空心圓柱扭剪儀試樣的制備和飽和

韓 玨 劉保健 馬倩倩

(1.商洛學(xué)院建工學(xué)院，陜西 商洛 726000； 2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

?

空心圓柱扭剪儀試樣的制備和飽和

韓 玨1劉保健2馬倩倩2

(1.商洛學(xué)院建工學(xué)院，陜西 商洛 726000； 2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

介紹了空心圓柱扭剪儀試樣的制備方法，從抽真空飽和、二氧化碳飽和、水頭飽和、反壓飽和等方面，闡述了空心圓柱試樣常用飽和方式的特點，為實際工程選擇合適的飽和方法提供了依據(jù)。

空心圓柱，砂性土，粘性土，飽和方法

0 引言

自然界中土的種類繁多，土的工程性質(zhì)也是十分復(fù)雜的，而且任何一種土的工程性質(zhì)又隨它的存在狀態(tài)和外界條件而有很大的變化。通常我們會結(jié)合實際的工程情況來選取不同的制樣方式，采用不同的制樣方式獲得的試樣可以模擬不同成因的土層。

空心圓柱扭剪試驗是室內(nèi)土工動態(tài)測試的一種，不僅可以模擬波浪、交通等主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜應(yīng)力路徑，還可以模擬隨機(jī)的地震荷載，用于測試土體在各種動力作用下所直接或間接表現(xiàn)出來的某種反應(yīng)和效應(yīng)?？招膱A柱扭剪儀能很好地模擬地震、波浪和交通荷載引起的應(yīng)力，是研究復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下土體動力特性的很好的工具。用空心圓柱扭剪儀研究復(fù)雜應(yīng)力路徑下土體的力學(xué)特性，土樣的制備和飽和都是土工試驗的重要環(huán)節(jié)，因此，室內(nèi)土工試驗選取合適的制樣和飽和方法對試驗結(jié)果的合理性有很大的影響。

在對黏土空心圓柱試驗的研究中，沈揚(yáng)、張金良、周建等[1-12]采用浙江大學(xué)與英國GDS共同研發(fā)的空心圓柱試樣制備器進(jìn)行削樣，在保證土樣自身的特性的同時獲取滿足試驗要求的土樣。在砂樣的制備中，黃博[14]采用水中砂雨法制樣，丁浩等[15-18]采用分層濕搗法制備砂樣，孫奇[19]采用落砂法制備砂樣。趙宇[20]采用干樣分層擊實控制干密度的方法制樣粉土試樣。

試樣飽和方法的選取中，在對黏土空心圓柱試驗的研究中，沈揚(yáng)、溫曉貴、管林波、周建等[1-13]采用反壓飽和法對試樣進(jìn)行飽和。在對砂土空心圓柱試驗的研究中，丁浩等[15-19]利用通CO2、通無氣水和施加反壓3種方法進(jìn)行試樣飽和。在對粉土的研究中，趙宇[20]采用反壓飽和法對試樣進(jìn)行飽和。

1 試樣的制備

原狀土樣是分層土工試驗的重要手段，對于測定天然土的物理、力學(xué)特性，為設(shè)計和施工提供所需的特性參數(shù)，對場地地基的穩(wěn)定性和施工適宜性做出評價起著決定性作用。但由于原狀土樣要進(jìn)行現(xiàn)場取樣、現(xiàn)場檢驗、封存、貯存、運(yùn)輸?shù)葘嶋H的問題，有時在進(jìn)行室內(nèi)試驗時只能對重塑土特性進(jìn)行研究，并通過修正應(yīng)用到實際的工程中。空心圓柱扭剪試驗是一種比較復(fù)雜的土工試驗，該試驗的試樣為實心圓柱型和空心圓柱型。其中空心圓柱型試樣尺寸為外徑100 mm，內(nèi)徑60 mm，高200 mm。在此，僅探討空心圓柱試樣的制備和飽和。

1.1 砂性土

原狀土。削樣法：采用浙江大學(xué)與英國GDS共同研發(fā)的空心圓柱試樣制備器進(jìn)行削樣。首先是外壁切削，將從工程現(xiàn)場取回的各向同性的原狀土樣放置在削土器上，根據(jù)原狀土含水量的不同可選取不同的削土工具。較軟的土樣，可用鋼絲鋸沿制樣周圍的鋼柱進(jìn)行切削，較硬的土樣，可用削土刀進(jìn)行切削。制樣的過程可旋轉(zhuǎn)底座轉(zhuǎn)盤，以便快速切削土樣。在初步切削好試樣外壁之后，需要再進(jìn)一步的對外壁進(jìn)行精修，即完成外壁的切削。其次是內(nèi)壁切削，其較外壁切取要復(fù)雜很多，試樣內(nèi)壁切削由特制內(nèi)芯切削器完成。先確定取芯時的圓心位置，將鉆頭與圓心點接觸，緩慢推動鉆桿并旋轉(zhuǎn)鉆桿，用刀具將內(nèi)芯的內(nèi)部切割到要求的孔徑。在內(nèi)壁護(hù)筒的支護(hù)下依次推進(jìn)，直到內(nèi)壁初步切削完成再用內(nèi)壁精修器進(jìn)行修圓處理，最后利用承膜筒將試樣上下端削平。原狀試樣制備完成，可用于進(jìn)一步的試驗。但在實際工程中，采取原狀砂土是比較困難的，因此，實際中很少采取原狀砂性土樣進(jìn)行試驗，而是先在現(xiàn)場測定實際的砂土密度，然后在試驗中配備與現(xiàn)場相同密度的試樣。

重塑土。在眾多的試驗中，針對重塑砂性土的制樣方法較多，常見的有落砂法、振動法、濕搗法等，Tatsuoka等[21]曾對以上幾種不同制樣方法對循環(huán)三軸及扭剪試驗的影響進(jìn)行研究，得出僅在應(yīng)變較小的情況下,不同的制樣方法才對砂土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有影響。下面就幾種不同的制樣方式進(jìn)行詳述，以便在進(jìn)行試驗時選取合適的制樣方法。

落砂法：根據(jù)需要選取的試樣的相對密實度稱取制樣所需要的干砂，進(jìn)行等分，在落砂制樣的同時要確保每份砂土的初始高度相同。將每份砂裝入漏斗后，保持相同的落距，使漏斗繞內(nèi)外橡皮膜形成的圓筒勻速轉(zhuǎn)動，以使顆粒分布均勻，以確保所制砂樣的各向同性。不同相對密實度的砂土通過落距控制。砂性土的顆粒組成(按重量計)，砂粒(2 mm～0.074 mm)>70%，粘粒(小于0.002 mm)<3%，有明顯的粒徑分布，因此在試驗中采用落砂法制樣也是一種切實有效的方法。落砂法得到的砂樣也更接近均勻性良好的天然砂土層，可用于模擬由風(fēng)載或水流沉積而成的天然砂土層。

振動法：根據(jù)控制試樣的相對密實度稱取制樣所需要的烘干砂，進(jìn)行10等分，用振動儀振動時通過控制振動次數(shù)和振動頻率來控制試樣的相對密實度。在振動的同時要確保每份砂土高度控制在20 mm。在試驗條件允許的情況下，振動法制樣也是十分可取的。

濕搗法：根據(jù)控制試樣的相對密實度稱取制樣所需要的烘干砂，加入無氣水，控制其含水率為18%，然后用塑料薄膜包裹后放入密封容器內(nèi)靜置12 h。之后將濕砂分成10等份依次倒入成樣模具中，每份砂土經(jīng)擊實器擊實，高度控制為20 mm。通過施加不同的擊實能可以制成具有不同相對密實度的試樣。濕搗法制成的試樣顆粒雜亂排列,并沒有最優(yōu)排列方向，可用以模擬回填的砂土層，因此在試驗中濕搗法制樣也是一種切實可行的方法。

1.2 粘性土

1)原狀土。削樣法：采用浙江大學(xué)與英國GDS共同研發(fā)的空心圓柱試樣制備器進(jìn)行削樣。首先是外壁切削，將從工程現(xiàn)場取回的各向同性的原狀土樣放置在削土器上，根據(jù)原狀土含水量的不同可選取不同的削土工具。較軟的土樣，可用鋼絲鋸沿制樣周圍的鋼柱進(jìn)行切削，較硬的土樣，可用削土刀進(jìn)行切削。制樣的過程可旋轉(zhuǎn)底座轉(zhuǎn)盤，以便快速切削土樣。在初步切削好試樣外壁之后，需要再進(jìn)一步的對外壁進(jìn)行精修，即完成外壁的切削。其次是內(nèi)壁切削，其較外壁切取要復(fù)雜很多，試樣內(nèi)壁切削由特制內(nèi)芯切削器完成。先確定取芯時的圓心位置，將鉆頭與圓心點接觸，緩慢推動鉆桿并旋轉(zhuǎn)鉆桿，用刀具將內(nèi)芯的內(nèi)部切割到要求的孔徑。在內(nèi)壁護(hù)筒的支護(hù)下依次推進(jìn)，直到內(nèi)壁初步切削完成再用內(nèi)壁精修器進(jìn)行修圓處理，最后利用承膜筒將試樣上下端削平。原狀試樣制備完成，可用于進(jìn)一步的試驗。原狀土由于其含水率的不同，自身強(qiáng)度有很大的不同，在盡量保證土樣結(jié)構(gòu)不被擾動的情況下制樣，盡可能的模擬現(xiàn)場土的受力情況，分析土的實際工程性質(zhì)。在對原狀土進(jìn)行削樣的過程中，要盡可能的小心慢削，盡量減少對土樣的擾動。

2)重塑土。泥漿加壓固結(jié)法：對所用土樣進(jìn)行烘干處理后碾碎成粉末，用無氣蒸餾水將土樣配制成所需含水率的泥漿。將泥漿注入圓柱形固結(jié)模具中，注泥漿時要注意模具中氣體的排出，以確保最終所制土樣的性質(zhì)均一。通過空氣壓力機(jī)施加不同的固結(jié)壓力來控制土的物理、力學(xué)性狀指標(biāo)。固結(jié)完成的土樣即可密封保存，留做后續(xù)的試驗。該方法固結(jié)的加荷設(shè)備較為笨重，大體積的試樣不能保證其固結(jié)的均勻性，在使用上受到一定的限制，操作也比較復(fù)雜，在制取重塑粘性土?xí)r不建議采用該方法。真空抽吸法：真空抽吸法的過程是土體結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整重組的過程,可得到性質(zhì)比較均一的土樣[23]。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的土的物理、力學(xué)性狀指標(biāo)，先利用浙江大學(xué)研制的室內(nèi)真空抽吸儀器制備一定體積的重塑粘土，再采用英國GDS公司與浙江大學(xué)共同研發(fā)的空心圓柱試樣制備器進(jìn)行削樣，將試樣制為高200 mm、外直徑100 mm、內(nèi)直徑60 mm的空心圓柱狀。削樣的具體操作同原狀粘性土。該方法發(fā)展較為迅速，能夠在較短的時間內(nèi)制備大量的比較均勻的粘性土樣，且飽和度容易控制，在試驗中建議采用該方法制樣。

2 試樣的飽和

土中孔隙逐漸被水填充的過程稱為飽和，土體內(nèi)的孔隙基本上被水充滿的土稱為飽和土[22]。試驗飽和可根據(jù)土的性質(zhì)選用不同的方法。試驗中常用的飽和方法有抽真空飽和、二氧化碳飽和、反壓飽和、水頭飽和等，通常我們根據(jù)不同的試驗類型選擇不同的飽和方式。

抽真空飽和。將裝有試樣的飽和器放在無水的抽氣缸(金屬的或玻璃的)內(nèi)，進(jìn)行抽氣。當(dāng)真空泵中的真空度接近一個大氣壓后，再依據(jù)不同類型的土繼續(xù)抽氣一段時間，然后緩緩注入無氣水，并保持抽氣缸內(nèi)的真空度穩(wěn)定。待飽和器完全被水淹沒，再繼續(xù)抽氣一段時間(0.5 h左右)，以抽出進(jìn)水過程中進(jìn)入的空氣。停止抽氣，并釋放抽氣缸的真空，試樣在水下靜置10 h以上，然后取出試樣之后裝樣并進(jìn)行試驗。對于有獨特的多孔隙，弱膠結(jié)的結(jié)構(gòu)性和敏感的水理特性的黃土最好不用該方法進(jìn)行飽和。

二氧化碳飽和。二氧化碳飽和適用于無粘性的松砂、緊砂及密度低的粉質(zhì)土。試樣安裝完成后，先通過手動操作控制器排出各管道中的空氣，再從試樣底部通入二氧化碳，通二氧化碳的同時打開反壓排氣閥門，并將反壓排氣閥的管線淹沒在裝有澄清石灰水(Ca(OH)2)的玻璃杯中，當(dāng)石灰水變渾濁時即可停止通二氧化碳。隨后可從試樣底部通入無氣蒸餾水，當(dāng)試樣頂部的出水量等于試樣底部的進(jìn)水量時，再持續(xù)通水一段時間則試樣飽和。

水頭飽和。先將試樣安裝好，裝上壓力室罩，再向壓力室進(jìn)滿水。施加一定的周圍壓力并同時提高試樣底部量管的水面和降低連接試樣頂部反壓排水管的水面使兩管水面差1 m左右，打開量管閥和排水閥讓水自下而上通過試樣直至同一時間間隔內(nèi)量管流出的水量與固結(jié)排水管內(nèi)的水量相等為止。對于粉土或粉質(zhì)砂土，均可直接在儀器上用水頭飽和。

反壓飽和。反壓飽和法是人為的提高孔隙水壓力，使土樣中的殘余空氣溶解在水中來實現(xiàn)土樣的飽和的[24]。通常含水率較高的原狀土樣或通過上面的方法飽和但沒有達(dá)到飽和要求的重塑土樣，可對試樣施加反壓力以達(dá)到完全飽和。試樣裝好后裝上壓力室罩，壓力室罩內(nèi)進(jìn)滿水，先對孔壓、反壓、內(nèi)壓管路進(jìn)行排氣處理，關(guān)閉孔壓閥和反壓閥。先對試樣施加20 kPa的圍壓(內(nèi)圍壓和外圍壓)預(yù)壓，反壓應(yīng)分級施加，并同時分級施加周圍壓力。在施加反壓的過程中，要始終保持圍壓比反壓大20 kPa。反壓力和周圍壓力的每級增量在30 kPa左右為宜。在每級壓力穩(wěn)定后，再緩慢打開孔壓閥，待其值穩(wěn)定后，計算出相應(yīng)的孔壓增量Δu及圍壓增量Δσ，計算對應(yīng)的B=Δu/Δσ值，在自然情況下，B值是很難達(dá)到1的，因此在實際試驗中當(dāng)B值達(dá)到0.98以上，即認(rèn)為試樣飽和完成。

3 結(jié)語

土試樣的制備的過程中，人為主觀誤差對試驗結(jié)果的影響是很大的。所以在制樣的過程中要選取合適的制樣方式，并加強(qiáng)對所用土樣的描述。通常土樣描述內(nèi)容包括土的顏色、名稱、含水率、狀態(tài)等，對于原狀土必要時要注明取土部位，而且要選取能代表土的實際情況的土樣。對于能夠模擬多種復(fù)雜應(yīng)力路徑的空心圓柱扭剪儀，其空心圓柱試樣的制備更是試驗的重要階段，要根據(jù)實際的工程情況和相應(yīng)的試驗條件選取合適的制樣方法，以期模擬實際的工程情況，以便將試驗結(jié)果更多的應(yīng)用到實際工程中。土樣的制作和飽和均是室內(nèi)土工試驗的重要環(huán)節(jié)，針對不同的土樣要特別注意細(xì)節(jié)的處理，原狀土的取樣過程要盡可能減少擾動，還要盡量保證土樣的均勻性，避免有大的固結(jié)塊的出現(xiàn)，減少制樣過程中不必要的麻煩。對于含水量偏高的土樣，在削樣過程中要及時添加外部護(hù)筒，以保證試樣的直立性和少干擾?？招膱A柱試樣比較大，要結(jié)合土樣的實際情況選擇合適的飽和方法，既要合理控制飽和時間，又要使試樣完全飽和。

[1] 沈 揚(yáng)，周 建，張金良，等.考慮主應(yīng)力方向變化的原狀黏土強(qiáng)度及超靜孔壓特性研究[J].巖土工程學(xué)報，2007,29(6):843-847.

[2] 沈 揚(yáng).考慮主應(yīng)力方向變化的原狀軟粘土試驗研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[3] 張金良.浙江大學(xué)5Hz空心圓柱儀調(diào)試研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[4] 管林波，周 建，張 勛，等.中主應(yīng)力系數(shù)和主應(yīng)力方向?qū)υ瓲铕ね粮飨虍愋缘挠绊懷芯縖J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2010,29(S2):3871-3877.

[5] 溫曉貴，張 勛，周 建，等.復(fù)雜應(yīng)力路徑下杭州原狀軟黏土破壞標(biāo)準(zhǔn)研究[J].巖土力學(xué)，2010,31(9):2793-2798.

[6] 溫曉貴，鄭鴻鑌，周 建，等.主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)下(b=0.5)原狀軟黏土孔壓特性[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2010,29(12):2558-2565.

[7] 張 勛.復(fù)雜應(yīng)力路徑下原狀粘土剪切破壞標(biāo)準(zhǔn)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[8] 周 建，鄭鴻鑌，溫曉貴，等.考慮中主應(yīng)力系數(shù)影響的主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)下原狀軟黏土變形研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報，2011,45(12):2134-2141.

[9] 郭 林.復(fù)雜應(yīng)力路徑下飽和軟粘土靜動力特性試驗研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[10] 曹 洋，周 建，嚴(yán)佳佳.原狀軟黏土主應(yīng)力軸動態(tài)旋轉(zhuǎn)試驗研究[J].中南大學(xué)學(xué)報，2014，45(3):902-910.

[11] 嚴(yán)佳佳.主應(yīng)力連續(xù)旋轉(zhuǎn)下軟粘土非共軸變形特性試驗和模型研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2014.

[12] 鄧 鵬.多維度耦合循環(huán)應(yīng)力路徑下飽和軟粘土響應(yīng)特性試驗研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.

[13] 張立偉.主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)情況下原狀軟粘土應(yīng)力應(yīng)變試驗研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2009.

[14] 黃 博.GDS空心圓柱儀動力試驗?zāi)芰μ接慬J].巖土力學(xué)，2010，31(1):314-321.

[15] 丁 浩.地震波作用下飽和砂土動力特性試驗研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[16] 汪清靜.不等向固結(jié)條件下砂土動力特性及強(qiáng)度歸一化表征[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[17] 李 男.初始應(yīng)力和剪切路徑對飽和松砂靜動力特性的影響D].杭州：浙江大學(xué)，2014.

[18] 李 男，黃 博，凌道盛，等.斜橢圓應(yīng)力路徑下飽和松砂動力特性試驗研究[J].巖土力學(xué)2015,36(1):156-163.

[19] 孫 奇.復(fù)雜應(yīng)力路徑下飽和砂土動力特性試驗研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.

[20] 趙 宇.不同動應(yīng)力路徑下粉土動力特性試驗研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[21] F.Tatsuoka,K.Ochi,S.Fujii,et al.Cyclic undrained triaxial and torsional shear strength of sands for different sample preparation methods[J].Soils and Foundations,1986,26(3):23-41.

[22] SL 237—1999，土工試驗規(guī)程[S].

[23] 聶 影.復(fù)雜應(yīng)力條件下飽和重塑黏土動力特性試驗研究[D].大連:大連理工大學(xué)，2008.

[24] 孫海妹.原狀黃土的反壓飽和法試驗研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報,2010,30(1):98-102.

Preparation and saturation of the hollow cylindrical apparatus sample

Han Jue1Liu Baojian2Ma Qianqian2

(1.SchoolofCivilEngineering,ShangluoUniversity,Shangluo726000,China; 2.HighwaySchool,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

This paper introduced the preparation method of hollow cylindrical torsion shear apparatus samples, from the vacuum saturation, carbon dioxide saturation, water saturation, back pressure saturation and other aspects, elaborated the common saturation method characteristics of hollow cylinder samples, provided basis for practical engineering selection of suitable saturation method.

hollow cylinder, sandy soil, cohesive soil, saturation method

1009-6825(2017)07-0076-03

2016-12-28

韓 玨(1989- )，男，碩士，助教

TU411

A