两种重塑土样的结构性差异试验分析

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(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.中国科学院 西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点试验室，兰州 730000)

1 研究背景

结构性是土体的固有属性，对土体的物理力学和工程性质有强烈影响。天然黏土普遍具有结构性[1]，相对于天然黏性土，实验室制备的重塑土样的结构性相对较弱，因而重塑土样的结构性通常被忽略。但是，正如天然土的结构性由于形成原因、赋存环境等因素的影响而存在显著的强弱差异，重塑土样因制样过程中的不同控制条件，同样存在着明显的结构性差异[2]。诸多学者[3-7]探讨了天然黏土与重塑土在渗透特性、压缩特性、应力状态和屈服准则以及冻融特性等多个方面的差异，并将这些工程力学性质的差异归因于2种土体的结构性差异。结构性是土体的固有属性，无论天然土还是重塑土，均具有结构性特征[8-9]。以往的研究中，人们更加强调天然原状土体的结构性，而忽略了重塑土样的结构性。实际上，在对黏性土的结构性进行室内试验研究时，常常需要在实验室内制备具有一定结构性的重塑土样。除了人为添加水泥、冰块等方法对重塑土样的结构性有较大影响外[10-11]，制样过程同样对重塑土样的结构性有着不可忽略的影响。为了探讨制样方法和制样过程对重塑土样结构性的影响，本次研究使用同一种土壤材料制备了2种形状和干密度均相同的重塑土样，并通过单轴压缩试验和加卸载试验讨论了2种土样的均匀性和结构性，对这2种重塑土样的结构性差异进行了探讨。

2 制样方法

2.1 试验材料及其理论饱和含水率

制样所用的土壤材料为粉质黏土，土壤的各粒组成分和基本物性指标见表1。根据土的三相比例指标换算关系为：

(1)

(2)

式中：e是孔隙比；Gs是土颗粒相对密度；ρw是水的密度(取1 g/cm3)；ρd是土样干密度；Sr是饱和度；w是含水率。

表1 试验用土的物性参数Table 1 Physical properties of soil material

控制土样的干密度ρd=1.78 g/cm3，令饱和度Sr=1，将ρw=1 g/cm3，Gs=2.70代入式(1)和式(2)中，计算可得干密度为1.78 g/cm3时土样的理论饱和含水率wsat=19.14%。将理论饱和含水率19.14%作为土样的目标含水率。

制样前，先将散土摊放于阴凉通风处自然风干，再将大块碾碎并过2 mm筛，使用烘干法测得其风干含水率为1.5%。取一定质量的风干散土，根据1.5%的风干含水率和19.14%的目标含水率计算需要添加的蒸馏水质量，称取一定质量的蒸馏水加入散土中，拌和均匀后装入保鲜袋，放置在密闭容器中静置24 h使土中的水分均匀分布，以备制样。

2.2 土样的压制

采用分层击实法制备土样时，由于不可避免人为因素的影响，无法保证每一土层的击实度完全相同，而且层与层之间会形成结构面，无法保证土样内部结构的均匀性，进而导致同一批土样之间的初始差异。因此，本次试验采用压样法，在压样机上将土样一次性压制成形，以尽量减小同一批土样之间的初始差异。压样机可以通过内置电脑自动控制加压速率和压头位移。压样前，首先在压样机上安装相应直径的压头，选取相应内径的刚性试样筒，再根据土样的干密度、含水率和土样体积计算单个土样所需的湿土质量，称取相应质量的湿土倒入刚性试样筒中，调整试样筒的位置使其对准压头。压样时，通过计算机控制系统调节压头的下降高度和下降速率，使试样筒中的土料逐渐被压密，当压至土样的目标高度时，压头停止下降。为了防止压力卸载后土样高度回弹，因此反方向重复以上步骤再压一遍。正反2次压样时，压头的位移、下降速率和最大压力均应保持相同；同一批中的每一个土样的最大压力也应保持相同；且同一批土样应尽量一次压制完成。

本次试验中，2种土样均为直径39.1 mm、高度80 mm的圆柱形土样。根据干密度1.78 g/cm3、含水率19.14%及圆柱土样的体积计算单个土样所需的湿土质量，采用上述压制方法和步骤将土料压实成形，同一批试验的12个土样均为一次压制完成，每一个样品正反2次压样时的最大压力均为8 kN。

2.3 土样的饱和

试验所用的土样在制样时均按照理论饱和含水率进行压制，压样过程中均无肉眼可见的水分析出，可以视为饱和的重塑土样。将压制完成的12个土样随机分为2组，每组6个土样，对第1组土样不作任何处理，对第2组土样则进行真空抽气饱和处理，具体处理方法为：在土样两端分别放置滤纸和透水石后一并装入饱和器，将装好试样的饱和器放入真空缸内再用石蜡密封以防漏气，将抽气机与真空缸连接以抽除缸内和土样中的空气，当真空度约为1个大气负压力值后继续抽气1 h，然后向真空缸内缓缓注入纯化水，将饱和器完全淹没后停止抽气，再放入空气，待土样在水中静置浸泡10 h后取出。第2组土样真空抽气饱和处理完成后，称取每一个土样的质量，并与抽气饱和处理之前的质量进行比较，发现第2组的6个土样处理前和处理后的质量无明显变化(如表2)，由于土颗粒质量一定，土样质量无明显变化说明土样的含水量没有明显变化，即真空饱和过程并未导致第2组土样的含水率进一步增加。

表2 第2组6个土样真空饱和前后的质量Table 2 Weights of soil samples(group 2) before andafter vacuum suction saturation

3 单轴压缩与加卸载试验结果

第1组和第2组两种土样，制样所用的土壤材料相同、尺寸和形状相同，制样时的控制干密度相同、压样过程相同、含水率也相同。其不同之处在于，第2组土样经历了真空抽气过程，而第1组没有。下面分别对2组土样进行单轴压缩试验和加卸载试验。

单轴压缩和加卸载试验均采用应变控制式的加载方式，加载和卸载速率均为每分钟1%应变，即±0.8 mm/min。其中，加卸载试验的具体做法为：在压缩过程中，当轴向应变达到2%时卸载，轴向应力卸为0后再重新加载，当轴向应变为3%时再卸载，以此类推进行循环加卸载。压缩过程中，若有峰值出现，则峰值后继续增加3%～5%轴向应变，若轴向应变达到15%时仍然没有峰值出现，则停止试验。

3.1 第1组土样的试验结果

从第1组土样中随机取3个进行单轴压缩试验，另外3个进行循环加卸载试验。图1(a)是第1组土样的单轴压缩曲线，图1(b)是第1组土样的加卸载曲线。可以发现，单轴压缩和加卸载平行试验的曲线形状均相同，3条单轴压缩曲线非常接近，3条循环加卸载曲线除有1条略高外，其余2条曲线基本重合。分别取单轴压缩和加卸载试验的平均曲线，方法为：当平行试验的3条曲线较为接近时，则取3条曲线的平均值；当3条曲线不完全接近时，则取较为接近的2条曲线的平均值。图1(c)是第1组土样的平均曲线，可以发现，单轴压缩平均曲线与加卸载平均曲线的包络线基本重合。说明平行试验的可重复性较高，同一批土样初始结构的均匀性较好。

图1 第1组土样的试验曲线Fig.1 Curves of uniaxial compression and loading-unloading tests of soil group 1

3.2 第2组土样的试验结果

同样，从第2组土样中随机取3个进行单轴压缩试验，另外3个进行加卸载试验。图2(a)是第2组土样的单轴压缩曲线，图2(b)是第2组土样的加卸载曲线。可以发现，第2组土样的单轴压缩和加卸载试验的重复性相对较差，平行试验之间的离散性相对较大，说明真空饱和过程对土样结构具有一定的扰动影响，这种扰动影响的随机性导致了压缩曲线的离散性。分别取单轴压缩和加卸载试验的平均曲线，如图2(c)所示，可以发现2条平均曲线几乎重合，单轴压缩平均曲线是加卸载平均曲线的包络线，说明真空饱和对土样结构的扰动影响仅限于某一范围，导致压缩曲线只在某一范围内波动，这种情况取多次试验的平均值即可。

图2 第2组土样的试验曲线Fig.2 Curves of uniaxial compression and loading-unloading tests of soil group 2

3.3 2组土样的结构性比较

对比第1组和第2组土样的平均单轴压缩曲线，如图3所示，可以发现，2组土样的强度和变形特征均不相同。

图3 第1组和第2组土样的平均单轴压缩曲线Fig.3 Comparison of average uniaxial compression curves of soil group 1 and group 2

3.3.1 压缩曲线

由图3可知，第1组土样的单轴压缩曲线具有明显的转折点，当轴向压力低于结构强度时，土样强度随着轴向应变增加而不断增大，压缩曲线的前半段呈现出硬化特征；而当轴向压力高于结构强度时，土样强度迅速降低，压缩曲线的后半段出现陡降式的软化现象。而第2组土样的压缩曲线上没有明显的转折点，强度随着轴向应变增加而增加，增加至一定值后，强度不再继续增加，压缩曲线呈双曲线形式的应变硬化特征。可以发现，第1组土样的压缩曲线具有结构性土的典型特征，而第2组土样的结构性特征不明显。说明第1组重塑土样的结构性强于第2组重塑土样。

3.3.2 压缩强度

由图3还可发现，第2组土样的强度约为第1组的一半左右。尽管这2组土样的土壤材料、尺寸形状、干密度和含水率都相同，但由于第2组土样经历了真空抽气饱和处理，土颗粒之间的联结作用被破坏，使土样强度显著降低。强度降低说明土样在外力作用下维持其原本结构的能力变差，土样的结构性变弱。

3.3.3 变形特征

如图3中虚线所示，第1组土样的压缩曲线在强度转折点处的应变值，与第2组土样在强度开始稳定时的应变值基本相同，即第1组土样的强度达到峰值和第2组土样的强度开始稳定时的应变值基本相同；当应变量小于该值时，2组土样均发生塑性硬化，但是当土样的变形量大于该值后，第1组土样呈现出脆性的结构性破坏，第2组土样则呈现出塑性流动破坏。

4 结 论

综合上述，可以发现：尽管2组土样的形状尺寸、制样材料、初始干密度、含水率及压样过程均相同，但由于第2组土样经历了真空抽气饱和过程，土样结构发生改变，使2组土样的结构性产生了较大的差异，表现为单轴压缩曲线、强度和变形特性的不同。本文通过对2组土样进行单轴压缩和加卸载试验，比较了2种重塑土样的结构性差异，得到结论如下：

(1)严格控制压样过程即可得到初始结构状态较为均匀的重塑土样，使平行试验的重复性较高；真空抽气饱和处理过程会对土样结构造成较为随机的扰动影响，导致平行土样的均匀性变差，平行试验的重复性变低；同时这种扰动影响具有一定的限度，平行试验的试验曲线仅在某一范围内波动，多次试验取平均值即可。

(2)在2种土样的土壤材料、尺寸形状、干密度、含水率和压样过程都相同的情况下，按理论饱和含水率进行配土与压样后，再对该土样进行真空抽气饱和并不能进一步提高含水率和饱和度，反而会破坏土样结构，使其结构性显著降低。

(3)真空抽气饱和处理过程会降低和破坏重塑黏性土样的结构性，使其压缩曲线上的峰值消失、压缩强度降低，并使土样的破坏形式由脆性的结构破坏转变为塑性流动破坏。