重塑膨胀土制样长度对试样密度分布的影响

朱洵　张晨　黄英豪

摘要：在对重塑膨胀土裂隙性问题的单元试验研究中，传统的分层制样法易产生“层间薄弱带”，从而影响试验结果的准确性。针对这一问题，采用增加制样高度的单层压实制样方法，探讨了制样高度对重塑膨胀土试样密度的影响。试验结果表明：试样密度沿深度方向变化规律类似，均呈现出顶部大、底部小的分布特征;增加制样高度导致试样顶部与底部密度差及密度变化率发生改变;试样密度变化率随深度分布存在拐点，拐点以上部分密度变化率较小，以下部分较大;随着制样高度的增大，拐点位置向试样下部移动;以拐点位置为基础，初步给出了适合本制样方法的制样高度。

关键词：重塑膨胀土裂隙;单元试验：制样方法;层间薄弱带：密度拐点

中图分类号：TV41

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.029

膨胀土对外界环境变化敏感，是一种多裂隙性、强胀缩性的高塑性黏土，主要矿物组分由亲水性较强的蒙脱石和伊利石构成¨]。自然条件下，土体与外部环境存在热质交换，造成膨胀土物理力学性质发生改变。冻融循环作用下土体内部水分发生重分布，在此过程中不均匀收缩、冰水相变及分凝冰穿刺等现象会使土体产生裂隙，破坏其完整性，对土体工程性质造成严重影响[2-4]。因此，有必要对冻融循环作用下膨胀土的裂隙性问题进行研究。

试样制备是开展室内膨胀土裂隙试验的基础，直接影响试验结论的准确性和代表性[5-7]。为得到均一性较好的试样，常采用《土工试验方法标准》[8]中规定的分层压实法制取试样[9-12]，再将试样放人冻融循环装置中观察冻融循环作用对膨胀土裂隙生成和发展规律的影响。在分层压实制样过程中，为使土层与土层间接触充分，对接触土层进行刮毛处理，以获得更大的接触面积，但分层处较未分层部分出现初始破坏，易形成“层间薄弱带”。

试样在经历多次冻融循环作用后，常出现以下问题：①冻结过程中试样内部水分在相变、迁移作用下在土颗粒间产生拉应力，“层间薄弱带”抗拉强度较小，易首先形成裂隙：②裂隙在开展过程中遇到“层间薄弱带”停止开展：③在后续对裂隙进行定量化处理时，“层间薄弱带”易产生阴影，影响最终处理结果。基于上述问题，针对标准小尺寸试样（内径39.1 mm，高度80.0 mm），采用增加制样高度的单层压实制样方法对重塑膨胀土进行制样，分析不同制样高度对重塑膨胀土试样密度分布的影响，初步给出适合该制样方法的标准小尺寸试样合理制样高度。

1 试样制备及试验方法

1.1 试验土质

试验所用膨胀土土样取自北疆某渠道工程，取样深度为1m，土样呈青色。将取自现场的土料按《土工试验方法标准》[8]，经自然风干、人工碾碎及过孔径2mm筛，然后采用四分对角取样法获取过筛土，密封保存。取一定质量的土样进行基本物理性质试验，试验结果见表1。通过自由膨胀率试验测得本次试验用土的自由膨胀率为86%，为中等膨胀土。

1.2 试验方案

为研究不同制样高度对试样密度分布的影响，设计了6种制样高度试验，具体试验方案见表2（其中每组试验设置3个平行试样，试验结果以最大值、最小值与平均值之差不超过平均值的15%为合格）。

1.3 试样制备

试样制作过程如下：首先将晾晒后的土样过孔径2 mm的筛，然后按设计含水率向风干土样中加入一定质量的蒸馏水制成土料，将土料密封闷料24 h后均匀混合，最后将土料一次性加入制样模具中，用静力压实法压实至设计干密度。简易压样设备由圆柱形制样模具与液压千斤顶组成，其中方案1-1-1-3试样制模具采用常规钢制三瓣膜，方案2-1-2-3試样制模具采用厚度为10 mm的硬质透明亚克力管，以便观察制样过程中试样内部孔隙的变化情况。在圆柱形制样模具内壁涂抹适量凡士林润滑，再称取相应质量的湿土一次性加入制样模具，随后插入活塞插头，匀速施加荷载，待试样达到规定高度后保持荷载并静置5 min，防止试样体积回弹。“层间薄弱带”实物见图1。

2 试验结果及分析

将所有不同制样高度条件下的试样压制完成后按一定厚度切成薄片，称取薄片质量并换算成密度。换算得到的各试样沿深度方向的密度分布曲线见图2。由图2可知，不同方案试样密度随深度的变化规律类似，大体呈现顶部大、底部小，目标湿密度位于试样中部的分布特征，这主要是制样模具与土样间存在摩擦力所致。制样高度越低，试样成型过程中所受摩擦力越小，成型后沿深度方向密度分布越均匀。

通过对图2数据进行线性插值处理，得到了不同制样高度条件下试样均值密度随深度分布曲线，如图3所示。试样目标湿密度位于试样中部，且其位置随着制样高度的增大向试样下部移动。

最大、最小均值密度统计结果见表3。制样高度由26.7 mm（方案I-I）增至53.3 mm（方案1-2）时，试样的均值密度差由0.016 g/cm增至0.179 g/cm ，增幅达1018.75%;随着制样高度继续增至80.0 mm（方案1-3），试样的均值密度差增至0.223 g/cm，增幅迅速降为24.58%;当制样高度由100.0 mm（方案2-1）增至150.0 mm（方案2—2）时，其均值密度差由0.220g/cm3增至0.247 g/cm，增幅为12. 27%，制样高度增至200.0 mm（方案2-3）时，试样的均值密度差降至0.239g/cm，降幅为3. 24%。上述结果显示：在制样高度较低（高度≤80.0 mm）的情况下，随着制样高度的增大，试样的均值密度差逐步增大，但均值密度差增幅迅速减小：在制样高度较高（高度>80.0 mm）时，试样的均值密度差随制样高度的增大存在小幅波动。这表明随着制样高度的增大，试样顶部与底部的密度差呈现出“分段式”变化规律（先增大后小幅波动），其增幅呈现出迅速放缓后小幅波动，最终趋于平稳的规律。

图4为不同制样高度下试样均值密度变化率随深度变化曲线，其中方案1-1因制样高度较小，沿深度方向均值密度变化率几乎为零，故将其略去。不同高度试样均值密度变化率随深度的分布均存在拐点，即以拐点为界，试样上下两部分均值密度的变化速率存在差异，拐点以上部分均值密度随深度的变化速率较小，以下部分变化速率较大。这表明，采用本方法制取的试样，在拐点位置以上部分试样的密度变化幅度较小，密度分布较为均匀，拐点以下密度分布则较为离散。

如图4所示，试样高度较小时（高度≤80.0 mm），随着制样高度的增大，密度拐点位置由28.71 mm增至45.13 mm，增幅为57.12%;试样高度较高（高度>80.0mm）时，随着制样高度由100.0 mm增至150.0 mm，拐点位置亦由22-1= 70. 16 mm升至22-2=100.27 mm，增幅为42.92%，随着制样高度继续增至200.0 mm，拐点位置移至110.10 mm，增幅降至9.80%。由上述结果可知，拐点位置与制样高度间存在联系，制样高度的增大会导致拐点位置向试样下部移动，但拐点位置的变化率逐渐降低。

为综合分析增大制样高度对制样结果的影响，结合图3与图4对各试样拐点位置z及其所对应的均值密度进行统计，同时计算出拐点位置以上部分的均值密度误差8=|Pz - Pmax |/Pmax和拐点以上部分高度h=|z|，具体结果见表4。随着制样高度的增大，试样拐点位置所对应的均值密度与拐点以上部分高度h均逐渐增大，而均值密度误差δ则减小。当制样高度为150.0 mm时（方案2-2），拐点位置以上部分均值密度误差8= 5.469%，以上部分高度h= 100.27 mm.此试样已基本满足制样要求。若继续增大制样高度至200.0mm（方案2-3），拐点位置以上部分均值密度误差δ将继续减小，以上部分高度h增大量较小。综合比较后初步认为方案2—2制样高度（ 150.0 mm）为适合本试验方法的标准小尺寸制样高度，制得试样在进行室内单元裂隙性试验时对应的初始损伤较小，密度均匀性更易得到控制。

3 结论

采用单层压实法制备重塑膨胀土试样，得到了不同制样高度条件下试样的密度分布特征，主要得出以下结论：

（1）制样高度与试样密度分布密切相关，试样顶部与底部的密度差随制样高度的增大呈现出先增大后小幅波动的变化规律，而密度差增幅先迅速较小，后小幅波动，最终趋于平稳。

（2）试样密度变化率随深度的分布存在拐点，拐点位置及其位置变化率均受制样高度的影响。

（3）综合比较不同制样高度条件下试样的密度分布情况发现，当制样高度增至150.0 mm时，制得试样在进行室内单元裂隙性试验时对应的初始损伤较小，密度均匀性更易得到控制。

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【責任编辑张华岩】