粗粒土静三轴试验制样工艺的研究

刘 涛,杨凌云

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710043)



粗粒土静三轴试验制样工艺的研究

刘 涛,杨凌云

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710043)

基于中国高面板堆石料坝的研究，高围压下粗粒土静三轴试验成果可为大坝稳定性提供参考依据，试样制备工艺对三轴试验成功与否起着决定性的作用。文章重点阐述了在仪器设备运转正常的条件下，针对中高围压和细料含量较高试样(<5 mm颗粒占40%以上)，提出提高试验成功率的建议和方案。试验结果表明：PVC纯料软板具有很好的抗撕裂性能，能够满足三轴试验在高围压状态下对乳胶膜的保护；人工击实法制样能够提高细料含量较高试样三轴试验的准确度和成功率。

粗粒土静三轴试验；中高围压；细料含量； PVC纯料软板；乳胶膜；人工击实

0 前 言

粗粒土通常是指块石、碎石、卵石、石屑、石粉等粗颗粒组成的无黏性混合料，或者黏性土中含有大量粗颗粒的混合土；静三轴试验是指在不同恒定周围压力(即最小主应力σ3)下，施加轴向压力(即主应力差σ1-σ3)，进行剪切至破坏，然后按摩尔-库伦强度理论求得抗剪强度参数、按照邓肯-张模型假设求得邓肯模型参数，饱和状态试验还可求出南水模型参数[1-3]。国内三轴试验数据成果处理技术已然成熟[4-5]，但是中高围压下三轴试验成功率偏低[6]困扰着众多单位及个人，造成试验任务延期，成本增加。在设备仪器运转正常情况下，三轴试验失败原因主要包含以下2个方面：

(1) 中高围压下橡皮/乳胶膜穿孔，使得压力室的水进入试样，直接导致试验失败，这也是试验失败的最主要因素；

(2) 细料(<5 mm)含量偏高，在击实作用下向下聚集，在试件的中下方形成稳定的自滤层，不易于水的自由通过，造成在固结和剪切过程中饱和试样中的水不能及时排出，形成孔压，造成试验结果失真或者试验失败。

由此可见，制样是三轴试验开展的前提，制样工艺[7]对三轴试验成功起着决定性的作用。

1 试验简介

本次试验采用大型三轴仪，试样直径30 cm，高60 cm，试验用料为某工程垫层料，岩性为安山质晶屑岩屑凝灰熔岩，试验级配见表1，干密度为2.22 g/cm3，试验剪切速率2 mm/min。试验开始前，检测仪器状态良好；装样过程中，试样底部与顶部均铺垫透水铜丝网，防止细料进入仪器管道造成水路堵塞；饱和采用先抽气、后水头饱和的方法(规范法)。

表1 垫层料试验级配表

(1) 为了研究中高围压下橡皮/乳胶膜穿孔，购置市场上质量较好的乳胶膜[8]、PVC[9]纯料软板、硅胶板,以上几种材料均为3 mm厚，以确保试样体积基本一致。

(2) 试验采取围压分别为1 000 kPa和2 500 kPa；制样为表面振动法分3层进行装填，第1种是用3块PVC纯料软板搭接垫衬到乳胶膜里面制样；第2种是用3块硅胶板搭接垫衬到乳胶膜里面制样；第3种是直接用双层乳胶膜制样。通过这3种方法，2种围压下分别进行3组试验，根据结果选出试验过程中乳胶膜比较安全的方案。

(3) 为了研究第1种和第2种保护措施对试样力学指标造成的影响，试验采用围压300 kPa、600 kPa、1 000 kPa、1 500 kPa分别进行三轴试验(饱和)，根据结果进行判定。(注：PVC纯料软板和硅胶板质地均匀，较柔软，采取3块搭接的方式是为了使其不束缚试验变形)。

(4) 为了研究细料含量偏高造成结果失真或者试验失败，笔者用表面振动法和人工击实法分别装样进行研究，试验围压为1 000 kPa，分别进行固结排水和剪切试验，过程中观测孔压变化，得出细料含量较高情况下试验成功率高的制样工艺。

2 试验结果对比

(1) 研究橡皮/乳胶膜穿孔，是在试验简介中提到的3种装填料保护方式完成装样之后，再对石料与试样底盘、试样帽接触部位用棉布进行缠绕保护，防止围压过大造成内嵌穿孔，装填料保护方式对乳胶膜穿孔试验研究成果见表2，试验抗剪强度参数成果见表3。

表2 装填料保护各方式成果表

表3 抗剪强度参数成果表

(2) 表面振动法是用固定频率振动器分3层装样，每层振动4～5 min，人工击实法是人工用夯锤分层进行制样，每层夯实20～30次，制样完成后，用棉布进行缠绕保护，试验围压1 000 kPa，固结加压速率3 kPa/s，剪切速率2 mm/min，试验研究成果见表4。

表4 表面振动法与人工击实法试验对比表

3 试验成果分析

(1) 由装填料保护方式对乳胶膜造成穿孔可以看出，双层乳胶膜在采取振动器制样的条件下，1 000 kPa围压下1组穿孔，2 500 kPa围压下全部穿孔；乳胶板+乳胶膜1 000 kPa围压下未有穿孔，但2 500 kPa围压下2组穿孔；PVC纯料软板+乳胶膜在1 000 kPa和2 500 kPa围压下均未穿孔。由此可见，即使在中低围压状态下单用乳胶膜也有一定的风险性；乳胶板在低围压状态下比较安全，但中高围压也有一定的风险；PVC纯料软板具有很好的抗撕裂性能，能够满足三轴试验在高围压状态下对乳胶膜的保护，保证试验的成功进行。由表3可以看出， 试样在PVC纯料软板+乳胶膜、乳胶板+乳胶膜、双层乳胶膜的保护作用下φ值分别为41.2°、41.1°、41.2°，差异不大，可见，PVC纯料软板和硅胶板对试样力学参数造成影响甚小，可忽略。

(2) 表面振动法固定频率对试样进行击实，造成试件中细料(<5 mm)向下聚集，在试件的中下方形成稳定的自滤层，不易于水的自由通过，在固结排水过程当中，孔压达到30 kPa，且孔压消散特别慢，剪切过程中试样剪缩，试样内部水不能够及时排出，形成孔压，最大达到65 kPa，造成体变采集错误，同时试样中形成的孔压与围压相抵触，试样实际所受围压较小，直接影响试验结果；采用人工击实法，由于频率强度均可人为干涉，能极大减小细料向下聚集，因此排水较通畅，实测固结、剪切最大孔压比表面振动法要小，准确度较高。

5 结 语

(1) 我国水电开发建设的前期研究中，300 m级高面板堆石坝[10]的可行性研究愈来愈多，工程建设各方迫切要求在300 m级高面板堆石坝的筑坝技术上有所突破，以提高水电站经济指标的竞争力，因此高围压下静三轴试验成果会成为大坝稳定性必不可少的参考指标。笔者就多年来从事三轴试验研究过程中遇到的难点问题进行探讨，对后续从事三轴试验单位及个人做一参考。

(2) 高围压状态下大型三轴试验成功率较低，对试样的保护措施决定了试验的成败，市场上用于大型三轴试验乳胶膜价格昂贵，且三轴试验本身耗时长，多次穿孔会使乳胶膜无法继续使用，增加了试验成本，同时也增加了试验周期，本次试验目的是：① 验证PVC纯料软板在高围压对试样乳胶膜具有良好的保护作用，同时也证明了PVC纯料软板在振动器击实和高围压下试样剪切变形下具有良好抗撕裂性能；② PVC纯料软板和硅胶板较柔软，质地均匀，且自身强度对试样力学参数造成影响甚小；③ 制样击实方式的不同，对细料含量较高(当试样中<5 mm颗粒含量占40%以上)的试样影响较大，因此，当试验用料细料含量较高时，采用人工击实法代替振动器击实，能够提高三轴试验的准确度和成功率。

[1] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.水电水利工程粗粒土试验规程：DL/T5356-2006[S].北京：中国电力出版社,2007.

[2] 南京水利科学研究院.土工试验规程SL237-1999[S].北京：中国水利水电出版社,1999.

[3] 郭庆国.粗粒土的工程特性及应用[M].郑州：黄河水利出版社,1998.

[4] 程展林，丁红顺，吴良平.粗粒土试验研究[J].岩土工程学报,2007,29(8):1151-1158.

[5] 陈立宏,唐松涛,张洪涛.常规三轴试验数据处理的电子表格法[J].北京交通大学学报,2010,34(01)：54-57.

[6] 罗智,蔡国军,卢远航,曹进.粗粒土的大型三轴试验及其变形与强度特性研究综述[J].四川建筑,2013,33(3):91-93.

[7] 彭意,阮波,张向京,张佩知,周生跃.论粗粒土三轴试验改进及教学[J].长沙铁道学院学报,2009,10(01)：44-45.

[8] 李晓云 赵宝平.某粗粒土大型三轴剪切试验研究[J].西北水电，2011(03):86-88.

[9] 张学霞,刘星伟,宋瑞文,苗吉军.PVC塑料建筑模板基本性能试验研究[J].低温建筑技术,2013,35(9)：38-40.

[10] 马洪琪.300m级面板堆石坝适应性及对策研究[J].中国工程科学,2011,13(12):4-8,19.

tudy on Technology of Sample Preparation for Static Triaxial Tests of Coarse Grained Soil

LIU Tao, YANG Lingyun

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710043,China)

Regarding the study of high concrete faced rockfill dams in China, results of the static triaxial tests of the coarse grained soil under the surrounding pressure provides the dam stability study with reference. But technology of the sample preparation plays an important role in success of the triaxial tests. In the paper, comments and proposals on improving the test success are provided, concerning the samples with high content (grain with size<5 mm accounts for 40% above ) of fine grained soil and medium/high surrounding pressure, under condition of the normal operation of instruments and equipment. The test results present that the pure PVC soft membrane is with perfect performance of tearing resistance. It enables to protect the latex film under the high surrounding pressure in the triaxial tests. Application of the artificial compaction method can improve accuracy and success of the triaxial tests on samples with high-content fine grained soil.Key words: static triaxial test of coarse grained soil; medium/high surrounding pressure; fine grain content; pure PVC soft membrane; latex film; artificial compaction

1006—2610(2016)05—0083—03

2016-07-28

刘涛(1987- )，男，陕西省富平县人，工程师，主要从事水利水电岩土工程试验研究工作.

TV41

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.021