土樣的不同制備方法對其性質(zhì)的影響分析

鄒洪寶

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京市 101100)

土工試驗是土力學中的基本內(nèi)容，試驗土力學是土力學的一個重要分支。廣義的土工試驗包括室內(nèi)試驗、原位試驗、模型試驗和原型監(jiān)測等。由于土體具有結(jié)構(gòu)性，因此土體的原位取樣和測試極其重要，如何在原位測試以及取樣運輸過程中盡可能地保持原狀土的結(jié)構(gòu)性是巖土界的一個難題，也是國內(nèi)外學者們不懈的追求目標。原狀土的取樣和運輸過程需要人力物力多方面的保證，對于需要大量土樣的試驗，完全使用原狀土是不經(jīng)濟的。而制備重塑土樣能重復(fù)使用土體，因此能夠滿足大量土樣需求，并且簡單經(jīng)濟，所以目前很多研究都是在試驗室的重塑土上進行的。

土體材料與其他材料不同，它由固體、液體和氣體三相物質(zhì)組成，具有明顯的結(jié)構(gòu)性。因此試驗室制備重塑土樣時需要盡量還原原狀土的結(jié)構(gòu)形式，以獲得更為科學的試驗結(jié)果。目前試驗室內(nèi)制備重塑土樣的方法主要為擊樣法(壓樣法)，但是這種方法制備的土樣結(jié)構(gòu)性方面失真較嚴重，近些年有部分學者提出了預(yù)壓固結(jié)的方法制備試樣，并取得了一定的效果。但是這種制樣方法制得的土樣與原狀土以及擊樣法制得試樣具體在哪些方面存在差異，并沒有系統(tǒng)的分析。該文以具有典型軟土結(jié)構(gòu)的廣州南沙軟土為基材，分別采用現(xiàn)場取樣法、擊樣法和預(yù)壓固結(jié)法制備不同的試樣，然后分別對這些試樣進行壓汞試驗，測試其孔隙分布、滲流試驗驗證其孔隙結(jié)構(gòu)性、直剪快剪試驗測試其結(jié)構(gòu)性和抗剪強度。希望通過這些試驗結(jié)果分析得到一些有益的結(jié)論。

1 3種制樣方法介紹

巖土工程中經(jīng)常需要獲取巖土試樣的基本物理力學參數(shù)如：比重、空隙率、c、φ值以及滲透系數(shù)等。而這些參數(shù)往往需要制成特定的試樣通過室內(nèi)試驗進行測試獲取。目前試樣的制備方法主要有原狀土取樣法以及室內(nèi)重塑法兩種方法。其中原狀土試樣制備時首先需要通過鉆機用取土器從現(xiàn)場取得土樣然后運輸?shù)皆囼瀳鏊，F(xiàn)場鉆取土樣以及土樣的保存和運輸都會對原狀土有所擾動。如何盡可能地減少取樣以及運輸過程中對土樣的擾動一直是一個難題，同時，當試驗需要大量土樣時，原狀土制樣無法滿足試驗量需求。相比之下試驗室內(nèi)制備的重塑土樣能制備控制單一變量，能夠提供大量土樣，同時能循環(huán)使用土體，因此目前很多研究都是在室內(nèi)重塑土樣上開展的。

試驗室內(nèi)重塑土制樣方法主要有兩種：① 擊樣法；② 預(yù)壓固結(jié)重塑法。其中擊樣法是將土樣風干或者烘干后碾散過篩。過篩后的土樣按照一定的含水量噴水濕潤，攪拌均勻后密封過夜，使土樣能充分均勻地濕潤。濕潤后的土樣按照設(shè)定的質(zhì)量分層以一定的擊實功壓入環(huán)刀中，最后經(jīng)飽和后供試驗測試。預(yù)壓固結(jié)重塑法為泥漿預(yù)壓固結(jié)法，這種方法較為新穎，是一些學者最近提出的新方法。此方法首先將天然土風干碾散加水調(diào)成泥漿，然后裝入特定容器內(nèi)加載使其排水固結(jié)，當固結(jié)程度達到要求后，卸載取出土樣然后制備成環(huán)刀樣或者三軸樣。該種方法目前沒有統(tǒng)一的規(guī)范，只是部分學者在研究時為了盡可能地還原土體的原狀結(jié)構(gòu)采用的一種方法，因此根據(jù)不同的研究目的，這種土樣制備方法的控制參數(shù)有所不同。

2 試驗方案及試驗方法

2.1 試驗方案及試驗儀器

試驗所取土樣為廣州南沙地區(qū)的軟土，土體中黏土礦物含量較多(表1)，為典型的軟黏土，具有明顯的結(jié)構(gòu)性。

該文分別采用原狀土、擊樣重塑法以及預(yù)壓固結(jié)重塑法制備多組試樣然后通過壓汞試驗、直剪試驗以及滲透試驗來測試3種不同方法制備的土樣在內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、物理力學特性以及水理特性方面的差異，具體的試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案

該地區(qū)土體的比重為2.67，液限為62.81%，塑限為34.73%。

每種制樣方法制取的試樣隨機選3個做壓汞試驗，壓汞試驗儀器為Micromeritics公司生產(chǎn)的AUTOPORE 9510，孔隙測試范圍為3 nm～350 μm。壓汞試驗在亞熱帶國家重點試驗室試驗平臺進行。滲透試驗時每種制樣方法取11組進行滲透試驗，滲透試驗采用變水頭法進行。試驗儀器為獨立設(shè)計制作的滲透儀，儀器共有12組，各組之間相互獨立。直剪快剪試驗共3組12 個試樣，試驗儀器為應(yīng)變控制式直剪儀。

2.2 試驗方法

該研究開展時首先在廣州南沙指定地區(qū)鉆取天然土樣，密封后運輸?shù)皆囼炇?。試樣室及時將原狀土開封按照試驗方案制備試樣。其中壓汞試驗試樣的制備方法較為特殊，該試樣必須提前經(jīng)過干燥處理，根據(jù)其他學者的研究，不同的干燥方法會影響試樣的孔隙分布狀況，其中風干法和烘干法對試樣的影響最大，因此該文采用冷凍干燥法。該方法將原狀土土樣切塊后迅速在液氮中冷凍，使土樣中的土體迅速凝結(jié)成冰，然后將冷凍后的土樣放在冷凍干燥儀中抽真空使`水直接升華直至干燥，其他3種制樣方法制得土樣的干燥方式都采用冷凍干燥法。

擊樣法和預(yù)壓固結(jié)法制樣時采用質(zhì)量控制法：取多個環(huán)刀原狀土樣，烘干后測試單環(huán)刀的土樣干質(zhì)量md，然后以md為控制量來制備重塑土樣。擊樣法較為簡單，按照上一節(jié)介紹的方法制備后進行抽真空飽和，以供后續(xù)試驗使用。而預(yù)壓固結(jié)法較為復(fù)雜，首先將設(shè)定質(zhì)量的碾散土體加水調(diào)成泥漿，浸潤過夜。然后稱總質(zhì)量，再將泥漿平均分配到自制的預(yù)壓固結(jié)容器中，最后加載預(yù)壓，使泥漿在容器中排水固結(jié)。預(yù)壓荷載采用分層預(yù)壓法(按表3加載)，由于初始條件下淤泥的強度很低，所以起始預(yù)壓壓力值較小為10.15 kPa，然后依次加載到第5級，每級加載時間間隔2 d，最后一級加載后等到沉降達到設(shè)計刻度線時卸載。

表3 預(yù)壓固結(jié)法荷載加載情況

為了使預(yù)壓結(jié)束后單個環(huán)刀切取的試樣質(zhì)量為md，該試驗嚴格控制加載時試樣的沉降量，將預(yù)壓容器外表面刻上刻度，通過計算使得預(yù)壓固結(jié)沉降量達到一定值，此時預(yù)壓試樣單個環(huán)刀切除的土樣中包含的土顆粒質(zhì)量剛好為md。

預(yù)壓固結(jié)達到目標值后卸載、開樣，按照原狀土制樣的方法制備環(huán)刀樣，以備后續(xù)試驗使用。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 壓汞試驗結(jié)果

將上節(jié)制備完成的試樣進行壓汞試驗，壓汞試驗?zāi)軌蜉^為準確地獲取土樣的內(nèi)部孔隙分布情況。該試驗?zāi)軌蛲ㄟ^壓力與進汞量之間的關(guān)系求取試樣中孔隙直徑、孔隙占比及比表面積等。將壓汞試驗數(shù)據(jù)整理后得到3種不同制樣方法制備的試樣內(nèi)部孔隙大小分布情況如圖1所示。

圖1 3種土樣的孔隙分布情況

由圖1可見：3種不同的制樣方法得到的試樣的孔隙大小分布有所差別。其中天然原狀土的孔隙主要集中在20～3 000 nm之間，大于10 000 nm的孔隙體積占比約為15%。而對于預(yù)壓固結(jié)法制得的土樣，其孔隙的直徑主要集中在50～2 500 nm之間，約占總量的80%，而且主要集中在500～1 000 nm之間。擊樣法制得的土樣其孔隙主要集中在100～2 000 nm之間約占50%，大于10 000 nm的孔隙體積約占20%。從整體上看，原狀土孔隙主要集中在中孔和小孔范圍，預(yù)壓固結(jié)法主要集中在中孔范圍，擊樣法主要集中在中孔范圍內(nèi)的稍大中孔，同時在大孔范圍內(nèi)分布的數(shù)量也較其他兩種要多。

天然原狀土大多是在平緩的水環(huán)境中沉積形成的，而沉積時間較長，土顆粒在各種微觀力的相互作用下能夠形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因此孔隙在大、中小范圍內(nèi)都有所分布，且在小孔和中孔分布的范圍較多。對于預(yù)壓固結(jié)法，由于在預(yù)壓荷載的作用下土體中較難形成較大的孔隙結(jié)構(gòu)，同時由于沉積時間較短，也較難形成細小的孔，因此該類土樣的孔徑主要集中在中孔。而對于擊樣法，擊樣時土體的含水量在塑限附近，擊實功作用下的土樣結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的。試樣制備完成后，環(huán)刀樣中除了土顆粒和水外還有很多孔隙，在抽氣飽和時，土顆粒繼續(xù)移動，因此會形成較多的大孔隙。

3.2 滲透試驗

滲透試驗采用的是變水頭法，滲透試樣高4 cm、直徑6.18 cm，水頭控制在30～45 cm之間。由于滲透土樣為黏土，該類土的飽和度很難保證，所以在該試驗中又增加了滲透飽和法：先將玻璃管的水上升到一定的水頭，然后等到滲透儀的出水口有相當量的水流出后，才開始正式讀數(shù)記錄，以確保整個試驗中土樣是飽和的。3種不同制樣方法制取試樣的滲透試驗結(jié)果整理如圖2所示。

圖2 3種制樣方法制備土樣的滲透系數(shù)

由圖2可見：3種制樣方法滲透系數(shù)有數(shù)量級上的差別，其中原狀土的滲透系數(shù)較小，預(yù)壓固結(jié)法制得的土樣滲透系數(shù)次之，而擊樣法制得的土樣滲透系數(shù)最大，并且與原狀土樣的滲透系數(shù)呈2個數(shù)量級的差別。土體的滲流本質(zhì)上是水體在土體內(nèi)部的孔隙中流過，因此土體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)對土體的滲透特性影響最為明顯。孔隙結(jié)構(gòu)包括孔隙的連通性、曲折性以及大小分布等。由以上壓汞試驗得到的3種試樣孔隙的大小分布情況可知，原狀土的孔隙主要集中在中孔和小孔，而預(yù)壓固結(jié)法的孔隙主要集中在中孔，擊樣法會產(chǎn)生很多的大孔。不同孔徑的孔隙其有效過流量不同，其中大孔的過流流量最大。同時由于黏土顆粒表面的雙電層效應(yīng)以及吸附結(jié)合水的效應(yīng)，會對孔隙內(nèi)流體流動產(chǎn)生負作用，相對于大孔，這種效應(yīng)對小孔的滲流會產(chǎn)生更大的負影響。因此3種土樣的滲透效應(yīng)會產(chǎn)生較大區(qū)別。

3.3 直剪試驗

由于原狀土的強度較低，為了防止試驗時豎向壓力過大出現(xiàn)試樣被壓毀壞，因此在直剪試驗時試樣的豎向壓力只取50、100和150 kPa。為保證試驗剪切荷載施加時3種試樣保持原有的結(jié)構(gòu)特征，因此該試驗采用直剪快剪試驗。試驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見：在不同的豎向壓力下，3種土樣的直剪抗剪強度都是以原狀土的最大，預(yù)壓固結(jié)法的次之，擊樣法的最小。3種土樣的抗剪強度指標如圖4所示。相關(guān)的文獻表明：土體的結(jié)構(gòu)性對土體的強度有一定的影響，尤其是結(jié)構(gòu)性黃土、軟土等最為明顯。以廣州南沙地區(qū)的軟土為例，受海陸相水環(huán)境的共同作用，黏土顆粒沉積的環(huán)境較為復(fù)雜，電場力、范德華力以及重力之間的共同作用使得黏土顆粒沉積時相互排斥、吸引而形成蜂窩團聚等典型的軟黏土結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)骨架具有一定的強度。對于擊樣法，實際上是先由擊樣錘和擊樣功決定了土體的結(jié)構(gòu)，然后在抽氣飽和時這種結(jié)構(gòu)還會有一定的變化，故這種結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的。而對于預(yù)壓固結(jié)法，荷載是分級加載且加載時間較長，因此在荷載作用下土樣固結(jié)排水時泥漿中的土顆粒能夠移動形成特殊的結(jié)構(gòu)。相比自然的原狀土沉積過程，預(yù)壓固結(jié)法的沉積過程較迅速，因此可以認為預(yù)壓固結(jié)法是自然沉積法的加速版，所以預(yù)壓固結(jié)法制得的土樣與原狀土土樣的結(jié)構(gòu)性較為相近，其土樣強度與原狀土的強度更為相近。

4 結(jié)論

該文通在廣州南沙現(xiàn)場制取了原狀土樣，同時又在試驗室通過擊樣法和自制的預(yù)壓容器等方法制備了重塑土樣，然后對這3種試樣分別進行了壓汞試驗、滲透試驗以及直剪試驗，通過試驗，得到以下主要結(jié)論：

(1) 壓汞試驗結(jié)果說明擊樣法制備的土樣中大孔和中孔占的比例較多，而天然原狀土中小孔和中孔占比較多，預(yù)壓固結(jié)法制備的土樣中中孔占的比例較多。

(2) 滲透試驗表明：3種土樣的滲透系數(shù)有著明顯的差別，其中原狀土的滲透系數(shù)最小，預(yù)壓固結(jié)法制備的試樣滲透系數(shù)次之，而擊樣法制備的土樣滲透系數(shù)最大，與原狀土滲透系數(shù)之間約有兩個數(shù)量級的差別。這是由于不同大小的孔隙對滲透的貢獻值不同，大孔對土體滲流量的貢獻值更大，中孔次之而小孔最小。

(3) 直剪試驗表明：原狀土的抗剪強度最大，預(yù)壓固結(jié)制樣法次之，而擊樣法最小。由于原狀土是經(jīng)過長時間的沉積形成，因此具有穩(wěn)定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而預(yù)壓固結(jié)法雖縮小短這種自然沉積的過程，但也能形成較為穩(wěn)定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對于擊樣法產(chǎn)生的土樣由于沒有土顆粒沉積的過程，因此形成的結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定，所以在抵抗外力作用時，3種結(jié)構(gòu)具有不同的力學表現(xiàn)。