朱洵　張晨　黃英豪

摘要：在對(duì)重塑膨脹土裂隙性問題的單元試驗(yàn)研究中，傳統(tǒng)的分層制樣法易產(chǎn)生“層間薄弱帶”，從而影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對(duì)這一問題，采用增加制樣高度的單層壓實(shí)制樣方法，探討了制樣高度對(duì)重塑膨脹土試樣密度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：試樣密度沿深度方向變化規(guī)律類似，均呈現(xiàn)出頂部大、底部小的分布特征;增加制樣高度導(dǎo)致試樣頂部與底部密度差及密度變化率發(fā)生改變;試樣密度變化率隨深度分布存在拐點(diǎn)，拐點(diǎn)以上部分密度變化率較小，以下部分較大;隨著制樣高度的增大，拐點(diǎn)位置向試樣下部移動(dòng);以拐點(diǎn)位置為基礎(chǔ)，初步給出了適合本制樣方法的制樣高度。

關(guān)鍵詞：重塑膨脹土裂隙;單元試驗(yàn)：制樣方法;層間薄弱帶：密度拐點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TV41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.029

膨脹土對(duì)外界環(huán)境變化敏感，是一種多裂隙性、強(qiáng)脹縮性的高塑性黏土，主要礦物組分由親水性較強(qiáng)的蒙脫石和伊利石構(gòu)成¨]。自然條件下，土體與外部環(huán)境存在熱質(zhì)交換，造成膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。凍融循環(huán)作用下土體內(nèi)部水分發(fā)生重分布，在此過程中不均勻收縮、冰水相變及分凝冰穿刺等現(xiàn)象會(huì)使土體產(chǎn)生裂隙，破壞其完整性，對(duì)土體工程性質(zhì)造成嚴(yán)重影響[2-4]。因此，有必要對(duì)凍融循環(huán)作用下膨脹土的裂隙性問題進(jìn)行研究。

試樣制備是開展室內(nèi)膨脹土裂隙試驗(yàn)的基礎(chǔ)，直接影響試驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確性和代表性[5-7]。為得到均一性較好的試樣，常采用《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[8]中規(guī)定的分層壓實(shí)法制取試樣[9-12]，再將試樣放人凍融循環(huán)裝置中觀察凍融循環(huán)作用對(duì)膨脹土裂隙生成和發(fā)展規(guī)律的影響。在分層壓實(shí)制樣過程中，為使土層與土層間接觸充分，對(duì)接觸土層進(jìn)行刮毛處理，以獲得更大的接觸面積，但分層處較未分層部分出現(xiàn)初始破壞，易形成“層間薄弱帶”。

試樣在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)作用后，常出現(xiàn)以下問題：①凍結(jié)過程中試樣內(nèi)部水分在相變、遷移作用下在土顆粒間產(chǎn)生拉應(yīng)力，“層間薄弱帶”抗拉強(qiáng)度較小，易首先形成裂隙：②裂隙在開展過程中遇到“層間薄弱帶”停止開展：③在后續(xù)對(duì)裂隙進(jìn)行定量化處理時(shí)，“層間薄弱帶”易產(chǎn)生陰影，影響最終處理結(jié)果?；谏鲜鰡栴}，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)小尺寸試樣（內(nèi)徑39.1 mm，高度80.0 mm），采用增加制樣高度的單層壓實(shí)制樣方法對(duì)重塑膨脹土進(jìn)行制樣，分析不同制樣高度對(duì)重塑膨脹土試樣密度分布的影響，初步給出適合該制樣方法的標(biāo)準(zhǔn)小尺寸試樣合理制樣高度。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)土質(zhì)

試驗(yàn)所用膨脹土土樣取自北疆某渠道工程，取樣深度為1m，土樣呈青色。將取自現(xiàn)場(chǎng)的土料按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[8]，經(jīng)自然風(fēng)干、人工碾碎及過孔徑2mm篩，然后采用四分對(duì)角取樣法獲取過篩土，密封保存。取一定質(zhì)量的土樣進(jìn)行基本物理性質(zhì)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。通過自由膨脹率試驗(yàn)測(cè)得本次試驗(yàn)用土的自由膨脹率為86%，為中等膨脹土。

1.2 試驗(yàn)方案

為研究不同制樣高度對(duì)試樣密度分布的影響，設(shè)計(jì)了6種制樣高度試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案見表2（其中每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行試樣，試驗(yàn)結(jié)果以最大值、最小值與平均值之差不超過平均值的15%為合格）。

1.3 試樣制備

試樣制作過程如下：首先將晾曬后的土樣過孔徑2 mm的篩，然后按設(shè)計(jì)含水率向風(fēng)干土樣中加入一定質(zhì)量的蒸餾水制成土料，將土料密封悶料24 h后均勻混合，最后將土料一次性加入制樣模具中，用靜力壓實(shí)法壓實(shí)至設(shè)計(jì)干密度。簡(jiǎn)易壓樣設(shè)備由圓柱形制樣模具與液壓千斤頂組成，其中方案1-1-1-3試樣制模具采用常規(guī)鋼制三瓣膜，方案2-1-2-3試樣制模具采用厚度為10 mm的硬質(zhì)透明亞克力管，以便觀察制樣過程中試樣內(nèi)部孔隙的變化情況。在圓柱形制樣模具內(nèi)壁涂抹適量凡士林潤(rùn)滑，再稱取相應(yīng)質(zhì)量的濕土一次性加入制樣模具，隨后插入活塞插頭，勻速施加荷載，待試樣達(dá)到規(guī)定高度后保持荷載并靜置5 min，防止試樣體積回彈?！皩娱g薄弱帶”實(shí)物見圖1。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

將所有不同制樣高度條件下的試樣壓制完成后按一定厚度切成薄片，稱取薄片質(zhì)量并換算成密度。換算得到的各試樣沿深度方向的密度分布曲線見圖2。由圖2可知，不同方案試樣密度隨深度的變化規(guī)律類似，大體呈現(xiàn)頂部大、底部小，目標(biāo)濕密度位于試樣中部的分布特征，這主要是制樣模具與土樣間存在摩擦力所致。制樣高度越低，試樣成型過程中所受摩擦力越小，成型后沿深度方向密度分布越均勻。

通過對(duì)圖2數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值處理，得到了不同制樣高度條件下試樣均值密度隨深度分布曲線，如圖3所示。試樣目標(biāo)濕密度位于試樣中部，且其位置隨著制樣高度的增大向試樣下部移動(dòng)。

最大、最小均值密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。制樣高度由26.7 mm（方案I-I）增至53.3 mm（方案1-2）時(shí)，試樣的均值密度差由0.016 g/cm增至0.179 g/cm ，增幅達(dá)1018.75%;隨著制樣高度繼續(xù)增至80.0 mm（方案1-3），試樣的均值密度差增至0.223 g/cm，增幅迅速降為24.58%;當(dāng)制樣高度由100.0 mm（方案2-1）增至150.0 mm（方案2—2）時(shí)，其均值密度差由0.220g/cm3增至0.247 g/cm，增幅為12. 27%，制樣高度增至200.0 mm（方案2-3）時(shí)，試樣的均值密度差降至0.239g/cm，降幅為3. 24%。上述結(jié)果顯示：在制樣高度較低（高度≤80.0 mm）的情況下，隨著制樣高度的增大，試樣的均值密度差逐步增大，但均值密度差增幅迅速減?。涸谥茦痈叨容^高（高度>80.0 mm）時(shí)，試樣的均值密度差隨制樣高度的增大存在小幅波動(dòng)。這表明隨著制樣高度的增大，試樣頂部與底部的密度差呈現(xiàn)出“分段式”變化規(guī)律（先增大后小幅波動(dòng)），其增幅呈現(xiàn)出迅速放緩后小幅波動(dòng)，最終趨于平穩(wěn)的規(guī)律。

圖4為不同制樣高度下試樣均值密度變化率隨深度變化曲線，其中方案1-1因制樣高度較小，沿深度方向均值密度變化率幾乎為零，故將其略去。不同高度試樣均值密度變化率隨深度的分布均存在拐點(diǎn)，即以拐點(diǎn)為界，試樣上下兩部分均值密度的變化速率存在差異，拐點(diǎn)以上部分均值密度隨深度的變化速率較小，以下部分變化速率較大。這表明，采用本方法制取的試樣，在拐點(diǎn)位置以上部分試樣的密度變化幅度較小，密度分布較為均勻，拐點(diǎn)以下密度分布則較為離散。

如圖4所示，試樣高度較小時(shí)（高度≤80.0 mm），隨著制樣高度的增大，密度拐點(diǎn)位置由28.71 mm增至45.13 mm，增幅為57.12%;試樣高度較高（高度>80.0mm）時(shí)，隨著制樣高度由100.0 mm增至150.0 mm，拐點(diǎn)位置亦由22-1= 70. 16 mm升至22-2=100.27 mm，增幅為42.92%，隨著制樣高度繼續(xù)增至200.0 mm，拐點(diǎn)位置移至110.10 mm，增幅降至9.80%。由上述結(jié)果可知，拐點(diǎn)位置與制樣高度間存在聯(lián)系，制樣高度的增大會(huì)導(dǎo)致拐點(diǎn)位置向試樣下部移動(dòng)，但拐點(diǎn)位置的變化率逐漸降低。

為綜合分析增大制樣高度對(duì)制樣結(jié)果的影響，結(jié)合圖3與圖4對(duì)各試樣拐點(diǎn)位置z及其所對(duì)應(yīng)的均值密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)計(jì)算出拐點(diǎn)位置以上部分的均值密度誤差8=|Pz - Pmax |/Pmax和拐點(diǎn)以上部分高度h=|z|，具體結(jié)果見表4。隨著制樣高度的增大，試樣拐點(diǎn)位置所對(duì)應(yīng)的均值密度與拐點(diǎn)以上部分高度h均逐漸增大，而均值密度誤差δ則減小。當(dāng)制樣高度為150.0 mm時(shí)（方案2-2），拐點(diǎn)位置以上部分均值密度誤差8= 5.469%，以上部分高度h= 100.27 mm.此試樣已基本滿足制樣要求。若繼續(xù)增大制樣高度至200.0mm（方案2-3），拐點(diǎn)位置以上部分均值密度誤差δ將繼續(xù)減小，以上部分高度h增大量較小。綜合比較后初步認(rèn)為方案2—2制樣高度（ 150.0 mm）為適合本試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)小尺寸制樣高度，制得試樣在進(jìn)行室內(nèi)單元裂隙性試驗(yàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的初始損傷較小，密度均勻性更易得到控制。

3 結(jié)論

采用單層壓實(shí)法制備重塑膨脹土試樣，得到了不同制樣高度條件下試樣的密度分布特征，主要得出以下結(jié)論：

（1）制樣高度與試樣密度分布密切相關(guān)，試樣頂部與底部的密度差隨制樣高度的增大呈現(xiàn)出先增大后小幅波動(dòng)的變化規(guī)律，而密度差增幅先迅速較小，后小幅波動(dòng)，最終趨于平穩(wěn)。

（2）試樣密度變化率隨深度的分布存在拐點(diǎn)，拐點(diǎn)位置及其位置變化率均受制樣高度的影響。

（3）綜合比較不同制樣高度條件下試樣的密度分布情況發(fā)現(xiàn)，當(dāng)制樣高度增至150.0 mm時(shí)，制得試樣在進(jìn)行室內(nèi)單元裂隙性試驗(yàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的初始損傷較小，密度均勻性更易得到控制。

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【責(zé)任編輯張華巖】