擾動土樣制備方法研究

何家明，魏松，陳磊，徐海龍

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

天然結(jié)構(gòu)受到破壞或含水率發(fā)生變化的土稱為擾動土，制備目標含水率、干密度的擾動土樣并通過室內(nèi)試驗獲得相應(yīng)物理、力學(xué)性質(zhì)是常用方法。而室內(nèi)進行土體的物理、力學(xué)性質(zhì)試驗時，受取樣方法、土樣運輸、土樣養(yǎng)護等因素影響，根據(jù)所謂的原狀土樣測得的結(jié)果往往不能直接體現(xiàn)原狀土的各類性質(zhì)，基于擾動土樣開展土工試驗是常見手段，不同方法對試驗結(jié)果有何影響目前研究較少，如何制備目標含水率及干密度的擾動土樣是測定原狀土各類物理、力學(xué)性質(zhì)的重難點之一[1]。

土工試驗規(guī)程（SL237-1999）中擾動土樣制備的方法有三種[2]。第一種是擊樣法，是通過擊實的方法將土壓入環(huán)刀內(nèi)。擊樣法操作簡單，但是由于擊實過程中土樣受到?jīng)_擊荷載的反復(fù)作用，土樣的均勻性、土體結(jié)構(gòu)及其他力學(xué)性質(zhì)會受到一定影響。第二種是擊實法，是將大塊土樣用擊實器械按照一定密度擊實后，用脫模器械將土樣從擊實筒中推出，然后用環(huán)刀切取土樣。擊實法通過人工壓入環(huán)刀和削土，避免了沖擊荷載對土樣的影響，但是該方法操作繁瑣，土樣耗費大，并且不可避免地由于人為壓力不均勻?qū)ν翗釉斐梢欢ǖ挠绊慬3]。第三種是壓樣法，是將濕土放置于壓模內(nèi)，以靜壓力將土壓至一定高度，再用推土器將土樣推出。壓樣法不僅操作簡便，節(jié)省土樣，避免了沖擊荷載對土樣的反復(fù)作用，且靜壓的方式可以使土樣密實度更加均勻。

試樣制備作為各類土工試驗的基礎(chǔ)，其準確性的影響程度毋庸置疑，國內(nèi)外巖土工程領(lǐng)域?qū)τ谠嚇又苽浼夹g(shù)進行了反復(fù)試驗研究。20世紀80年代，Hyde[4]采用泥漿加壓固結(jié)制樣法制備土樣，將通過旋轉(zhuǎn)式分離機的黏土泥漿采用空氣壓力機施加固結(jié)壓力進行固結(jié)。張園根等[5]依照真空預(yù)壓技術(shù)的原理設(shè)計了室內(nèi)真空預(yù)壓黏土制樣方法，采用真空泵將覆蓋在砂墊層和水平抽水通道的密封膜內(nèi)氣體和水抽出，通過排水量的變化控制土樣中含水率的大小。李紅艷等[6]介紹了人工拌合-擊實法、擊實-浸泡法和固結(jié)-滲透淋濾法三種重塑污染土樣的制備方法并比較其優(yōu)缺點及適用范圍。

室內(nèi)土樣制備的方法根據(jù)目標含水率的大小有泥漿制樣法、濕土制樣法以及干粉制樣法[7]。本次試驗制備含水率介于液塑限之間的擾動土，故采用濕土制樣法。試驗通過擊實和壓樣兩種制樣方法進行粉質(zhì)黏土試樣制備，通過土樣含水率、干密度兩個指標與目標值大小進行比較，從而確定擾動土樣制備方法的可行性。

2 擾動土樣制備試驗

2.1 試驗方案

本次試驗采用控制變量法，通過擊實、壓樣兩種土樣制備方法制備直徑Φ61.8mm，高20mm，含水率分別為 10%、15%、20%，干密度分別為 1.5g/cm3、1.6g/cm3、、1.7g/cm3、的擾動土樣。相同干密度下制備三組不同含水率土樣，每一組含水率土樣制備3個土樣做平行試驗。

2.2 試樣制備注意事項及預(yù)備程序

為確保試驗方法的可靠性與試驗結(jié)果的代表性，本次樣品制備遵循統(tǒng)一的制備程序。擾動土制備程序包括風干、碾散、過篩、勻土、分樣和貯存等預(yù)備程序及試樣制備程序。

土工試驗規(guī)程中規(guī)定[2]，同一組擾動土樣的含水率與目標含水率之差不能超過±1%；同一組擾動土樣的干密度與目標干密度之差不得大于±0.01g/cm3。因此本文通過比較目標含水率、干密度與實際含水率、干密度差值確定試驗方法的可行性。

2.2.1 擾動土取樣

試驗用土為粉質(zhì)黏土。對土料進行了基本的物理技術(shù)指標測定，測定結(jié)果如表1所示。

由于取樣時受到天氣及場地施工影響，土樣的原狀結(jié)構(gòu)及天然含水率受到擾動，因此對其重塑用以研究不同擾動土樣制備方法的可行性。

土樣的基本物理指標 表1

2.2.2 制備擾動土樣的預(yù)備程序

將取回的大體積塊狀土簡單篩分，先剔除土中孔徑較大的巖石顆粒，然后在實驗室內(nèi)對土料進行碾散，碾散的過程中要注意切勿壓碎顆粒。將碾散后的土料在無建筑物遮擋且通風情況良好的區(qū)域風干。

將風干、碾散后的土料過篩。本次試驗屬于常規(guī)水理試驗，使用孔徑為2mm的圓孔篩。將過篩后的土料取一部分測定其風干土含水率，其余的用保鮮膜包裹起來，留著待后續(xù)試驗所用。

2.3 試樣制備

2.3.1 擊實法

根據(jù)土樣顆粒級配、含水率，選擇干土法輕型擊實。將擊實筒置于堅硬地面，筒壁內(nèi)側(cè)涂抹一層凡士林，聯(lián)接擊實筒和底板并安裝好護筒。取制備好的土樣分3層倒入擊實筒內(nèi)，每層土料質(zhì)量600～800g，每次倒入筒內(nèi)的土量可使擊實后的土樣略高于筒高的1/3。土料倒入擊實筒后整平表面，并稍加壓緊，然后按每層25次擊進行擊實，擊實時擊錘自由垂直落下，錘跡均勻分布于土樣表面。每層擊實后，將土樣層面刨毛，然后再裝上護筒，重復(fù)上述方法進行各層土的擊實。擊實后用修土刀沿套筒內(nèi)壁刮削，使試樣與套筒脫離后，扭動并取下套筒，齊筒頂削平土樣，拆除底板，擦凈筒外壁，稱量，準確至1g。用脫模器械推出擊實筒內(nèi)土樣，用規(guī)格為直徑Φ61.8mm、高20mm的不銹鋼環(huán)刀從擊實土樣中切取試樣，同時測定其含水率、干密度指標。

2.3.2 壓樣法

根據(jù)目標干密度稱取經(jīng)過預(yù)備程序的烘干土樣，確定目標干密度下不同含水率的數(shù)值，計算加水質(zhì)量，將加水后攪拌均勻的土樣裝入密封袋潤濕一晝夜。采用油壓千斤頂制備標準環(huán)刀樣，壓樣器底板與頂板由三根支撐柱聯(lián)接，油壓千斤頂置于底板上，將悶料后的土樣稱重放置在規(guī)格為直徑Φ62mm，高50mm的標準不銹鋼環(huán)刀中，用兩塊同等直徑，高20mm的金屬壓餅放置在環(huán)刀中，其中一塊壓餅在10mm處做有標記。將裝有壓餅的環(huán)刀用千斤頂壓住，直至壓到上面一塊壓餅標記的10mm處，此時土樣規(guī)格即為直徑Φ61.8mm，高20mm。為使制備的土樣密實均勻，每次壓樣持續(xù)靜壓0.5h。將內(nèi)含土樣的環(huán)刀從壓樣器上取下來，用同等直徑的推土器與大環(huán)刀樣重合，再利用壓餅及千斤頂?shù)慕M合荷載將土樣推出，同時測定其含水率、干密度指標。

圖1 擊實法制樣圖

圖2 壓樣法制樣圖

2.4 土樣含水率、干密度的測定

采用烘干法進行土樣含水率及干密度的測定。在制備土樣前選取標準尺寸環(huán)刀，記錄其編號并稱重。將制備的環(huán)刀樣稱重后放置在烘箱中，在設(shè)定烘箱溫度為105℃下烘至恒重（約12h）。將烘干后的試樣拿出放置在干燥器內(nèi)冷卻至室溫后稱量環(huán)刀加干土重量。

為減少試驗誤差，每個目標含水率、干密度分別做6組平行實驗。含水率按式1計算，實驗數(shù)據(jù)見表2：

式中w為試樣含水率，單位%；m0為環(huán)刀質(zhì)量，單位g；m1為環(huán)刀加濕土質(zhì)量，單位g；m2為環(huán)刀加烘干土質(zhì)量，單位g。

干密度按式2計算，實驗數(shù)據(jù)見表3：

式中ρd為試樣干密度，單位g/cm3；V為試樣體積，單位 cm3。

兩種制樣方法制得的土樣含水率 表2

兩種制樣方法制得的土樣干密度 表3

3 試驗結(jié)果分析

3.1 擾動土樣含水率測定結(jié)果分析

從表2中可以得到，兩種方法制備土樣含水率與目標含水率的差值在1%之內(nèi)，滿足《土工試驗規(guī)程》SL237-1999內(nèi)制備擾動土樣含水率的誤差范圍。其中目標含水率為10%、15%時，兩種方法制備的土樣含水率都偏小，目標含水率為20%時，兩種方法制備的土樣含水率都偏大；兩種制樣方法相比較，壓樣法制樣含水率大于擊實法制備的土樣。

由于干土質(zhì)量及加水質(zhì)量都是嚴格控制的，分析得到誤差來源有兩點，一是加水拌合過程中未能充分攪拌造成部分土樣含水率偏小或偏大；二是悶料時部分水汽殘留在密封袋中使得水質(zhì)量減小，造成含水率偏小。

壓樣法制樣含水率較擊實法大的原因分析是由于粉質(zhì)黏土中黏粒的存在使得在持續(xù)壓力荷載下土體內(nèi)部水分子的運動較少，土樣含水率更加均勻。兩種制樣方法制成土樣的含水率均滿足試驗誤差范圍，說明本次試驗兩種制樣方法均適用于擾動土樣制備。

3.2 擾動土樣干密度測定結(jié)果分析

從表3中可以得到，兩種方法制備土樣干密度與目標干密度的差值均在0.01g/cm3之內(nèi)，滿足《土工試驗規(guī)程》（SL237-1999）內(nèi)制備擾動土樣干密度的誤差范圍。其中壓樣法制樣干密度均略大于目標值，擊實法制樣干密度均略小于目標值；采用壓樣法制樣時，其干密度值與目標值差值隨含水率增大而增大。

壓樣法制樣干密度大于目標干密度，分析是由于制備目標含水率土樣時含水率偏小，導(dǎo)致相同重量土樣下水重量偏小，干土重量偏大，烘干后土樣干密度也隨之偏大。而擊實法制樣干密度小于目標干密度，分析是由于擊實土樣體積過大，即使分三層擊實也很難避免局部土體不密實、土樣內(nèi)部有空隙等因素導(dǎo)致同體積土樣中土體重量偏小，從而使土樣干密度偏小。

本次試驗采用壓樣法制成的土樣含水率、干密度均在誤差范圍之內(nèi)，說明了采用油壓千斤頂制成的制樣器械進行壓樣法是合理的，該設(shè)備具有施加荷載均勻、操作方便等優(yōu)點，可作為制備擾動土樣專門試驗儀器。

4 結(jié)論

本文通過擊實、壓樣兩種制樣方法制備粉質(zhì)黏土試樣，將土樣的含水率、干密度與目標值進行比較，得到以下結(jié)論：

①擊實、壓樣兩種制樣方法制得粉質(zhì)黏土試樣的含水率、干密度均滿足規(guī)范中制樣誤差要求，說明兩種制樣方法均可用于制備粉質(zhì)黏土的擾動土樣。

②本文采用油壓千斤頂制成的制樣器械進行壓樣法具有合理性，該設(shè)備具有施加荷載均勻、操作方便等優(yōu)點，可作為制備擾動土樣專門試驗儀器。