兩種重塑土樣的結(jié)構(gòu)性差異試驗(yàn)分析

， ，，

(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，蘭州 730000)

1 研究背景

結(jié)構(gòu)性是土體的固有屬性，對土體的物理力學(xué)和工程性質(zhì)有強(qiáng)烈影響。天然黏土普遍具有結(jié)構(gòu)性[1]，相對于天然黏性土，實(shí)驗(yàn)室制備的重塑土樣的結(jié)構(gòu)性相對較弱，因而重塑土樣的結(jié)構(gòu)性通常被忽略。但是，正如天然土的結(jié)構(gòu)性由于形成原因、賦存環(huán)境等因素的影響而存在顯著的強(qiáng)弱差異，重塑土樣因制樣過程中的不同控制條件，同樣存在著明顯的結(jié)構(gòu)性差異[2]。諸多學(xué)者[3-7]探討了天然黏土與重塑土在滲透特性、壓縮特性、應(yīng)力狀態(tài)和屈服準(zhǔn)則以及凍融特性等多個(gè)方面的差異，并將這些工程力學(xué)性質(zhì)的差異歸因于2種土體的結(jié)構(gòu)性差異。結(jié)構(gòu)性是土體的固有屬性，無論天然土還是重塑土，均具有結(jié)構(gòu)性特征[8-9]。以往的研究中，人們更加強(qiáng)調(diào)天然原狀土體的結(jié)構(gòu)性，而忽略了重塑土樣的結(jié)構(gòu)性。實(shí)際上，在對黏性土的結(jié)構(gòu)性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究時(shí)，常常需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備具有一定結(jié)構(gòu)性的重塑土樣。除了人為添加水泥、冰塊等方法對重塑土樣的結(jié)構(gòu)性有較大影響外[10-11]，制樣過程同樣對重塑土樣的結(jié)構(gòu)性有著不可忽略的影響。為了探討制樣方法和制樣過程對重塑土樣結(jié)構(gòu)性的影響，本次研究使用同一種土壤材料制備了2種形狀和干密度均相同的重塑土樣，并通過單軸壓縮試驗(yàn)和加卸載試驗(yàn)討論了2種土樣的均勻性和結(jié)構(gòu)性，對這2種重塑土樣的結(jié)構(gòu)性差異進(jìn)行了探討。

2 制樣方法

2.1 試驗(yàn)材料及其理論飽和含水率

制樣所用的土壤材料為粉質(zhì)黏土，土壤的各粒組成分和基本物性指標(biāo)見表1。根據(jù)土的三相比例指標(biāo)換算關(guān)系為：

(1)

(2)

式中：e是孔隙比；Gs是土顆粒相對密度；ρw是水的密度(取1 g/cm3)；ρd是土樣干密度；Sr是飽和度；w是含水率。

表1 試驗(yàn)用土的物性參數(shù)Table 1 Physical properties of soil material

控制土樣的干密度ρd=1.78 g/cm3，令飽和度Sr=1，將ρw=1 g/cm3，Gs=2.70代入式(1)和式(2)中，計(jì)算可得干密度為1.78 g/cm3時(shí)土樣的理論飽和含水率wsat=19.14%。將理論飽和含水率19.14%作為土樣的目標(biāo)含水率。

制樣前，先將散土攤放于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，再將大塊碾碎并過2 mm篩，使用烘干法測得其風(fēng)干含水率為1.5%。取一定質(zhì)量的風(fēng)干散土，根據(jù)1.5%的風(fēng)干含水率和19.14%的目標(biāo)含水率計(jì)算需要添加的蒸餾水質(zhì)量，稱取一定質(zhì)量的蒸餾水加入散土中，拌和均勻后裝入保鮮袋，放置在密閉容器中靜置24 h使土中的水分均勻分布，以備制樣。

2.2 土樣的壓制

采用分層擊實(shí)法制備土樣時(shí)，由于不可避免人為因素的影響，無法保證每一土層的擊實(shí)度完全相同，而且層與層之間會形成結(jié)構(gòu)面，無法保證土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性，進(jìn)而導(dǎo)致同一批土樣之間的初始差異。因此，本次試驗(yàn)采用壓樣法，在壓樣機(jī)上將土樣一次性壓制成形，以盡量減小同一批土樣之間的初始差異。壓樣機(jī)可以通過內(nèi)置電腦自動控制加壓速率和壓頭位移。壓樣前，首先在壓樣機(jī)上安裝相應(yīng)直徑的壓頭，選取相應(yīng)內(nèi)徑的剛性試樣筒，再根據(jù)土樣的干密度、含水率和土樣體積計(jì)算單個(gè)土樣所需的濕土質(zhì)量，稱取相應(yīng)質(zhì)量的濕土倒入剛性試樣筒中，調(diào)整試樣筒的位置使其對準(zhǔn)壓頭。壓樣時(shí)，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓頭的下降高度和下降速率，使試樣筒中的土料逐漸被壓密，當(dāng)壓至土樣的目標(biāo)高度時(shí)，壓頭停止下降。為了防止壓力卸載后土樣高度回彈，因此反方向重復(fù)以上步驟再壓一遍。正反2次壓樣時(shí)，壓頭的位移、下降速率和最大壓力均應(yīng)保持相同；同一批中的每一個(gè)土樣的最大壓力也應(yīng)保持相同；且同一批土樣應(yīng)盡量一次壓制完成。

本次試驗(yàn)中，2種土樣均為直徑39.1 mm、高度80 mm的圓柱形土樣。根據(jù)干密度1.78 g/cm3、含水率19.14%及圓柱土樣的體積計(jì)算單個(gè)土樣所需的濕土質(zhì)量，采用上述壓制方法和步驟將土料壓實(shí)成形，同一批試驗(yàn)的12個(gè)土樣均為一次壓制完成，每一個(gè)樣品正反2次壓樣時(shí)的最大壓力均為8 kN。

2.3 土樣的飽和

試驗(yàn)所用的土樣在制樣時(shí)均按照理論飽和含水率進(jìn)行壓制，壓樣過程中均無肉眼可見的水分析出，可以視為飽和的重塑土樣。將壓制完成的12個(gè)土樣隨機(jī)分為2組，每組6個(gè)土樣，對第1組土樣不作任何處理，對第2組土樣則進(jìn)行真空抽氣飽和處理，具體處理方法為：在土樣兩端分別放置濾紙和透水石后一并裝入飽和器，將裝好試樣的飽和器放入真空缸內(nèi)再用石蠟密封以防漏氣，將抽氣機(jī)與真空缸連接以抽除缸內(nèi)和土樣中的空氣，當(dāng)真空度約為1個(gè)大氣負(fù)壓力值后繼續(xù)抽氣1 h，然后向真空缸內(nèi)緩緩注入純化水，將飽和器完全淹沒后停止抽氣，再放入空氣，待土樣在水中靜置浸泡10 h后取出。第2組土樣真空抽氣飽和處理完成后，稱取每一個(gè)土樣的質(zhì)量，并與抽氣飽和處理之前的質(zhì)量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)第2組的6個(gè)土樣處理前和處理后的質(zhì)量無明顯變化(如表2)，由于土顆粒質(zhì)量一定，土樣質(zhì)量無明顯變化說明土樣的含水量沒有明顯變化，即真空飽和過程并未導(dǎo)致第2組土樣的含水率進(jìn)一步增加。

表2 第2組6個(gè)土樣真空飽和前后的質(zhì)量Table 2 Weights of soil samples(group 2) before andafter vacuum suction saturation

3 單軸壓縮與加卸載試驗(yàn)結(jié)果

第1組和第2組兩種土樣，制樣所用的土壤材料相同、尺寸和形狀相同，制樣時(shí)的控制干密度相同、壓樣過程相同、含水率也相同。其不同之處在于，第2組土樣經(jīng)歷了真空抽氣過程，而第1組沒有。下面分別對2組土樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和加卸載試驗(yàn)。

單軸壓縮和加卸載試驗(yàn)均采用應(yīng)變控制式的加載方式，加載和卸載速率均為每分鐘1%應(yīng)變，即±0.8 mm/min。其中，加卸載試驗(yàn)的具體做法為：在壓縮過程中，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到2%時(shí)卸載，軸向應(yīng)力卸為0后再重新加載，當(dāng)軸向應(yīng)變?yōu)?%時(shí)再卸載，以此類推進(jìn)行循環(huán)加卸載。壓縮過程中，若有峰值出現(xiàn)，則峰值后繼續(xù)增加3%～5%軸向應(yīng)變，若軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)仍然沒有峰值出現(xiàn)，則停止試驗(yàn)。

3.1 第1組土樣的試驗(yàn)結(jié)果

從第1組土樣中隨機(jī)取3個(gè)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，另外3個(gè)進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)。圖1(a)是第1組土樣的單軸壓縮曲線，圖1(b)是第1組土樣的加卸載曲線。可以發(fā)現(xiàn)，單軸壓縮和加卸載平行試驗(yàn)的曲線形狀均相同，3條單軸壓縮曲線非常接近，3條循環(huán)加卸載曲線除有1條略高外，其余2條曲線基本重合。分別取單軸壓縮和加卸載試驗(yàn)的平均曲線，方法為：當(dāng)平行試驗(yàn)的3條曲線較為接近時(shí)，則取3條曲線的平均值；當(dāng)3條曲線不完全接近時(shí)，則取較為接近的2條曲線的平均值。圖1(c)是第1組土樣的平均曲線，可以發(fā)現(xiàn)，單軸壓縮平均曲線與加卸載平均曲線的包絡(luò)線基本重合。說明平行試驗(yàn)的可重復(fù)性較高，同一批土樣初始結(jié)構(gòu)的均勻性較好。

圖1 第1組土樣的試驗(yàn)曲線Fig.1 Curves of uniaxial compression and loading-unloading tests of soil group 1

3.2 第2組土樣的試驗(yàn)結(jié)果

同樣，從第2組土樣中隨機(jī)取3個(gè)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，另外3個(gè)進(jìn)行加卸載試驗(yàn)。圖2(a)是第2組土樣的單軸壓縮曲線，圖2(b)是第2組土樣的加卸載曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，第2組土樣的單軸壓縮和加卸載試驗(yàn)的重復(fù)性相對較差，平行試驗(yàn)之間的離散性相對較大，說明真空飽和過程對土樣結(jié)構(gòu)具有一定的擾動影響，這種擾動影響的隨機(jī)性導(dǎo)致了壓縮曲線的離散性。分別取單軸壓縮和加卸載試驗(yàn)的平均曲線，如圖2(c)所示，可以發(fā)現(xiàn)2條平均曲線幾乎重合，單軸壓縮平均曲線是加卸載平均曲線的包絡(luò)線，說明真空飽和對土樣結(jié)構(gòu)的擾動影響僅限于某一范圍，導(dǎo)致壓縮曲線只在某一范圍內(nèi)波動，這種情況取多次試驗(yàn)的平均值即可。

圖2 第2組土樣的試驗(yàn)曲線Fig.2 Curves of uniaxial compression and loading-unloading tests of soil group 2

3.3 2組土樣的結(jié)構(gòu)性比較

對比第1組和第2組土樣的平均單軸壓縮曲線，如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，2組土樣的強(qiáng)度和變形特征均不相同。

圖3 第1組和第2組土樣的平均單軸壓縮曲線Fig.3 Comparison of average uniaxial compression curves of soil group 1 and group 2

3.3.1 壓縮曲線

由圖3可知，第1組土樣的單軸壓縮曲線具有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)軸向壓力低于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，土樣強(qiáng)度隨著軸向應(yīng)變增加而不斷增大，壓縮曲線的前半段呈現(xiàn)出硬化特征；而當(dāng)軸向壓力高于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，土樣強(qiáng)度迅速降低，壓縮曲線的后半段出現(xiàn)陡降式的軟化現(xiàn)象。而第2組土樣的壓縮曲線上沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，強(qiáng)度隨著軸向應(yīng)變增加而增加，增加至一定值后，強(qiáng)度不再繼續(xù)增加，壓縮曲線呈雙曲線形式的應(yīng)變硬化特征?？梢园l(fā)現(xiàn)，第1組土樣的壓縮曲線具有結(jié)構(gòu)性土的典型特征，而第2組土樣的結(jié)構(gòu)性特征不明顯。說明第1組重塑土樣的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)于第2組重塑土樣。

3.3.2 壓縮強(qiáng)度

由圖3還可發(fā)現(xiàn)，第2組土樣的強(qiáng)度約為第1組的一半左右。盡管這2組土樣的土壤材料、尺寸形狀、干密度和含水率都相同，但由于第2組土樣經(jīng)歷了真空抽氣飽和處理，土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用被破壞，使土樣強(qiáng)度顯著降低。強(qiáng)度降低說明土樣在外力作用下維持其原本結(jié)構(gòu)的能力變差，土樣的結(jié)構(gòu)性變?nèi)酢?/p>

3.3.3 變形特征

如圖3中虛線所示，第1組土樣的壓縮曲線在強(qiáng)度轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的應(yīng)變值，與第2組土樣在強(qiáng)度開始穩(wěn)定時(shí)的應(yīng)變值基本相同，即第1組土樣的強(qiáng)度達(dá)到峰值和第2組土樣的強(qiáng)度開始穩(wěn)定時(shí)的應(yīng)變值基本相同；當(dāng)應(yīng)變量小于該值時(shí)，2組土樣均發(fā)生塑性硬化，但是當(dāng)土樣的變形量大于該值后，第1組土樣呈現(xiàn)出脆性的結(jié)構(gòu)性破壞，第2組土樣則呈現(xiàn)出塑性流動破壞。

4 結(jié) 論

綜合上述，可以發(fā)現(xiàn)：盡管2組土樣的形狀尺寸、制樣材料、初始干密度、含水率及壓樣過程均相同，但由于第2組土樣經(jīng)歷了真空抽氣飽和過程，土樣結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使2組土樣的結(jié)構(gòu)性產(chǎn)生了較大的差異，表現(xiàn)為單軸壓縮曲線、強(qiáng)度和變形特性的不同。本文通過對2組土樣進(jìn)行單軸壓縮和加卸載試驗(yàn)，比較了2種重塑土樣的結(jié)構(gòu)性差異，得到結(jié)論如下：

(1)嚴(yán)格控制壓樣過程即可得到初始結(jié)構(gòu)狀態(tài)較為均勻的重塑土樣，使平行試驗(yàn)的重復(fù)性較高；真空抽氣飽和處理過程會對土樣結(jié)構(gòu)造成較為隨機(jī)的擾動影響，導(dǎo)致平行土樣的均勻性變差，平行試驗(yàn)的重復(fù)性變低；同時(shí)這種擾動影響具有一定的限度，平行試驗(yàn)的試驗(yàn)曲線僅在某一范圍內(nèi)波動，多次試驗(yàn)取平均值即可。

(2)在2種土樣的土壤材料、尺寸形狀、干密度、含水率和壓樣過程都相同的情況下，按理論飽和含水率進(jìn)行配土與壓樣后，再對該土樣進(jìn)行真空抽氣飽和并不能進(jìn)一步提高含水率和飽和度，反而會破壞土樣結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)性顯著降低。

(3)真空抽氣飽和處理過程會降低和破壞重塑黏性土樣的結(jié)構(gòu)性，使其壓縮曲線上的峰值消失、壓縮強(qiáng)度降低，并使土樣的破壞形式由脆性的結(jié)構(gòu)破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄粤鲃悠茐摹?/p>