重塑土试样制备技术对比研究

何娟娟

（广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510925）

重塑土试样制备技术对比研究

何娟娟

（广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510925）

受取样条件限制，许多土工试验只能在重塑土的基础上展开。而重塑土样制备时的成样质量，往往受制样工艺、设备及试验者的操作水平等影响，从而造成了其物理、力学参数具有较大的随机性、偶然性，对相关试验研究、工程设计有着较大的影响。基于此，采用自动双向击实的制样方式，对重塑土的制备技术进行研究。在通过大量三轴试样比较，采用新型方式制备重塑样时制作工艺简单、操作方便，成样质量也明显优于传统的人工分层击实制样法。

重塑样；三轴试验 ；技术对比

工程实践及研究项目中，常常遇到取样难度大、扰动过大或原状样难以保存、运输等情况，在试验中不得不采用重塑土来进行试验。重塑土是指将人为扰动过的土样，在经过压密或者压实作用后形成的具有一定重度、含水量的人工制备的土样，与原状土具有相同或相似的成分、结构。目前的室内土样重塑方法主要有两类：固结法与击实法。固结法[1]是在风干的土体加蒸馏水，配成大于液限的稀泥浆，然后倒入制样筒中，并在顶部施加静载使土样固结。Malandraki[2]、蒋明镜[3]、谢定义[4]等采用固结法对土体进行并比较了该类重塑样与原状样的性质差异，结果表明其重塑效果较好，但从试验角度来看，制样过程繁琐、固结时间长，对制样设备要求较高。击实法[1]是使用一定质量的击锤，从一定的高度自然下落，分多层击实土样至所需的尺寸，相对固结法而言，制样方法简单易行、制样周期短，但击实样成样质量往往与实验技术人员操作水平有很大的相关性，土样因受力不均匀而造成土样上下层密实程度不均一的现象，对实验结果影响较大。李晓军[5]对分层击实法成样的重塑土的压缩过程裂纹进行了分析，该类试样的裂纹首先出现在试样下层密实度较小的区域；郑剑锋[6]研究发现两头压实法所制得的样品其干密度和含水量的分布较为均匀，比分层击实法及泥浆法更容易控制试样的均匀性。本文通过一种改进的电动式双向推压制样仪[7]（图1）进行土工试验重塑样的制备，不仅在制样时一次性压实土体，避免土体出现分层、不均匀的情况，还通过不排水不固结三轴压缩试验，从破坏机理、力学性质等方面与传统分层击实法进行比较。

1 重塑土制样方法技术改进

按照土工试验规程[1]，传统手工击实法（图1）制备重塑样时，需要将已配置好具有一定含水量、干密度的湿土分成三等分，进行分层击实，每一层土击实到三分一高度时将表面刮毛，再进行下一层击实，制样工艺繁琐，对试验人员的操作技能要求较高。改进的电动式双向推压制样仪（图2），由三相驱动电机、加压油泵、控制压力表及附件组成。制样时将一定量的湿土一次倒入模具中，固定模具的位置后启动机器，进行双向击实。改进的电动式推压制样仪在制样时采用一次成型、双向压实的方式，制作工艺简单，操作方便。

2 不同制样方式下的重塑土对比试验研究

2.1 试验方案

为验证该设备在样品制备技术上的优越性，设计了土体三轴压缩试验的对比试验，对传统制样方式与新方法所制得的土样进行物理、力学性质的对比。

试验采用两种不同的制样方式（传统手工击实法、电动双向推压法）制取不同含水量下的三轴试样，并对比试样的物理性质（密实度、整体均一性等）。为了解不同制样方式下试样的力学特征，设计了不同含水量、正应力作用下的不固结不排水（UU）三轴试验。综合考虑试样的稠度状态、实际受力情况及试验设备的基本情况，确定试验应变速率为1.5%/min，含水量为22.25%、24.95%、27.83%，正应力水平选取50kPa、100kPa、200kPa，本试验共设置6个试验组，共18个试验土样，具体试验方案见表1。

图1 传统手工击实制样仪

图2 电动双向式推压制样仪

表1 试验方案

2.2 试验结果分析

2.1.1 试验破坏前后外观结构对比

图3为不同制样方式下所制成的三轴试样的对比图，重塑土样的含水量为22.95%，控制试样的干密度均为1.53g/cm3。从土中可以看出，采用人工制样的方式所制成的样（前排）具有明显的分层效应，试样分三层击实，上部的土体比下部的土体密实，空隙分布不均匀。而采用双向推压式所制成的试样（后排），试样整体性、均一性都较好，空隙分布较为均匀。由于三轴试验采用的是不固结不排水，剪切时间较短，在这种条件下，试样主要沿着薄弱部位（密实度较差、空隙较大的部位）开始破坏，也就是说，试样的破坏特征可以反映出试样密实的影响。

图4为含水量24.95%、围压50kPa时，不同方法所制试样（R2-1、J2-1）的破坏情况。由图可知，两种试样在该应力状态下，均表现为鼓张破坏，人工所制成的试样上部密实度明显大于下部，试样破坏时下部的鼓张破坏明显，上部破坏特征不明显；而机器所制成的试样中，整体均匀性较好，发生鼓张破坏的部位为试样的中部。

因此，从制样表面的密实度、空隙分布情况来看，所采用的改进制样仪所制成的试样，不存在分层效应，其整体、均匀性明显好于传统的人工分层击实法所制成的试样。

图3 含水量为24.95%时三轴试样外观对比（前排为人工分层击实样、后排为改进机器制样）

图4 含水量24.95%、围压50kPa不同方法所制试样破坏情况对比

2.2.2 试样基本物理性质对比

对采用不同制样方式所制成的试样进行称重，测得试样的基本物理指标如表2所示，可知采用不同的制样方式，试样的平均密度、干密度值有所差别。

表2 各试样的基本物理特征

就测量数据来看，采用改进机器制样方法所制成的试样，其干密度的误差值在0.049%-0.998%之间，三种不同含水量作用下试样含水量的标准差为0.001、0.002、0.006，单个试样质量标准差为0.226、0.523、0.349；而人工击实所制成试样的含水量的标准差为0.001、0.003、0.008，试样干密度误差值在0.142%-1.857%之间，标准差为1.125、0.616、0.661，最大误差值及标准差均大于改进制样。从表中可以看出，从不同含水量下各组试样含水量的标准差来看，同一种制样条件（含水量、制样方法）下，当含水量增大时，各试样含水量之间的标准差也随之增大，说明制备较高含水量的试样时，各试样的含水量差异增大，制样控制难度增大。就各试样的干密度情况来看，试样的干密度主要受制样时试样的质量控制，由于机器制样中采用一次成型，而人工击实制样则分三次称取击实，制样过程中容易造成误差，因此机器制样组中各试样的干密度标准差要比人工击实制样组小。

2.2.3 试样受力性能对比

对比三轴试验采用不固结不排水试验（UU），设置了两个试验组“机器制样组”、“人工制样组”。试验选取了三个不同的含水率（22%、25%、28%）下进行，每组土样均在三个围压（50kPa、100kPa、200kPa），从而确定不同制样方式对试样力学性质的影响。图4为不同的制样方式对土体的三轴试验的应力-应变曲线，其中a、c、e组为改进机器制样仪所制成的试样，b、d、f为采用手工分层击实法所制成的试样。从曲线可知，重塑土在UU试验条件下曲线在两种制样方式下均呈现应变硬化，且曲线的偏应力都随着围压的增大而增大，随着试样含水量的增大而降低。对比两种制样方式，发现人工击实制样组的试样，在相同含水量、相同围压条件下其偏应力值略低于机器制样组。

从图5可知：不同制样方式下的应力-应变曲线差异随着含水量增大而有所增大。含水量为22%时，曲线基本保持一致，而含水量为28%，两者之间差异明显。此外，随着含水量的增大曲线的平稳性也有所降低。当含水量为22%、25%时，试验所得的应力-应变曲线较为光滑，而当含水量为28%时曲线不是很平稳，尤其是当围压也较低时。这一现象说明，重塑土土样制备时不适宜采用高含水量的重塑土样。这是因为在重塑土的制备过程中，土样的含水量越高，粘性土的团粒越多且团粒的直径也越大，制备重塑样时松散土体体积也相对较大，击实过程中容易造成空隙分布不均匀，从而导致试样的应力-应变曲线的不平稳起伏与波动。

表3 应变率为15%时各试样偏应力大小（kPa）

从表3中可知，当各试样达到相同应变率（15%）时，除J3-3试样与R3-3试样之间存在着异常，其他各对比组总体上改进机器所制成试样的偏应力略大于手工击实制样。而当含水量为28%、围压为200kPa时，改进机器制样方式下试样（J3-3）的偏应力小于手工击实样（R3-3）这一异常情况，对比两者的含水量、密实度不难发现其原因，J3-3试样的含水量为27.53%、平均密度为1.950g/cm3、干密度为1.529g/cm3，而R3-3试样的含水量为25.31%、平均密度为1.953g/cm3、干密度为1.558g/cm3。现有大量试验研究已证明，土体的强度值与含水量成反比，与干密度呈正比（一定范围内）。J3-3试样的含水量大于R3-3试样，而干密度小于R3-3试样，从而造成了J3-3试样的偏应力值小于R3-3试样。因此，不考虑该对比组的情况，改进机器所制成试样的偏应力略大于手工击实制样，两者之间差异的大小主要由试样的整体均匀性、含水量差异、干密度差异所控制。

图5 两种不同制样方式下三轴UU试验的应力-应变曲线特征

3 结论

由上述分析，可得出的结论如下：

（1）采用手工分层击实法所制成的试样具有明显的分层效应，整体性、均匀性较差。而采用新型制样仪制备重塑样时，采用一次击实的方法，可有效解决试样分层、不均匀的现象，制作工艺简单，操作方便，从制样表面的密实度、空隙分布情况来看也优于传统的人工分层击实制样法。且该方法对实验人员的操作技能要求较低，废样率低，变手动驱动方式为电动驱动方式，节省了制样时间、提高了制样效率。

（2）从两种不同重塑方法试样的力学性能来看，重塑土在不固结不排水的状态下曲线在两种制样方式下均呈现应变硬化，且曲线的偏应力都随着围压的增大而增大，随着试样含水量的增大而降低。人工击实制样组的试样，在相同含水量、相同围压条件下其偏应力值略低于机器制样组，且随着正应力、含水量的增大，该差异越明显。

（3）需要说明的是，室内对扰动样的重塑只能对原状土的部分性状进行重构，某些土的性状如各向异性、水稳性、渗透性等都只能接近于原状土，而无法完全复原。

参考文献：

[1] 土工试验规程(GBSL237-1999)[S].北京：中国水利水电出版社，1999.

[2] Malanraki V, Toll D G. Triaxial tests on weakly bonded soil with changes in stress path[J]. Journal of Geotechnical and Geoenviromental Engineering，2001，127(3)：282-291.

[3] 蒋明镜，沈珠江，赵魁芝，等.结构性黄土湿陷性指标室内测定方法的探讨[J].水利水运科学研究，1999，(1)：65-71.

[4] 谢定义，齐吉琳，朱元林.土的结构性参数及其与变形-强度的关系[J].水利学报，1999，(10)：1-6.

[5] 李晓军.分层击实重塑土压缩过程中微裂纹产生的机制探讨[J].岩土工程技术，2000，（03）：139-142.

[6] 郑剑锋，马巍，赵淑萍，蒲毅彬.重塑土室内制样技术对比研究[J].冰川冻土，2008，（03）：494-500.

[7] 晏鄂川，聂良佐，高连通，吕飞飞，蔡静森.一种电动式双向推压制样仪：中国，203534879U[P].2014.4.9.

Comparative Study on the Preparation Techniques of Remolded Soil

HE Juan-juan
(Guangdong Polytechnic of Water Resources and Electric Engineering, Guangzhou 510925, China)

Due to the limits of sampling condition, remolded soil is used in many geotechnical tests. But the quality of the remolded soil samples is always changing with its preparation technique, equipment and operation level of participants, which results in its physic and mechanic parameter random and that’s will have a great influence on the further research and engineering design. Therefore, this study adopts an automatic bi-directional instrument to preparation soil samples in contrast with the traditional method. Through a large number of triaxial tests, it is proved that the new method of automatic bi-directional instrument is easier to operate, and its samples’ quality is better than that of traditional man-made method.

remolded soil sample; triaxial tests; method contrast

TU411

A

1672-2841（2016）02-0027-05

2016-03-21

何娟娟，女，助教，硕士，从事岩土体稳定性分析、地质灾害治理研究。