空心圆柱扭剪仪试样的制备和饱和

韩 珏 刘保健 马倩倩

(1.商洛学院建工学院，陕西 商洛 726000； 2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064)



空心圆柱扭剪仪试样的制备和饱和

韩 珏1刘保健2马倩倩2

(1.商洛学院建工学院，陕西 商洛 726000； 2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

介绍了空心圆柱扭剪仪试样的制备方法，从抽真空饱和、二氧化碳饱和、水头饱和、反压饱和等方面，阐述了空心圆柱试样常用饱和方式的特点，为实际工程选择合适的饱和方法提供了依据。

空心圆柱，砂性土，粘性土，饱和方法

0 引言

自然界中土的种类繁多，土的工程性质也是十分复杂的，而且任何一种土的工程性质又随它的存在状态和外界条件而有很大的变化。通常我们会结合实际的工程情况来选取不同的制样方式，采用不同的制样方式获得的试样可以模拟不同成因的土层。

空心圆柱扭剪试验是室内土工动态测试的一种，不仅可以模拟波浪、交通等主应力轴连续旋转的复杂应力路径，还可以模拟随机的地震荷载，用于测试土体在各种动力作用下所直接或间接表现出来的某种反应和效应。空心圆柱扭剪仪能很好地模拟地震、波浪和交通荷载引起的应力，是研究复杂应力状态下土体动力特性的很好的工具。用空心圆柱扭剪仪研究复杂应力路径下土体的力学特性，土样的制备和饱和都是土工试验的重要环节，因此，室内土工试验选取合适的制样和饱和方法对试验结果的合理性有很大的影响。

在对黏土空心圆柱试验的研究中，沈扬、张金良、周建等[1-12]采用浙江大学与英国GDS共同研发的空心圆柱试样制备器进行削样，在保证土样自身的特性的同时获取满足试验要求的土样。在砂样的制备中，黄博[14]采用水中砂雨法制样，丁浩等[15-18]采用分层湿捣法制备砂样，孙奇[19]采用落砂法制备砂样。赵宇[20]采用干样分层击实控制干密度的方法制样粉土试样。

试样饱和方法的选取中，在对黏土空心圆柱试验的研究中，沈扬、温晓贵、管林波、周建等[1-13]采用反压饱和法对试样进行饱和。在对砂土空心圆柱试验的研究中，丁浩等[15-19]利用通CO2、通无气水和施加反压3种方法进行试样饱和。在对粉土的研究中，赵宇[20]采用反压饱和法对试样进行饱和。

1 试样的制备

原状土样是分层土工试验的重要手段，对于测定天然土的物理、力学特性，为设计和施工提供所需的特性参数，对场地地基的稳定性和施工适宜性做出评价起着决定性作用。但由于原状土样要进行现场取样、现场检验、封存、贮存、运输等实际的问题，有时在进行室内试验时只能对重塑土特性进行研究，并通过修正应用到实际的工程中。空心圆柱扭剪试验是一种比较复杂的土工试验，该试验的试样为实心圆柱型和空心圆柱型。其中空心圆柱型试样尺寸为外径100 mm，内径60 mm，高200 mm。在此，仅探讨空心圆柱试样的制备和饱和。

1.1 砂性土

原状土。削样法：采用浙江大学与英国GDS共同研发的空心圆柱试样制备器进行削样。首先是外壁切削，将从工程现场取回的各向同性的原状土样放置在削土器上，根据原状土含水量的不同可选取不同的削土工具。较软的土样，可用钢丝锯沿制样周围的钢柱进行切削，较硬的土样，可用削土刀进行切削。制样的过程可旋转底座转盘，以便快速切削土样。在初步切削好试样外壁之后，需要再进一步的对外壁进行精修，即完成外壁的切削。其次是内壁切削，其较外壁切取要复杂很多，试样内壁切削由特制内芯切削器完成。先确定取芯时的圆心位置，将钻头与圆心点接触，缓慢推动钻杆并旋转钻杆，用刀具将内芯的内部切割到要求的孔径。在内壁护筒的支护下依次推进，直到内壁初步切削完成再用内壁精修器进行修圆处理，最后利用承膜筒将试样上下端削平。原状试样制备完成，可用于进一步的试验。但在实际工程中，采取原状砂土是比较困难的，因此，实际中很少采取原状砂性土样进行试验，而是先在现场测定实际的砂土密度，然后在试验中配备与现场相同密度的试样。

重塑土。在众多的试验中，针对重塑砂性土的制样方法较多，常见的有落砂法、振动法、湿捣法等，Tatsuoka等[21]曾对以上几种不同制样方法对循环三轴及扭剪试验的影响进行研究，得出仅在应变较小的情况下,不同的制样方法才对砂土的应力应变关系有影响。下面就几种不同的制样方式进行详述，以便在进行试验时选取合适的制样方法。

落砂法：根据需要选取的试样的相对密实度称取制样所需要的干砂，进行等分，在落砂制样的同时要确保每份砂土的初始高度相同。将每份砂装入漏斗后，保持相同的落距，使漏斗绕内外橡皮膜形成的圆筒匀速转动，以使颗粒分布均匀，以确保所制砂样的各向同性。不同相对密实度的砂土通过落距控制。砂性土的颗粒组成(按重量计)，砂粒(2 mm～0.074 mm)>70%，粘粒(小于0.002 mm)<3%，有明显的粒径分布，因此在试验中采用落砂法制样也是一种切实有效的方法。落砂法得到的砂样也更接近均匀性良好的天然砂土层，可用于模拟由风载或水流沉积而成的天然砂土层。

振动法：根据控制试样的相对密实度称取制样所需要的烘干砂，进行10等分，用振动仪振动时通过控制振动次数和振动频率来控制试样的相对密实度。在振动的同时要确保每份砂土高度控制在20 mm。在试验条件允许的情况下，振动法制样也是十分可取的。

湿捣法：根据控制试样的相对密实度称取制样所需要的烘干砂，加入无气水，控制其含水率为18%，然后用塑料薄膜包裹后放入密封容器内静置12 h。之后将湿砂分成10等份依次倒入成样模具中，每份砂土经击实器击实，高度控制为20 mm。通过施加不同的击实能可以制成具有不同相对密实度的试样。湿捣法制成的试样颗粒杂乱排列,并没有最优排列方向，可用以模拟回填的砂土层，因此在试验中湿捣法制样也是一种切实可行的方法。

1.2 粘性土

1)原状土。削样法：采用浙江大学与英国GDS共同研发的空心圆柱试样制备器进行削样。首先是外壁切削，将从工程现场取回的各向同性的原状土样放置在削土器上，根据原状土含水量的不同可选取不同的削土工具。较软的土样，可用钢丝锯沿制样周围的钢柱进行切削，较硬的土样，可用削土刀进行切削。制样的过程可旋转底座转盘，以便快速切削土样。在初步切削好试样外壁之后，需要再进一步的对外壁进行精修，即完成外壁的切削。其次是内壁切削，其较外壁切取要复杂很多，试样内壁切削由特制内芯切削器完成。先确定取芯时的圆心位置，将钻头与圆心点接触，缓慢推动钻杆并旋转钻杆，用刀具将内芯的内部切割到要求的孔径。在内壁护筒的支护下依次推进，直到内壁初步切削完成再用内壁精修器进行修圆处理，最后利用承膜筒将试样上下端削平。原状试样制备完成，可用于进一步的试验。原状土由于其含水率的不同，自身强度有很大的不同，在尽量保证土样结构不被扰动的情况下制样，尽可能的模拟现场土的受力情况，分析土的实际工程性质。在对原状土进行削样的过程中，要尽可能的小心慢削，尽量减少对土样的扰动。

2)重塑土。泥浆加压固结法：对所用土样进行烘干处理后碾碎成粉末，用无气蒸馏水将土样配制成所需含水率的泥浆。将泥浆注入圆柱形固结模具中，注泥浆时要注意模具中气体的排出，以确保最终所制土样的性质均一。通过空气压力机施加不同的固结压力来控制土的物理、力学性状指标。固结完成的土样即可密封保存，留做后续的试验。该方法固结的加荷设备较为笨重，大体积的试样不能保证其固结的均匀性，在使用上受到一定的限制，操作也比较复杂，在制取重塑粘性土时不建议采用该方法。真空抽吸法：真空抽吸法的过程是土体结构不断调整重组的过程,可得到性质比较均一的土样[23]。根据预先设定的土的物理、力学性状指标，先利用浙江大学研制的室内真空抽吸仪器制备一定体积的重塑粘土，再采用英国GDS公司与浙江大学共同研发的空心圆柱试样制备器进行削样，将试样制为高200 mm、外直径100 mm、内直径60 mm的空心圆柱状。削样的具体操作同原状粘性土。该方法发展较为迅速，能够在较短的时间内制备大量的比较均匀的粘性土样，且饱和度容易控制，在试验中建议采用该方法制样。

2 试样的饱和

土中孔隙逐渐被水填充的过程称为饱和，土体内的孔隙基本上被水充满的土称为饱和土[22]。试验饱和可根据土的性质选用不同的方法。试验中常用的饱和方法有抽真空饱和、二氧化碳饱和、反压饱和、水头饱和等，通常我们根据不同的试验类型选择不同的饱和方式。

抽真空饱和。将装有试样的饱和器放在无水的抽气缸(金属的或玻璃的)内，进行抽气。当真空泵中的真空度接近一个大气压后，再依据不同类型的土继续抽气一段时间，然后缓缓注入无气水，并保持抽气缸内的真空度稳定。待饱和器完全被水淹没，再继续抽气一段时间(0.5 h左右)，以抽出进水过程中进入的空气。停止抽气，并释放抽气缸的真空，试样在水下静置10 h以上，然后取出试样之后装样并进行试验。对于有独特的多孔隙，弱胶结的结构性和敏感的水理特性的黄土最好不用该方法进行饱和。

二氧化碳饱和。二氧化碳饱和适用于无粘性的松砂、紧砂及密度低的粉质土。试样安装完成后，先通过手动操作控制器排出各管道中的空气，再从试样底部通入二氧化碳，通二氧化碳的同时打开反压排气阀门，并将反压排气阀的管线淹没在装有澄清石灰水(Ca(OH)2)的玻璃杯中，当石灰水变浑浊时即可停止通二氧化碳。随后可从试样底部通入无气蒸馏水，当试样顶部的出水量等于试样底部的进水量时，再持续通水一段时间则试样饱和。

水头饱和。先将试样安装好，装上压力室罩，再向压力室进满水。施加一定的周围压力并同时提高试样底部量管的水面和降低连接试样顶部反压排水管的水面使两管水面差1 m左右，打开量管阀和排水阀让水自下而上通过试样直至同一时间间隔内量管流出的水量与固结排水管内的水量相等为止。对于粉土或粉质砂土，均可直接在仪器上用水头饱和。

反压饱和。反压饱和法是人为的提高孔隙水压力，使土样中的残余空气溶解在水中来实现土样的饱和的[24]。通常含水率较高的原状土样或通过上面的方法饱和但没有达到饱和要求的重塑土样，可对试样施加反压力以达到完全饱和。试样装好后装上压力室罩，压力室罩内进满水，先对孔压、反压、内压管路进行排气处理，关闭孔压阀和反压阀。先对试样施加20 kPa的围压(内围压和外围压)预压，反压应分级施加，并同时分级施加周围压力。在施加反压的过程中，要始终保持围压比反压大20 kPa。反压力和周围压力的每级增量在30 kPa左右为宜。在每级压力稳定后，再缓慢打开孔压阀，待其值稳定后，计算出相应的孔压增量Δu及围压增量Δσ，计算对应的B=Δu/Δσ值，在自然情况下，B值是很难达到1的，因此在实际试验中当B值达到0.98以上，即认为试样饱和完成。

3 结语

土试样的制备的过程中，人为主观误差对试验结果的影响是很大的。所以在制样的过程中要选取合适的制样方式，并加强对所用土样的描述。通常土样描述内容包括土的颜色、名称、含水率、状态等，对于原状土必要时要注明取土部位，而且要选取能代表土的实际情况的土样。对于能够模拟多种复杂应力路径的空心圆柱扭剪仪，其空心圆柱试样的制备更是试验的重要阶段，要根据实际的工程情况和相应的试验条件选取合适的制样方法，以期模拟实际的工程情况，以便将试验结果更多的应用到实际工程中。土样的制作和饱和均是室内土工试验的重要环节，针对不同的土样要特别注意细节的处理，原状土的取样过程要尽可能减少扰动，还要尽量保证土样的均匀性，避免有大的固结块的出现，减少制样过程中不必要的麻烦。对于含水量偏高的土样，在削样过程中要及时添加外部护筒，以保证试样的直立性和少干扰。空心圆柱试样比较大，要结合土样的实际情况选择合适的饱和方法，既要合理控制饱和时间，又要使试样完全饱和。

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Preparation and saturation of the hollow cylindrical apparatus sample

Han Jue1Liu Baojian2Ma Qianqian2

(1.SchoolofCivilEngineering,ShangluoUniversity,Shangluo726000,China; 2.HighwaySchool,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

This paper introduced the preparation method of hollow cylindrical torsion shear apparatus samples, from the vacuum saturation, carbon dioxide saturation, water saturation, back pressure saturation and other aspects, elaborated the common saturation method characteristics of hollow cylinder samples, provided basis for practical engineering selection of suitable saturation method.

hollow cylinder, sandy soil, cohesive soil, saturation method

1009-6825(2017)07-0076-03

2016-12-28

韩 珏(1989- )，男，硕士，助教

TU411

A