擾動土樣制備方法研究

何家明，魏松，陳磊，徐海龍

（合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

天然結構受到破壞或含水率發生變化的土稱為擾動土，制備目標含水率、干密度的擾動土樣并通過室內試驗獲得相應物理、力學性質是常用方法。而室內進行土體的物理、力學性質試驗時，受取樣方法、土樣運輸、土樣養護等因素影響，根據所謂的原狀土樣測得的結果往往不能直接體現原狀土的各類性質，基于擾動土樣開展土工試驗是常見手段，不同方法對試驗結果有何影響目前研究較少，如何制備目標含水率及干密度的擾動土樣是測定原狀土各類物理、力學性質的重難點之一[1]。

土工試驗規程（SL237-1999）中擾動土樣制備的方法有三種[2]。第一種是擊樣法，是通過擊實的方法將土壓入環刀內。擊樣法操作簡單，但是由于擊實過程中土樣受到沖擊荷載的反復作用，土樣的均勻性、土體結構及其他力學性質會受到一定影響。第二種是擊實法，是將大塊土樣用擊實器械按照一定密度擊實后，用脫模器械將土樣從擊實筒中推出，然后用環刀切取土樣。擊實法通過人工壓入環刀和削土，避免了沖擊荷載對土樣的影響，但是該方法操作繁瑣，土樣耗費大，并且不可避免地由于人為壓力不均勻對土樣造成一定的影響[3]。第三種是壓樣法，是將濕土放置于壓模內，以靜壓力將土壓至一定高度，再用推土器將土樣推出。壓樣法不僅操作簡便，節省土樣，避免了沖擊荷載對土樣的反復作用，且靜壓的方式可以使土樣密實度更加均勻。

試樣制備作為各類土工試驗的基礎，其準確性的影響程度毋庸置疑，國內外巖土工程領域對于試樣制備技術進行了反復試驗研究。20世紀80年代，Hyde[4]采用泥漿加壓固結制樣法制備土樣，將通過旋轉式分離機的黏土泥漿采用空氣壓力機施加固結壓力進行固結。張園根等[5]依照真空預壓技術的原理設計了室內真空預壓黏土制樣方法，采用真空泵將覆蓋在砂墊層和水平抽水通道的密封膜內氣體和水抽出，通過排水量的變化控制土樣中含水率的大小。李紅艷等[6]介紹了人工拌合-擊實法、擊實-浸泡法和固結-滲透淋濾法三種重塑污染土樣的制備方法并比較其優缺點及適用范圍。

室內土樣制備的方法根據目標含水率的大小有泥漿制樣法、濕土制樣法以及干粉制樣法[7]。本次試驗制備含水率介于液塑限之間的擾動土，故采用濕土制樣法。試驗通過擊實和壓樣兩種制樣方法進行粉質黏土試樣制備，通過土樣含水率、干密度兩個指標與目標值大小進行比較，從而確定擾動土樣制備方法的可行性。

2 擾動土樣制備試驗

2.1 試驗方案

本次試驗采用控制變量法，通過擊實、壓樣兩種土樣制備方法制備直徑Φ61.8mm，高20mm，含水率分別為 10%、15%、20%，干密度分別為 1.5g/cm3、1.6g/cm3、、1.7g/cm3、的擾動土樣。相同干密度下制備三組不同含水率土樣，每一組含水率土樣制備3個土樣做平行試驗。

2.2 試樣制備注意事項及預備程序

為確保試驗方法的可靠性與試驗結果的代表性，本次樣品制備遵循統一的制備程序。擾動土制備程序包括風干、碾散、過篩、勻土、分樣和貯存等預備程序及試樣制備程序。

土工試驗規程中規定[2]，同一組擾動土樣的含水率與目標含水率之差不能超過±1%；同一組擾動土樣的干密度與目標干密度之差不得大于±0.01g/cm3。因此本文通過比較目標含水率、干密度與實際含水率、干密度差值確定試驗方法的可行性。

2.2.1 擾動土取樣

試驗用土為粉質黏土。對土料進行了基本的物理技術指標測定，測定結果如表1所示。

由于取樣時受到天氣及場地施工影響，土樣的原狀結構及天然含水率受到擾動，因此對其重塑用以研究不同擾動土樣制備方法的可行性。

土樣的基本物理指標 表1

2.2.2 制備擾動土樣的預備程序

將取回的大體積塊狀土簡單篩分，先剔除土中孔徑較大的巖石顆粒，然后在實驗室內對土料進行碾散，碾散的過程中要注意切勿壓碎顆粒。將碾散后的土料在無建筑物遮擋且通風情況良好的區域風干。

將風干、碾散后的土料過篩。本次試驗屬于常規水理試驗，使用孔徑為2mm的圓孔篩。將過篩后的土料取一部分測定其風干土含水率，其余的用保鮮膜包裹起來，留著待后續試驗所用。

2.3 試樣制備

2.3.1 擊實法

根據土樣顆粒級配、含水率，選擇干土法輕型擊實。將擊實筒置于堅硬地面，筒壁內側涂抹一層凡士林，聯接擊實筒和底板并安裝好護筒。取制備好的土樣分3層倒入擊實筒內，每層土料質量600～800g，每次倒入筒內的土量可使擊實后的土樣略高于筒高的1/3。土料倒入擊實筒后整平表面，并稍加壓緊，然后按每層25次擊進行擊實，擊實時擊錘自由垂直落下，錘跡均勻分布于土樣表面。每層擊實后，將土樣層面刨毛，然后再裝上護筒，重復上述方法進行各層土的擊實。擊實后用修土刀沿套筒內壁刮削，使試樣與套筒脫離后，扭動并取下套筒，齊筒頂削平土樣，拆除底板，擦凈筒外壁，稱量，準確至1g。用脫模器械推出擊實筒內土樣，用規格為直徑Φ61.8mm、高20mm的不銹鋼環刀從擊實土樣中切取試樣，同時測定其含水率、干密度指標。

2.3.2 壓樣法

根據目標干密度稱取經過預備程序的烘干土樣，確定目標干密度下不同含水率的數值，計算加水質量，將加水后攪拌均勻的土樣裝入密封袋潤濕一晝夜。采用油壓千斤頂制備標準環刀樣，壓樣器底板與頂板由三根支撐柱聯接，油壓千斤頂置于底板上，將悶料后的土樣稱重放置在規格為直徑Φ62mm，高50mm的標準不銹鋼環刀中，用兩塊同等直徑，高20mm的金屬壓餅放置在環刀中，其中一塊壓餅在10mm處做有標記。將裝有壓餅的環刀用千斤頂壓住，直至壓到上面一塊壓餅標記的10mm處，此時土樣規格即為直徑Φ61.8mm，高20mm。為使制備的土樣密實均勻，每次壓樣持續靜壓0.5h。將內含土樣的環刀從壓樣器上取下來，用同等直徑的推土器與大環刀樣重合，再利用壓餅及千斤頂的組合荷載將土樣推出，同時測定其含水率、干密度指標。

圖1 擊實法制樣圖

圖2 壓樣法制樣圖

2.4 土樣含水率、干密度的測定

采用烘干法進行土樣含水率及干密度的測定。在制備土樣前選取標準尺寸環刀，記錄其編號并稱重。將制備的環刀樣稱重后放置在烘箱中，在設定烘箱溫度為105℃下烘至恒重（約12h）。將烘干后的試樣拿出放置在干燥器內冷卻至室溫后稱量環刀加干土重量。

為減少試驗誤差，每個目標含水率、干密度分別做6組平行實驗。含水率按式1計算，實驗數據見表2：

式中w為試樣含水率，單位%；m0為環刀質量，單位g；m1為環刀加濕土質量，單位g；m2為環刀加烘干土質量，單位g。

干密度按式2計算，實驗數據見表3：

式中ρd為試樣干密度，單位g/cm3；V為試樣體積，單位 cm3。

兩種制樣方法制得的土樣含水率 表2

兩種制樣方法制得的土樣干密度 表3

3 試驗結果分析

3.1 擾動土樣含水率測定結果分析

從表2中可以得到，兩種方法制備土樣含水率與目標含水率的差值在1%之內，滿足《土工試驗規程》SL237-1999內制備擾動土樣含水率的誤差范圍。其中目標含水率為10%、15%時，兩種方法制備的土樣含水率都偏小，目標含水率為20%時，兩種方法制備的土樣含水率都偏大；兩種制樣方法相比較，壓樣法制樣含水率大于擊實法制備的土樣。

由于干土質量及加水質量都是嚴格控制的，分析得到誤差來源有兩點，一是加水拌合過程中未能充分攪拌造成部分土樣含水率偏小或偏大；二是悶料時部分水汽殘留在密封袋中使得水質量減小，造成含水率偏小。

壓樣法制樣含水率較擊實法大的原因分析是由于粉質黏土中黏粒的存在使得在持續壓力荷載下土體內部水分子的運動較少，土樣含水率更加均勻。兩種制樣方法制成土樣的含水率均滿足試驗誤差范圍，說明本次試驗兩種制樣方法均適用于擾動土樣制備。

3.2 擾動土樣干密度測定結果分析

從表3中可以得到，兩種方法制備土樣干密度與目標干密度的差值均在0.01g/cm3之內，滿足《土工試驗規程》（SL237-1999）內制備擾動土樣干密度的誤差范圍。其中壓樣法制樣干密度均略大于目標值，擊實法制樣干密度均略小于目標值；采用壓樣法制樣時，其干密度值與目標值差值隨含水率增大而增大。

壓樣法制樣干密度大于目標干密度，分析是由于制備目標含水率土樣時含水率偏小，導致相同重量土樣下水重量偏小，干土重量偏大，烘干后土樣干密度也隨之偏大。而擊實法制樣干密度小于目標干密度，分析是由于擊實土樣體積過大，即使分三層擊實也很難避免局部土體不密實、土樣內部有空隙等因素導致同體積土樣中土體重量偏小，從而使土樣干密度偏小。

本次試驗采用壓樣法制成的土樣含水率、干密度均在誤差范圍之內，說明了采用油壓千斤頂制成的制樣器械進行壓樣法是合理的，該設備具有施加荷載均勻、操作方便等優點，可作為制備擾動土樣專門試驗儀器。

4 結論

本文通過擊實、壓樣兩種制樣方法制備粉質黏土試樣，將土樣的含水率、干密度與目標值進行比較，得到以下結論：

①擊實、壓樣兩種制樣方法制得粉質黏土試樣的含水率、干密度均滿足規范中制樣誤差要求，說明兩種制樣方法均可用于制備粉質黏土的擾動土樣。

②本文采用油壓千斤頂制成的制樣器械進行壓樣法具有合理性，該設備具有施加荷載均勻、操作方便等優點，可作為制備擾動土樣專門試驗儀器。