凍結砂土空心圓柱試樣的制備

潘勇志 鄭順華

摘 要：本文以標準砂為試樣，介紹一種重塑凍結砂土空心圓柱試樣的制備方法，通過落雨法初步制備，再抽真空進行飽和，最后通入冷氣形成凍結砂土空心圓柱試樣，進而模擬在自然條件下形成的天然凍結砂土層，以備后續(xù)土工試驗的開展。

關鍵詞：空心圓柱試樣；砂土凍結；制樣；安裝；飽和

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.189

1 引言

為研究復雜應力路徑下凍土的力學性質(zhì)，目前最為先進的試驗機是凍土空心圓柱儀，它能夠通過獨立控制外圍壓、內(nèi)圍壓、軸向力、扭矩和溫度來模擬不同溫度凍土的多種復雜應力路徑，如可模擬地震荷載、車輛荷載和波浪荷載等。試驗的第一步便是制樣與裝樣，試樣的制備和飽和方法有很多，而對于不同的制樣方法也對應模擬不同成因的砂土。目前的砂性土空心圓柱試樣的制樣方法有水中砂雨法制樣、分層濕搗法制樣和落雨法制樣；試樣飽和方法也有通入CO2、通入無氣水飽和和抽真空以提供反壓飽和三種。本文重點介紹落雨法制樣和抽真空進行飽和，進而模擬天然砂土層，為后續(xù)的試驗提供制樣方法的選擇。

2 試樣制備用砂

本次研究中采用的砂樣是一種級配均勻的標準中砂，測定土體的物理性質(zhì)指標參數(shù)見表1。表中d50為平均粒徑，Cu為不均勻系數(shù)，Cc為曲率系數(shù)，γ為容重，Gs為砂粒比重，emin為最小孔隙比，emax為最大孔隙比。

3 試樣制備與飽和

目前，研究凍土在復雜應力路徑下的力學響應特征是一個復雜的土工試驗，本文僅討論針對標準砂這種材料的制備安裝與飽和固結。凍土空心圓柱試樣的尺寸為：外徑100mm，內(nèi)徑60mm，高200mm。

3.1 制樣過程

選取粒徑小、分布均勻且無雜質(zhì)的散粒狀ISO標準砂約1650g待用，取下壓力室的不銹鋼帶透水石底座，反置后取與內(nèi)徑大小相同的乳膠膜穿過其中作為內(nèi)膜，將端部內(nèi)膜外翻并用內(nèi)膜下封口O形環(huán)和若干橡皮圈綁扎密實后，往內(nèi)膜注水，檢查內(nèi)膜是否破裂和連接處是否密實，若不漏水即為成功，否則拆下重新安裝，再將整體置于基座卡槽上固定住，擰緊螺絲，注意內(nèi)膜平整，在透水石上鋪上濾紙。

取兩半環(huán)狀內(nèi)支撐筒豎立于底座內(nèi)緣，使內(nèi)膜內(nèi)側與支撐筒外側貼合密實。取合適高度的紗布繞內(nèi)膜順時針平滑裹緊約兩周半，用膠帶貼緊，以防止試驗時砂粒磨破內(nèi)膜。取雙層乳膠膜套在底座外緣作外膜，用外膜下封口O形環(huán)和若干橡皮筋綁扎密實，再將兩半環(huán)狀不銹鋼外支撐筒安裝在外膜外面，使外支撐筒內(nèi)側與外膜外側貼合緊密。外膜長度應比支撐筒稍長以便后期外膜上端固定，此時，底座、內(nèi)膜和外膜初步形成空心圓柱空間。

將外膜沿外支撐筒頂部外翻，注意要使之與外支撐筒內(nèi)側貼合，用可伸縮鎖環(huán)固定外支撐筒。用漏斗以“落雨法”繞內(nèi)膜和外膜形成的環(huán)空往初步形成的空心圓柱空間均勻注入已稱量好的砂粒，落砂時要確保每份砂土的初始高度相同并保持相同落距，以求砂粒分布更能夠模擬自然形成的砂土。分三次進行注砂，每進行一次用搗棒充分振搗，并用軟毛刷將附著于紗布外的細砂掃落，直至空腔填滿為止。裝砂時應保證內(nèi)膜和外膜平整直立。

將壓頭置于裝好的砂樣頂部并固緊，將內(nèi)膜上端外翻與壓頭頂蓋凸起沿口處貼合固定，套上內(nèi)膜上封口O形環(huán)以密封，同時把外膜翻起，固定在壓頭上端并用外膜上封口O形環(huán)箍緊。隨后對試樣抽真空，一段時間后試樣內(nèi)部為負壓狀態(tài)，試樣更為密實，砂土由散粒狀變?yōu)橹绷⒖招膱A柱且與內(nèi)外膜緊密貼合。打開油箱閥門從試樣底部往試樣內(nèi)腔注油加壓，內(nèi)腔空氣外排，注油到一定量后開始緩緩將內(nèi)支撐筒取出。待觀察管出現(xiàn)“噴油”現(xiàn)象表明內(nèi)腔油已滿溢，關閉油箱閥門。將不銹鋼頂蓋對準刻槽放于壓頭上，擰緊螺絲，使內(nèi)腔形成密閉空間。再將外支撐筒取下，將試樣移進壓力室內(nèi)，調(diào)整加載桿與壓頭位置使之對中并與頂蓋緊密結合。控制壓力室下放，再往試樣外腔注油加外壓，試樣的初步制備完成。

3.2 試樣飽和及凍結

當空腔內(nèi)真空度接近一個大氣壓后持續(xù)抽氣一段時間，試樣內(nèi)部在負壓條件下更加密實。取提前計算好的無氣水（約950ml），通過管道注入試樣中，在負壓作用下，無氣水緩緩被吸入到試樣直至飽和。通過管道往試樣內(nèi)通入循環(huán)冷氣流進行凍結，達到預計溫度后維持此溫度。此時，重塑凍結砂土空心圓柱試樣的制備全部完成，可以進行后續(xù)實驗。

4 結語

本文以標準砂為試樣，介紹一種重塑凍結砂土空心圓柱試樣的制備方法，通過落雨法初步制樣，再抽真空進行飽和試樣的制備，最后通入循環(huán)冷氣流形成凍結砂土空心圓柱試樣，模擬在自然條件下形成的天然砂土層。該方法操作簡便易行，試驗效果較好，但試樣制備過程中應盡量減少人為因素和環(huán)境因素的影響，以保證試樣的最佳效果。

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作者簡介：潘勇志（1996-），男，廣東茂名人，本科，研究方向：凍土力學與工程。