制樣方法對(duì)粉土室內(nèi)壓縮試驗(yàn)結(jié)果的影響研究

周瑞榮，宗明明，王巧云

(三江學(xué)院土木工程學(xué)院，南京 210012)

現(xiàn)場(chǎng)取土必然會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生一定程度的擾動(dòng)，產(chǎn)生擾動(dòng)的因素主要包括兩大方面[1]：其一，應(yīng)力重分布與應(yīng)力釋放會(huì)引起土樣擾動(dòng)，而應(yīng)力變化會(huì)引起土的含水率、飽和度、密度等參數(shù)的變化，從而導(dǎo)致取出后的土樣與原狀土有很多方面的差異；其二，取土與制樣過(guò)程會(huì)引起附加擾動(dòng)，多存在于成孔、取土、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)。前者的擾動(dòng)影響是無(wú)法避免和減小的，后者可以通過(guò)改進(jìn)取土方法和工具來(lái)減輕其影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土樣的擾動(dòng)影響進(jìn)行了大量的研究[2-9]。Skempton和Sowa[2]發(fā)現(xiàn)了土樣擾動(dòng)會(huì)引起有效應(yīng)力的變化。Ladd和Lambe[3]、Noorany和Seed[4]、Davis和Poulos[5]以及奧村樹(shù)郎等對(duì)此展開(kāi)了深入的研究，發(fā)現(xiàn)從原位取出后的土樣都會(huì)發(fā)生一定程度的膨脹。當(dāng)土樣中含有空氣時(shí)，由應(yīng)力解除所引起的有效應(yīng)力會(huì)有明顯的降低。為了減少擾動(dòng)[6]，可以通過(guò)施加周圍壓力使它全部或部分恢復(fù)到飽和狀態(tài)。奧村樹(shù)郎研究了正常固結(jié)黏土在理想的取土過(guò)程中其氣泡體積、土樣飽和度、孔隙水壓力、平均有效應(yīng)力以及孔壓系數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)土樣飽和度、孔壓系數(shù)及平均有效應(yīng)力隨取土過(guò)程的進(jìn)行而減小，即擾動(dòng)程度增加[7]。

李濤等對(duì)土樣的擾動(dòng)進(jìn)行了定量分析，建立擾動(dòng)土的壓縮曲線模型并進(jìn)行修正，利用模型減少擾動(dòng)影響。魏汝龍[8-9]發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)使室內(nèi)再壓縮曲線的坡度變緩，即壓縮指數(shù)變小，而再壓縮曲線回到初始?jí)嚎s曲線的壓力與擾動(dòng)程度有關(guān)，擾動(dòng)越大，所需的壓力越大。

綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)取樣對(duì)土樣的擾動(dòng)是不可避免的，室內(nèi)試驗(yàn)的制樣方法能否準(zhǔn)確反映現(xiàn)場(chǎng)土體的壓縮特性是亟待解決的問(wèn)題。因此，本文主要研究不同制樣方法下的土體擾動(dòng)性，得到土體擾動(dòng)性最小的制樣方法，提出能保持?jǐn)_動(dòng)樣與原狀樣壓縮曲線相近的制樣方法。本文采用預(yù)壓法、壓樣法和切樣法三種方法進(jìn)行制樣，以研究不同制樣方法對(duì)土體擾動(dòng)程度的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的土料是粉質(zhì)土樣，由表1中的液塑限可以得知，試驗(yàn)土樣的塑性指數(shù)IP=8。依據(jù)GB50021—20013.3.5對(duì)土的分類的規(guī)定，塑性指數(shù)IP小于10的土樣為粉土。

現(xiàn)場(chǎng)取樣后將其制成不同物理性質(zhì)的重塑土樣，制樣過(guò)程如下。先烘干土樣，待其冷卻后碾散，過(guò)2 mm篩，稱取一定量的過(guò)篩土樣進(jìn)行制樣，測(cè)定其比重、界限含水率、顆粒級(jí)配等多個(gè)物理指標(biāo)；再配制與過(guò)篩土樣的物理指標(biāo)相同的低密度土樣，通過(guò)加載—卸載的方案制備四種不同預(yù)壓應(yīng)力(200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa)土樣，分別對(duì)應(yīng)1#、2#、3#、4#土樣(四種土樣為一組)，共制備兩組土樣。每組中每種編號(hào)試樣各制備3個(gè)平行樣，即一共24個(gè)土樣。其中一組用于預(yù)壓法試驗(yàn)，另一組用于測(cè)定四種土樣的密度、孔隙比、含水率等物理指標(biāo)，作為壓樣法和切樣法試驗(yàn)制樣的依據(jù)。

為了使土樣具有足夠的飽和度，整個(gè)制樣過(guò)程中固結(jié)容器須處于滿水狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)算四種土樣的物理指標(biāo)，試樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，顆粒分布曲線如圖1所示。

表1 試驗(yàn)土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1 試驗(yàn)土樣顆粒分布曲線

1.2 試驗(yàn)儀器

采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的WG型雙聯(lián)高壓固結(jié)儀，該儀器主要用于側(cè)限和軸向雙面排水條件下的固結(jié)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用兩種型號(hào)高壓固結(jié)儀，荷載最大可加載到1 600 kPa和4 000 kPa，量程為10 mm，百分表最小分度值為0.01 mm。

另外，試驗(yàn)還用到了數(shù)字顯示界限含水率聯(lián)合測(cè)定儀、密度計(jì)、砂浴、比重瓶等其他儀器設(shè)備與工具，以測(cè)定基本物理參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)步驟

(1) 預(yù)壓法

制樣：直接采用1.1所制的土樣進(jìn)行試驗(yàn)。該試樣初始厚度不足環(huán)刀的高度，即小于20 mm。

試驗(yàn)過(guò)程：保證試樣與儀器上下各部件之間接觸良好，施加1 kPa的預(yù)壓力，將百分表調(diào)整到零位。按設(shè)定的試驗(yàn)方案(如表2所示)對(duì)試樣進(jìn)行加、卸荷載，隨時(shí)間變化記錄百分表讀數(shù)。加載時(shí)，每級(jí)荷載持續(xù)24 h；卸載時(shí)，每級(jí)荷載持續(xù)12 h。試驗(yàn)結(jié)束后，迅速拆除儀器各部件，用干濾紙吸去試樣兩端表面的水，取出試樣，測(cè)定試驗(yàn)后試樣的含水率，確保試驗(yàn)過(guò)程中試樣的飽和度滿足要求。

表2 一維壓縮試驗(yàn)方案

(2) 壓樣法

制樣：根據(jù)表1中土樣的物理參數(shù)，配制好與其含水量一致的濕土樣，測(cè)算出裝滿試驗(yàn)環(huán)刀(30 cm2)所需土樣的質(zhì)量。如圖2所示，使用定制工具將其恰好壓滿事先墊好透水石、濾紙并涂有凡士林的環(huán)刀，繼續(xù)在土樣上表面放置濾紙與透水石并加壓蓋板，置于加壓框架下，對(duì)準(zhǔn)加壓框架的正中安裝百分表，同時(shí)將固結(jié)容器中的水加滿，以保持土樣的飽和狀態(tài)。

試驗(yàn)過(guò)程與預(yù)壓法相同。

圖2 壓樣工具

(3) 切樣法

制樣：根據(jù)表1中土樣的物理參數(shù)，配制好與其含水量一致的濕土樣，測(cè)算出裝滿試驗(yàn)環(huán)刀(50 cm2)所需土樣的質(zhì)量。如圖2所示，使用定制工具將其剛好壓滿事先墊好玻璃板的環(huán)刀，然后迅速用推土手柄將土樣輕輕推出環(huán)刀，再用涂有凡士林的30 cm2環(huán)刀去切取已推出的土樣，將切好的土樣和環(huán)刀放入墊好透水石與濾紙的固結(jié)容器中。繼續(xù)在土樣上表面放置濾紙與透水石并加壓蓋板，置于加壓框架下，對(duì)準(zhǔn)加壓框架的正中安裝百分表，同時(shí)將固結(jié)容器中的水加滿，以保持土樣的飽和狀態(tài)。

試驗(yàn)過(guò)程與預(yù)壓法相同。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 土樣擾動(dòng)判別方法

早在1955年就有學(xué)者提出，利用擾動(dòng)樣壓縮曲線推求原狀樣和理想重塑樣壓縮曲線，然后對(duì)比三者的壓縮曲線，在曲線上找出各自在先期固結(jié)壓力PC處所對(duì)應(yīng)的孔隙比，并分別計(jì)算出各自孔隙比與初始孔隙比的差量，利用孔隙比差量的比值ID判定土樣的擾動(dòng)程度，該方法也稱為體積壓縮法[5，10，11]。

其表達(dá)式為：

(1)

式中，Δe為擾動(dòng)土樣在達(dá)到先期固結(jié)壓力時(shí)的孔隙比的變化量；Δe0為完全重塑土樣在達(dá)到先期固結(jié)壓力時(shí)孔隙比的變化量。

該判別法按照土工試驗(yàn)規(guī)程中的常規(guī)壓縮試驗(yàn)步驟進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。土樣面積為30 cm2和50 cm2兩種，高20 mm，加載順序?yàn)椋?2.5 kPa→25 kPa→50 kPa→100 kPa→200 kPa→400 kPa→800 kPa→1 600 kPa→3 200 kPa。

2.2 先期固結(jié)壓力的確定

根據(jù)粉土預(yù)壓土樣制樣過(guò)程，利用卡薩格蘭德經(jīng)驗(yàn)作圖法驗(yàn)證地基土先期固結(jié)壓力與試驗(yàn)實(shí)際預(yù)壓壓力的關(guān)系。如圖3所示，為確定先期固結(jié)壓力的圖解曲線,四個(gè)曲線的拐點(diǎn)都發(fā)生在前期試驗(yàn)固結(jié)壓力附近，經(jīng)作圖找出對(duì)應(yīng)土樣的先期固結(jié)壓力PC。在CAD軟件中按照幾何作圖規(guī)則分別確定出四個(gè)土樣先期固結(jié)壓力PC的大小，如表3所示。

(a) 預(yù)壓法試樣1#壓縮至4 000 kPa e-logp曲線

(b) 預(yù)壓法試樣2#壓縮至4 000 kPa e-logp曲線

(c) 預(yù)壓法試樣3#壓縮至4 000 kPa e-logp曲線

(d) 預(yù)壓法試樣4#壓縮至4 000 kPa e-logp曲線

本文對(duì)重塑土樣進(jìn)行先預(yù)壓后回彈再壓縮[12]，驗(yàn)證卡薩格蘭德方法在確定某種特定性土樣的先期固結(jié)壓力時(shí)的準(zhǔn)確性。如表3所示，在預(yù)壓力較小(小于800 kPa)的情況下，作圖所確定的PC值要略大于所施加的固結(jié)預(yù)壓力，存在1～1.25的系數(shù)關(guān)系，隨著預(yù)壓力的增加兩者趨于相等。這說(shuō)明了利用卡薩格蘭德方法確定的某些特定粉土樣的先期固結(jié)壓力可能需要修正。結(jié)合具體工程，還可以將確定的結(jié)果與原狀樣試驗(yàn)所確定的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究其差別，將重塑土樣的試驗(yàn)結(jié)果作為原狀樣試驗(yàn)結(jié)果修正的參考。

表3 不同試驗(yàn)固結(jié)壓力下的先期固結(jié)壓力的確定

2.3 三種制樣方法對(duì)土樣擾動(dòng)程度的分析

按卡薩格蘭德方法求出先期固結(jié)壓力PC(如圖4所示)后，作初始孔隙比e0的水平線并與PC線相交于b點(diǎn)，以b點(diǎn)為起點(diǎn)向左量2logPC長(zhǎng)度至a點(diǎn)。連接點(diǎn)a與0.42e0處的點(diǎn)c，將PC點(diǎn)向下延長(zhǎng)使與實(shí)驗(yàn)室壓縮曲線交予d點(diǎn)，并與ac線交于f點(diǎn)，圖4折線abc即為修正后的原狀樣壓縮曲線，曲線adc為試驗(yàn)室壓縮曲線，直線afc為完全重塑土的壓縮曲線。按圖4量得Δe和Δe0代入式(1)計(jì)算得出擾動(dòng)指數(shù)ID。

圖4 確定土樣擾動(dòng)方法(體積壓縮法)

采用體積壓縮法計(jì)算土樣擾動(dòng)指數(shù)，雖然對(duì)土樣擾動(dòng)程度進(jìn)行判斷的標(biāo)準(zhǔn)不同，但結(jié)果差別不大。這里參照表4土樣擾動(dòng)程度參考指標(biāo)[13]對(duì)本文試驗(yàn)土樣的擾動(dòng)程度進(jìn)行量化。

表4 土樣擾動(dòng)程度參考指標(biāo)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制三種制樣方法四種土樣壓縮至4 000 kPa的壓縮曲線，并結(jié)合已經(jīng)確定的預(yù)壓法土樣的先期固結(jié)壓力，依據(jù)上述土樣擾動(dòng)簡(jiǎn)易判別的幾何作圖法，得出四種不同預(yù)壓力土樣的現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線和重塑土樣壓縮曲線，如圖5所示。

(a) 1#土樣

(b) 2#土樣

(c) 3#土樣

(d) 4#土樣

線段abc為模擬現(xiàn)場(chǎng)壓縮的壓縮曲線，預(yù)壓法土樣的壓縮曲線可以認(rèn)為是受到一定擾動(dòng)的原狀土的壓縮曲線。壓樣法土樣和切樣法土樣的壓縮曲線很接近，且二者與重塑土壓縮曲線近于重合。這說(shuō)明三種制樣方法中，預(yù)壓法土樣的擾動(dòng)要明顯小于壓樣法和切樣法。在預(yù)壓法中，不同的預(yù)壓力對(duì)土樣的擾動(dòng)也不一樣，試驗(yàn)土樣的預(yù)壓力越大，其擾動(dòng)程度也越大。

通過(guò)幾何作圖分別可以得出四幅圖中Δe和Δe0的大小，代入式(1)可以分別計(jì)算出四種不同預(yù)壓力土樣的擾動(dòng)指數(shù)ID。即有：

(2)

(3)

(4)

(5)

因壓樣法和切樣法土樣的壓縮曲線與理想重塑土樣的壓縮曲線接近重合，顯然擾動(dòng)指數(shù)均很大(ID>0.7)，屬非常擾動(dòng)范疇。判斷總結(jié)如表5所示。

表5 三種制樣方法四種土樣的擾動(dòng)程度對(duì)比

綜上所示，由不同預(yù)壓力土樣得出的壓縮曲線經(jīng)作圖所得的結(jié)論是不同的。主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：隨著土樣初始預(yù)壓力的增加，所得土樣現(xiàn)場(chǎng)模擬壓縮曲線的拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的荷載也越大；擾動(dòng)指數(shù)ID也隨土樣初始預(yù)壓力的增大而增大，即土樣的擾動(dòng)度也越大。另外，在三種制樣方法中，預(yù)壓法所制得的土樣的擾動(dòng)程度要明顯小于壓樣法和切樣法。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)采樣粉土采用三種方法制樣并進(jìn)行室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，得出不同的壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制出相關(guān)試驗(yàn)曲線，通過(guò)分析得出以下結(jié)論：

(1) 對(duì)于用預(yù)壓法制備的土樣，預(yù)壓力大于800 kPa 時(shí)，卡薩格蘭德法確定的先期固結(jié)壓力與預(yù)壓力基本一致。然而，預(yù)壓力小于800 kPa時(shí)，卡薩格蘭德法確定的先期固結(jié)壓力大于預(yù)壓力，需要施加一個(gè)修正系數(shù)。

(2) 預(yù)壓法的壓縮曲線與原狀土取樣室內(nèi)壓縮試驗(yàn)的曲線比較接近，并且隨著預(yù)壓力的增加土樣的擾動(dòng)指數(shù)ID越大，擾動(dòng)程度越高。壓樣法和切樣法的四種土樣的壓縮曲線與重塑土樣的壓縮曲線接近重合，表明其擾動(dòng)程度很高。對(duì)重塑土樣而言，在壓樣的基礎(chǔ)上切樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，對(duì)于粉土樣的擾動(dòng)程度的變化不大，其影響可忽略。