凍結(jié)黏土空心圓柱試樣制樣方法

雷樂樂，王大雁，王永濤，張斌龍

（1.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅蘭州730000；3.內(nèi)蒙古大學(xué)交通學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070）

0 引言

凍土是由固體顆粒、冰、液態(tài)水和氣體四種基本成分所組成的非均質(zhì)、各向異性的一種特殊巖土材料［1］，由于其組成物質(zhì)的多相性和復(fù)雜性，決定了凍土的工程性質(zhì)是復(fù)雜多變的［2-3］。凍土的室內(nèi)試驗是獲取凍土的物理、力學(xué)參數(shù)的有效途徑，為凍土工程設(shè)計和數(shù)值計算提供依據(jù)。而在進行室內(nèi)試驗時，試樣制備是重要的一環(huán)，同樣是制約著室內(nèi)試驗研究發(fā)展的重要因素［4］。由于凍土原狀試樣取樣、保存、運輸以及切削等均存在較大困難，且費用較高，因此現(xiàn)階段主要通過凍土的重塑試樣進行其力學(xué)特性的試驗研究。

目前凍土空心圓柱儀是室內(nèi)研究凍土在車輛荷載等復(fù)雜應(yīng)力路徑下力學(xué)特性的主要儀器，試驗中為實現(xiàn)主應(yīng)力軸方向在垂直徑向平面內(nèi)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，其試樣多采用薄壁空心圓柱試樣，而室內(nèi)重塑空心圓柱黏土試樣制樣方法多集中于未凍土研究中，主要有兩類：一類為擊實法，浙江大學(xué)張泉芳等［5］自行研制的擊實器能夠完成對試樣的擊實，但是在擊實過程中試樣尺寸與目標(biāo)含水率、擊實功、分層高度等因素存在相互影響［4］；另一類為固結(jié)法，首先由Sheeran等［6］提出，隨后經(jīng)Lin等［7］、紀(jì)玉誠等［8］、沈揚等［9］的研發(fā)與改進，制樣技術(shù)相對成熟，但是試樣在固結(jié)過程中不可避免地會出現(xiàn)土顆粒大小分布不均勻現(xiàn)象，會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。在凍土試驗研究中，陳敦等［10］、雷樂樂等［11］基于凍土空心圓柱儀（FHCA-300）［12］，初步探索了主應(yīng)力軸方向角、應(yīng)力洛德角變化對凍土靜力學(xué)特性的影響，但還未有關(guān)于凍土空心圓柱試樣制樣方法的研究。為此，本文借鑒凍土三軸試驗的制樣方法，依托凍土工程國家重點實驗室現(xiàn)有的制樣條件，自行設(shè)計加工了一套黏土空心圓柱試樣的制樣裝置，基于該裝置，經(jīng)過課題組成員的反復(fù)嘗試，提出了一套切實可行的黏土空心圓柱試樣制樣方法。

1 空心圓柱黏土試樣制樣裝置

該制樣裝置用于制備外直徑100 mm×內(nèi)直徑60 mm×樣高100 mm［9］的空心圓柱試樣，主要由傳力桿、不銹鋼外筒、不銹鋼內(nèi)筒、箍圈、內(nèi)筒帽和帶齒的上下壓頭組成，如圖1所示。加力桿與壓樣機的圓柱形壓頭相接，其作用是將壓力傳遞給帶齒的上壓頭。外筒由三瓣圓弧形不銹鋼金屬片拼接組成，并對不銹鋼外筒的內(nèi)壁刨光，在外面用上、中、下三個緊箍圈固定，這樣不僅保證所制備試樣的完整性，而且便于脫模，減小對試樣的擾動，不銹鋼外筒的內(nèi)直徑為100 mm（與試樣的外直徑相同），外直徑為120 mm，壁厚10 mm（保證制樣過程中提供足夠的剛性外護壁），筒高290 mm（保證一個試樣的松土在人工振搗下能全部裝入制樣筒內(nèi)）；內(nèi)筒由兩瓣半弧形的不銹鋼金屬片及一個長方形的抽板組成，兩瓣半弧形的不銹鋼的內(nèi)直徑為40 mm，外直徑為60 mm（與試樣的內(nèi)直徑相同），壁厚為10 mm（保證制樣過程中提供足夠剛度的內(nèi)護壁），筒高290 mm；長方形抽板的作用是在脫模時先抽掉抽板，卸掉內(nèi)筒之間的擠壓力，方便內(nèi)筒的脫模，內(nèi)筒的外壁也刨光，便于脫模；帶齒的上下壓頭將加載桿的壓力均勻傳遞至試樣，并使上下表面帶有齒槽，避免切削過程對試樣的擾動。內(nèi)筒帽是一個圓形的金屬蓋，直徑比不銹鋼對瓣內(nèi)筒的直徑稍大，主要是防止裝樣時土樣灑入內(nèi)筒中間。

圖1 制樣裝置各部分示意圖Fig.1 The novel preparation device for remolded hollow cylinder specimen of frozen soil：stainless steel outer cylinder（a）；stainless steel inner cylinder（right）and upper pressure head（left）（b）；installation form（c）

該裝置的優(yōu)點有：一是對于黏土飽和樣和非飽和樣均可適用；二是制成的試樣上直接形成齒槽，且壓制試樣時用的齒與試驗機上的齒是完全相同的，避免人工切削過程中造成的齒槽寬窄不一、深淺不一的現(xiàn)象；三是通過壓樣機制樣，采用應(yīng)力控制為主、位移速率控制為輔，保證制樣中試樣均勻受力，避免人工擊實過程中試樣受力的不均勻。

但該制樣設(shè)備存在以下幾點不足之處：一是對于粉土和砂土，只有當(dāng)試樣中黏粒含量較高時（一般要大于20%），才能顯著提高制樣的成功率；而對于黏粒含量較低的粉土和砂土樣，目前也可采用該制樣裝置制樣，但需要先將試樣凍結(jié)，然后再進行試驗，但會增大對試樣的擾動，后期會進一步改進制樣裝置，擴大該制樣裝置的適用范圍。二是該制樣裝置為不銹鋼材質(zhì)，較為笨重，翻轉(zhuǎn)裝置時，存在安全風(fēng)險，后期將會積極探索嘗試使用新材料或改進制樣裝置，既保證裝置的剛度，又提升制樣的安全性。

2 制樣方法

基于以上的制樣設(shè)備，經(jīng)過反復(fù)探索，提出了凍結(jié)黏土空心圓柱試樣制樣方法，其具體的制樣步驟如下：

（1）制樣準(zhǔn)備工作。根據(jù)室內(nèi)試驗確定的目標(biāo)含水率和干密度，考慮自然風(fēng)干條件下土樣的初始含水量，計算出一個空心圓柱試樣所需的干土質(zhì)量和用水量，同時考慮到制樣過程中土樣的損耗，計算干土質(zhì)量和用水量均需增大3%～5%。為了盡可能地控制各組試驗的初始條件，拌和濕土?xí)r一次性拌和一組試驗的用土量，拌和均勻后，將濕土過5 mm篩使顆粒大小均勻，然后用保鮮袋裝好密封，在密閉的玻璃罐中放置24小時，保證濕土中的含水率均勻分布，如圖2（a）和圖2（b）所示。

（2）安裝制樣裝置。為便于脫模，將上下壓頭帶齒的一邊，以及外筒內(nèi)側(cè)和內(nèi)筒外側(cè)均用凡士林擦拭。隨后將下壓頭放在試驗臺上，齒面朝上，內(nèi)筒拼裝好放置在下壓頭內(nèi)；不銹鋼三瓣外筒緊貼下壓頭外側(cè)放好，裝上緊箍圈，旋緊固定螺絲，蓋上內(nèi)筒帽，完成制樣裝置的安裝，如圖2（c）所示。

（3）裝入濕土。稱取一個空心圓柱試樣所需要的濕土質(zhì)量，分層倒入內(nèi)外筒之間，并適當(dāng)振搗，然后將上壓頭裝好，帶齒的一面與土體接觸，完成裝樣。

（4）壓制試樣。為保證試樣受力的均勻性，采用兩頭對稱壓樣，壓樣過程采用應(yīng)力控制為主，位移速率控制為輔的方法，保證兩頭的最大軸向力盡可能相等。經(jīng)過多次的反復(fù)嘗試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)正面位移為總位移的85%～88%時，制樣過程中兩頭的最大軸向力比較接近。

（5）脫模。首先抽取內(nèi)筒中間的長方形抽板，卸除部分內(nèi)筒與試樣之間的壓力，然后將兩瓣內(nèi)筒沿試樣內(nèi)壁緩緩向上抽出；拆除外筒上的三個緊箍圈，將三瓣外筒逐一沿試樣外壁緩緩向上抽出；最后將上下壓頭逐一取出，即得到所需的黏土空心圓柱試樣，如圖2（d）所示。

圖2 試樣制備流程圖Fig.2 The process of specimen preparation：soil mixing（a）；store mixed soil（b）；install the sample making device（c）；the hollow cylinder sample（d）

3 試樣的物理力學(xué)性能測定

3.1 試樣物理性能測定

在完成試樣制備后，采用烘干法測定試樣凍結(jié)前后的分層含水率。由于試樣為空心圓柱試樣，較難采用環(huán)刀法測定其干密度，因此采用切削立方體試樣塊配合烘干法測定其干密度，驗證已制備的空心試樣含水率和干密度的均勻性。含水率的測定方法：沿豎直方向?qū)⒄麄€土樣分為20層，每層高度為1 cm，每層取3個測點，將3個測點取平均值作為該層的含水率；測試分3組進行，每組兩個試樣，第一個試樣脫模后立即用保鮮膜包裹嚴(yán)密，再用保鮮袋密封包好，在-30℃的恒溫箱中凍結(jié)24小時；第二個試樣脫模后，立即測定其分層含水率。干密度的測試方法：沿豎直方向?qū)⒄麄€試樣分為5部分，每部分取3個測點，將3個測點取平均值作為該部分的干密度；測試分2組，每組兩個試樣，一個為凍結(jié)前試樣，另一個為凍結(jié)后的試樣。各組試樣凍結(jié)前后的分層含水率和干密度變化如圖3～4所示。

從圖3中可以看出，試樣整體含水率最大差值為0.65%左右，說明試樣的含水率自上而下分布較均勻，各層含水率在凍結(jié)前后變化較小，同時也證實了在快速凍結(jié)條件下，可以有效抑制黏土試樣凍結(jié)過程中的水分遷移，保證試樣凍結(jié)前后整體含水率的均勻性。對于各組試樣，其平均含水率的最大差值為0.30%，說明利用該制樣方法制備的試樣個體間差異性較小。

圖3 試樣從上到下凍結(jié)前后含水率變化情況Fig.3 The distribution of moisture content in prepared specimen

從圖4可以看出，試樣的干密度最大差值為2.80%，主要是由于測試各層干密度的試樣塊為人工切削后，再測量其尺寸，存在一定的測量誤差。但從圖4還可以發(fā)現(xiàn)，試樣從上到下干密度均在目標(biāo)值附近呈較小幅值波動，呈較均勻地分布特征，即使經(jīng)歷凍結(jié)，試樣的整體干密度變化幅度較小，證明采用該制樣方法制備的試樣整體均勻性較好。

圖4 試樣凍結(jié)前后干密度變化情況Fig.4 The distribution of dry density in prepared specimen

3.2 試樣力學(xué)特性測定

采用凍土空心圓柱儀（FHCA）對所制備的試樣進行力學(xué)特性測定。共開展兩組試驗，分別為試驗數(shù)據(jù)的可重復(fù)性測定、定向剪切試驗（主應(yīng)力軸方向固定在某個方向下的剪切試驗）。兩組試驗的加載過程為：第一階段將所有應(yīng)力參數(shù)加載到應(yīng)力路徑設(shè)定的初始值，如表1和表2所示，穩(wěn)定5 min；第二階段為試驗加載階段，控制中主應(yīng)力系數(shù)b值、主應(yīng)力軸方向角a、平均主應(yīng)力p值和試驗溫度保持不變，最大剪應(yīng)力q值從0開始增加，直至試樣發(fā)生破壞。

表1 試驗應(yīng)力路徑表Table 1 The test stress path

表2 試驗應(yīng)力路徑布設(shè)表Table 2 The test stress path

3.2.1 試驗數(shù)據(jù)的可重復(fù)性測定

為了測定試驗結(jié)果的可重復(fù)性，在-10℃條件下對空心圓柱土樣進行4組定向剪切試驗，每組試驗有兩個平行試驗，分別為試驗一和試驗二。試驗的應(yīng)力路徑如表1所示。

圖5是4組試驗的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖中可以看出兩組試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均吻合較好，試樣在加載過程中的強度差值最大為1.8%，說明該制樣方法具有較好的可重復(fù)性。

圖5 試驗數(shù)據(jù)可重復(fù)性驗證試驗結(jié)果Fig.5 Test data repeatability test results

3.2.2 定向剪切試驗

為了驗證該制樣方法制備試樣的力學(xué)特性，采用三種不同的試驗溫度：-5℃，-10℃和-20℃，以及兩個不同b值的試驗，具體的試驗方案如表2所示。

圖6為不同溫度下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖中可以看出，隨著溫度的降低，凍土的強度會增加，增加的速率有所降低，與凍土三軸試驗結(jié)果較為吻合［1］；中主應(yīng)力系數(shù)b值的改變也會使凍土試樣的強度發(fā)生變化。

圖6 不同溫度下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖（δd為軸向偏應(yīng)力，εa為軸向應(yīng)變）Fig.6 The stress-strain curves at different temperature（δd is axial deviatotic stress，εa is axial strain）：b=0（a）；b=0.5（b）

圖7為加載后的試樣，圖中紅色線表示試樣受到扭剪力的形變量（由于整個加載過程中，試樣下部保持不變，上部施加扭剪力），從圖中可以看出，經(jīng)歷加載后，試樣發(fā)生了較大的扭剪變形，試樣的端部在加載后仍保持較好的狀態(tài)，如圖7（b）所示，說明采用該制樣方法可以保證將端部的扭剪力傳遞至整個試樣。

圖7 加載后的試樣圖Fig.7 The specimen after loading：the sample after loading（red line indicate the deformation of the specimen）（a）；the sample top after loading（b）

4 結(jié)論

本文對凍結(jié)黏土空心圓柱試樣的制樣方法開展研究，在研發(fā)制樣設(shè)備的基礎(chǔ)上，提出了空心圓柱試樣制樣方法，得出如下結(jié)論：

（1）該制樣方法可以提高制樣效率，減小制樣過程中人為因素的影響，可制備出含水率及干密度均勻、力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的凍結(jié)黏土試樣。

（2）對兩個平行制備的凍結(jié)黏土試樣的不同主應(yīng)力軸方向的定向剪切試驗結(jié)果進行了比較，證明了所提出的制樣方法具有良好的可重復(fù)性，可用于進一步系統(tǒng)研究復(fù)雜條件下凍結(jié)黏土的靜、動力學(xué)特性。