制样方法对粉土室内压缩试验结果的影响研究

周瑞荣，宗明明，王巧云

(三江学院土木工程学院，南京 210012)

现场取土必然会对土体产生一定程度的扰动，产生扰动的因素主要包括两大方面[1]：其一，应力重分布与应力释放会引起土样扰动，而应力变化会引起土的含水率、饱和度、密度等参数的变化，从而导致取出后的土样与原状土有很多方面的差异；其二，取土与制样过程会引起附加扰动，多存在于成孔、取土、储存、运输等环节。前者的扰动影响是无法避免和减小的，后者可以通过改进取土方法和工具来减轻其影响。

国内外学者对土样的扰动影响进行了大量的研究[2-9]。Skempton和Sowa[2]发现了土样扰动会引起有效应力的变化。Ladd和Lambe[3]、Noorany和Seed[4]、Davis和Poulos[5]以及奥村树郎等对此展开了深入的研究，发现从原位取出后的土样都会发生一定程度的膨胀。当土样中含有空气时，由应力解除所引起的有效应力会有明显的降低。为了减少扰动[6]，可以通过施加周围压力使它全部或部分恢复到饱和状态。奥村树郎研究了正常固结黏土在理想的取土过程中其气泡体积、土样饱和度、孔隙水压力、平均有效应力以及孔压系数的变化，发现土样饱和度、孔压系数及平均有效应力随取土过程的进行而减小，即扰动程度增加[7]。

李涛等对土样的扰动进行了定量分析，建立扰动土的压缩曲线模型并进行修正，利用模型减少扰动影响。魏汝龙[8-9]发现扰动使室内再压缩曲线的坡度变缓，即压缩指数变小，而再压缩曲线回到初始压缩曲线的压力与扰动程度有关，扰动越大，所需的压力越大。

综上所述，现场取样对土样的扰动是不可避免的，室内试验的制样方法能否准确反映现场土体的压缩特性是亟待解决的问题。因此，本文主要研究不同制样方法下的土体扰动性，得到土体扰动性最小的制样方法，提出能保持扰动样与原状样压缩曲线相近的制样方法。本文采用预压法、压样法和切样法三种方法进行制样，以研究不同制样方法对土体扰动程度的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用的土料是粉质土样，由表1中的液塑限可以得知，试验土样的塑性指数IP=8。依据GB50021—20013.3.5对土的分类的规定，塑性指数IP小于10的土样为粉土。

现场取样后将其制成不同物理性质的重塑土样，制样过程如下。先烘干土样，待其冷却后碾散，过2 mm筛，称取一定量的过筛土样进行制样，测定其比重、界限含水率、颗粒级配等多个物理指标；再配制与过筛土样的物理指标相同的低密度土样，通过加载—卸载的方案制备四种不同预压应力(200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa)土样，分别对应1#、2#、3#、4#土样(四种土样为一组)，共制备两组土样。每组中每种编号试样各制备3个平行样，即一共24个土样。其中一组用于预压法试验，另一组用于测定四种土样的密度、孔隙比、含水率等物理指标，作为压样法和切样法试验制样的依据。

为了使土样具有足够的饱和度，整个制样过程中固结容器须处于满水状态。试验结束后，测算四种土样的物理指标，试样的基本物理性质指标如表1所示，颗粒分布曲线如图1所示。

表1 试验土样的基本物理性质指标

图1 试验土样颗粒分布曲线

1.2 试验仪器

采用南京土壤仪器厂生产的WG型双联高压固结仪，该仪器主要用于侧限和轴向双面排水条件下的固结试验。试验采用两种型号高压固结仪，荷载最大可加载到1 600 kPa和4 000 kPa，量程为10 mm，百分表最小分度值为0.01 mm。

另外，试验还用到了数字显示界限含水率联合测定仪、密度计、砂浴、比重瓶等其他仪器设备与工具，以测定基本物理参数。

1.3 试验步骤

(1) 预压法

制样：直接采用1.1所制的土样进行试验。该试样初始厚度不足环刀的高度，即小于20 mm。

试验过程：保证试样与仪器上下各部件之间接触良好，施加1 kPa的预压力，将百分表调整到零位。按设定的试验方案(如表2所示)对试样进行加、卸荷载，随时间变化记录百分表读数。加载时，每级荷载持续24 h；卸载时，每级荷载持续12 h。试验结束后，迅速拆除仪器各部件，用干滤纸吸去试样两端表面的水，取出试样，测定试验后试样的含水率，确保试验过程中试样的饱和度满足要求。

表2 一维压缩试验方案

(2) 压样法

制样：根据表1中土样的物理参数，配制好与其含水量一致的湿土样，测算出装满试验环刀(30 cm2)所需土样的质量。如图2所示，使用定制工具将其恰好压满事先垫好透水石、滤纸并涂有凡士林的环刀，继续在土样上表面放置滤纸与透水石并加压盖板，置于加压框架下，对准加压框架的正中安装百分表，同时将固结容器中的水加满，以保持土样的饱和状态。

试验过程与预压法相同。

图2 压样工具

(3) 切样法

制样：根据表1中土样的物理参数，配制好与其含水量一致的湿土样，测算出装满试验环刀(50 cm2)所需土样的质量。如图2所示，使用定制工具将其刚好压满事先垫好玻璃板的环刀，然后迅速用推土手柄将土样轻轻推出环刀，再用涂有凡士林的30 cm2环刀去切取已推出的土样，将切好的土样和环刀放入垫好透水石与滤纸的固结容器中。继续在土样上表面放置滤纸与透水石并加压盖板，置于加压框架下，对准加压框架的正中安装百分表，同时将固结容器中的水加满，以保持土样的饱和状态。

试验过程与预压法相同。

2 试验结果分析

2.1 土样扰动判别方法

早在1955年就有学者提出，利用扰动样压缩曲线推求原状样和理想重塑样压缩曲线，然后对比三者的压缩曲线，在曲线上找出各自在先期固结压力PC处所对应的孔隙比，并分别计算出各自孔隙比与初始孔隙比的差量，利用孔隙比差量的比值ID判定土样的扰动程度，该方法也称为体积压缩法[5，10，11]。

其表达式为：

(1)

式中，Δe为扰动土样在达到先期固结压力时的孔隙比的变化量；Δe0为完全重塑土样在达到先期固结压力时孔隙比的变化量。

该判别法按照土工试验规程中的常规压缩试验步骤进行压缩试验。土样面积为30 cm2和50 cm2两种，高20 mm，加载顺序为：12.5 kPa→25 kPa→50 kPa→100 kPa→200 kPa→400 kPa→800 kPa→1 600 kPa→3 200 kPa。

2.2 先期固结压力的确定

根据粉土预压土样制样过程，利用卡萨格兰德经验作图法验证地基土先期固结压力与试验实际预压压力的关系。如图3所示，为确定先期固结压力的图解曲线,四个曲线的拐点都发生在前期试验固结压力附近，经作图找出对应土样的先期固结压力PC。在CAD软件中按照几何作图规则分别确定出四个土样先期固结压力PC的大小，如表3所示。

(a) 预压法试样1#压缩至4 000 kPa e-logp曲线

(b) 预压法试样2#压缩至4 000 kPa e-logp曲线

(c) 预压法试样3#压缩至4 000 kPa e-logp曲线

(d) 预压法试样4#压缩至4 000 kPa e-logp曲线

本文对重塑土样进行先预压后回弹再压缩[12]，验证卡萨格兰德方法在确定某种特定性土样的先期固结压力时的准确性。如表3所示，在预压力较小(小于800 kPa)的情况下，作图所确定的PC值要略大于所施加的固结预压力，存在1～1.25的系数关系，随着预压力的增加两者趋于相等。这说明了利用卡萨格兰德方法确定的某些特定粉土样的先期固结压力可能需要修正。结合具体工程，还可以将确定的结果与原状样试验所确定的结果进行对比，研究其差别，将重塑土样的试验结果作为原状样试验结果修正的参考。

表3 不同试验固结压力下的先期固结压力的确定

2.3 三种制样方法对土样扰动程度的分析

按卡萨格兰德方法求出先期固结压力PC(如图4所示)后，作初始孔隙比e0的水平线并与PC线相交于b点，以b点为起点向左量2logPC长度至a点。连接点a与0.42e0处的点c，将PC点向下延长使与实验室压缩曲线交予d点，并与ac线交于f点，图4折线abc即为修正后的原状样压缩曲线，曲线adc为试验室压缩曲线，直线afc为完全重塑土的压缩曲线。按图4量得Δe和Δe0代入式(1)计算得出扰动指数ID。

图4 确定土样扰动方法(体积压缩法)

采用体积压缩法计算土样扰动指数，虽然对土样扰动程度进行判断的标准不同，但结果差别不大。这里参照表4土样扰动程度参考指标[13]对本文试验土样的扰动程度进行量化。

表4 土样扰动程度参考指标

根据试验数据绘制三种制样方法四种土样压缩至4 000 kPa的压缩曲线，并结合已经确定的预压法土样的先期固结压力，依据上述土样扰动简易判别的几何作图法，得出四种不同预压力土样的现场压缩曲线和重塑土样压缩曲线，如图5所示。

(a) 1#土样

(b) 2#土样

(c) 3#土样

(d) 4#土样

线段abc为模拟现场压缩的压缩曲线，预压法土样的压缩曲线可以认为是受到一定扰动的原状土的压缩曲线。压样法土样和切样法土样的压缩曲线很接近，且二者与重塑土压缩曲线近于重合。这说明三种制样方法中，预压法土样的扰动要明显小于压样法和切样法。在预压法中，不同的预压力对土样的扰动也不一样，试验土样的预压力越大，其扰动程度也越大。

通过几何作图分别可以得出四幅图中Δe和Δe0的大小，代入式(1)可以分别计算出四种不同预压力土样的扰动指数ID。即有：

(2)

(3)

(4)

(5)

因压样法和切样法土样的压缩曲线与理想重塑土样的压缩曲线接近重合，显然扰动指数均很大(ID>0.7)，属非常扰动范畴。判断总结如表5所示。

表5 三种制样方法四种土样的扰动程度对比

综上所示，由不同预压力土样得出的压缩曲线经作图所得的结论是不同的。主要表现在以下两个方面：随着土样初始预压力的增加，所得土样现场模拟压缩曲线的拐点所对应的荷载也越大；扰动指数ID也随土样初始预压力的增大而增大，即土样的扰动度也越大。另外，在三种制样方法中，预压法所制得的土样的扰动程度要明显小于压样法和切样法。

3 结论

本文通过对采样粉土采用三种方法制样并进行室内压缩试验，得出不同的压缩试验数据并绘制出相关试验曲线，通过分析得出以下结论：

(1) 对于用预压法制备的土样，预压力大于800 kPa 时，卡萨格兰德法确定的先期固结压力与预压力基本一致。然而，预压力小于800 kPa时，卡萨格兰德法确定的先期固结压力大于预压力，需要施加一个修正系数。

(2) 预压法的压缩曲线与原状土取样室内压缩试验的曲线比较接近，并且随着预压力的增加土样的扰动指数ID越大，扰动程度越高。压样法和切样法的四种土样的压缩曲线与重塑土样的压缩曲线接近重合，表明其扰动程度很高。对重塑土样而言，在压样的基础上切样进行压缩试验，对于粉土样的扰动程度的变化不大，其影响可忽略。