡皮/乳膠膜穿孔，是在試驗簡介中提到的3種裝填料保護方式完成裝樣之后，再對石料與試樣底盤、試樣帽接觸部位用棉布進行纏繞保護，防止圍壓過大造成內(nèi)嵌穿孔，裝填料保護方式對乳膠膜穿孔試驗研究成果見表2，試驗抗剪強度參數(shù)成果見表3。

表2 裝填料保護各方式成果表

表3 抗剪強度參數(shù)成果表

(2) 表面振動法是用固定頻率振動器分3層裝樣，每層振動4～5 min，人工擊實法是人工用夯錘分層進行制樣，每層夯實20～30次，制樣完成后，用棉布進行纏繞保護，試驗圍壓1 000 kPa，固結(jié)加壓速率3 kPa/s，剪切速率2 mm/min，試驗研究成果見表4。

表4 表面振動法與人工擊實法試驗對比表

3 試驗成果分析

(1) 由裝填料保護方式對乳膠膜造成穿孔可以看出，雙層乳膠膜在采取振動器制樣的條件下，1 000 kPa圍壓下1組穿孔，2 500 kPa圍壓下全部穿孔；乳膠板+乳膠膜1 000 kPa圍壓下未有穿孔，但2 500 kPa圍壓下2組穿孔；PVC純料軟板+乳膠膜在1 000 kPa和2 500 kPa圍壓下均未穿孔。由此可見，即使在中低圍壓狀態(tài)下單用乳膠膜也有一定的風險性；乳膠板在低圍壓狀態(tài)下比較安全，但中高圍壓也有一定的風險；PVC純料軟板具有很好的抗撕裂性能，能夠滿足三軸試驗在高圍壓狀態(tài)下對乳膠膜的保護，保證試驗的成功進行。由表3可以看出， 試樣在PVC純料軟板+乳膠膜、乳膠板+乳膠膜、雙層乳膠膜的保護作用下φ值分別為41.2°、41.1°、41.2°，差異不大，可見，PVC純料軟板和硅膠板對試樣力學參數(shù)造成影響甚小，可忽略。

(2) 表面振動法固定頻率對試樣進行擊實，造成試件中細料(<5 mm)向下聚集，在試件的中下方形成穩(wěn)定的自濾層，不易于水的自由通過，在固結(jié)排水過程當中，孔壓達到30 kPa，且孔壓消散特別慢，剪切過程中試樣剪縮，試樣內(nèi)部水不能夠及時排出，形成孔壓，最大達到65 kPa，造成體變采集錯誤，同時試樣中形成的孔壓與圍壓相抵觸，試樣實際所受圍壓較小，直接影響試驗結(jié)果；采用人工擊實法，由于頻率強度均可人為干涉，能極大減小細料向下聚集，因此排水較通暢，實測固結(jié)、剪切最大孔壓比表面振動法要小，準確度較高。

5 結(jié) 語

(1) 我國水電開發(fā)建設(shè)的前期研究中，300 m級高面板堆石壩[10]的可行性研究愈來愈多，工程建設(shè)各方迫切要求在300 m級高面板堆石壩的筑壩技術(shù)上有所突破，以提高水電站經(jīng)濟指標的競爭力，因此高圍壓下靜三軸試驗成果會成為大壩穩(wěn)定性必不可少的參考指標。筆者就多年來從事三軸試驗研究過程中遇到的難點問題進行探討，對后續(xù)從事三軸試驗單位及個人做一參考。

(2) 高圍壓狀態(tài)下大型三軸試驗成功率較低，對試樣的保護措施決定了試驗的成敗，市場上用于大型三軸試驗乳膠膜價格昂貴，且三軸試驗本身耗時長，多次穿孔會使乳膠膜無法繼續(xù)使用，增加了試驗成本，同時也增加了試驗周期，本次試驗目的是：① 驗證PVC純料軟板在高圍壓對試樣乳膠膜具有良好的保護作用，同時也證明了PVC純料軟板在振動器擊實和高圍壓下試樣剪切變形下具有良好抗撕裂性能；② PVC純料軟板和硅膠板較柔軟，質(zhì)地均勻，且自身強度對試樣力學參數(shù)造成影響甚小；③ 制樣擊實方式的不同，對細料含量較高(當試樣中<5 mm顆粒含量占40%以上)的試樣影響較大，因此，當試驗用料細料含量較高時，采用人工擊實法代替振動器擊實，能夠提高三軸試驗的準確度和成功率。

[1] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程：DL/T5356-2006[S].北京：中國電力出版社,2007.

[2] 南京水利科學研究院.土工試驗規(guī)程SL237-1999[S].北京：中國水利水電出版社,1999.

[3] 郭慶國.粗粒土的工程特性及應用[M].鄭州：黃河水利出版社,1998.

[4] 程展林，丁紅順，吳良平.粗粒土試驗研究[J].巖土工程學報,2007,29(8):1151-1158.

[5] 陳立宏,唐松濤,張洪濤.常規(guī)三軸試驗數(shù)據(jù)處理的電子表格法[J].北京交通大學學報,2010,34(01)：54-57.

[6] 羅智,蔡國軍,盧遠航,曹進.粗粒土的大型三軸試驗及其變形與強度特性研究綜述[J].四川建筑,2013,33(3):91-93.

[7] 彭意,阮波,張向京,張佩知,周生躍.論粗粒土三軸試驗改進及教學[J].長沙鐵道學院學報,2009,10(01)：44-45.

[8] 李曉云 趙寶平.某粗粒土大型三軸剪切試驗研究[J].西北水電，2011(03):86-88.

[9] 張學霞,劉星偉,宋瑞文,苗吉軍.PVC塑料建筑模板基本性能試驗研究[J].低溫建筑技術(shù),2013,35(9)：38-40.

[10] 馬洪琪.300m級面板堆石壩適應性及對策研究[J].中國工程科學,2011,13(12):4-8,19.

tudy on Technology of Sample Preparation for Static Triaxial Tests of Coarse Grained Soil

LIU Tao, YANG Lingyun

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710043,China)

Regarding the study of high concrete faced rockfill dams in China, results of the static triaxial tests of the coarse grained soil under the surrounding pressure provides the dam stability study with reference. But technology of the sample preparation plays an important role in success of the triaxial tests. In the paper, comments and proposals on improving the test success are provided, concerning the samples with high content (grain with size<5 mm accounts for 40% above ) of fine grained soil and medium/high surrounding pressure, under condition of the normal operation of instruments and equipment. The test results present that the pure PVC soft membrane is with perfect performance of tearing resistance. It enables to protect the latex film under the high surrounding pressure in the triaxial tests. Application of the artificial compaction method can improve accuracy and success of the triaxial tests on samples with high-content fine grained soil.Key words: static triaxial test of coarse grained soil; medium/high surrounding pressure; fine grain content; pure PVC soft membrane; latex film; artificial compaction

1006—2610(2016)05—0083—03

2016-07-28

劉濤(1987- )，男，陜西省富平縣人，工程師，主要從事水利水電巖土工程試驗研究工作.

TV41

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.021