凍結(jié)方式對(duì)粉質(zhì)粘土含水量和干密度分布的影響

凍結(jié)方式對(duì)粉質(zhì)粘土含水量和干密度分布的影響

0凍土試樣的制備冷土壤是由礦物、顆粒和氣體組成的不均勻、多相和多孔材料，由冰和其他礦物組成，這與普通土壤不同。冷塊的物理和機(jī)械性質(zhì)取決于溫度和濕度。凍土的物理、力學(xué)性質(zhì)是凍土區(qū)各項(xiàng)工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù),而選用合適的樣品進(jìn)行測(cè)試是獲得這些參數(shù)的關(guān)鍵,無(wú)疑的,選用原狀土是最合適的.但是,由于受到如鉆探、運(yùn)輸?shù)雀鞣N因素的影響,毫無(wú)擾動(dòng)的原狀樣品是不容易獲得的,大量的試驗(yàn)更是無(wú)法利用原狀樣品來(lái)進(jìn)行.室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)必須選用合適的樣品進(jìn)行測(cè)試,但凍土作為一種特殊材料強(qiáng)烈受外界因素如土溫、含水量、干容重乃至人為活動(dòng)等影響,外界條件的微小波動(dòng),可使實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差很大.因此,室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中,前期的樣品制備和加工關(guān)系到后期各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行與精確度,關(guān)系到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果的可靠性,其中,樣品的均勻性是最重要的也是最基本的條件之一.從細(xì)觀上講,樣品均勻與否,直接關(guān)系到樣品內(nèi)部顆粒及水分等是否均勻分布,樣品含有的初始損傷的大小,從而是否能減少對(duì)后續(xù)試驗(yàn)如CT掃描、電鏡分析等微細(xì)觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究的干擾.前人研究了多種室內(nèi)制樣方法,最后形成的最常用的制樣方法有分層擊實(shí)法和固結(jié)法兩種,后來(lái)的研究表明,這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn).基于這種情況,我們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)制樣機(jī)的基礎(chǔ)上,嘗試了一種兩頭壓實(shí)制樣方法.結(jié)果表明,與分層擊實(shí)法和24h固結(jié)法相比,這種方法得到的試樣含水量及干密度分布都比較均勻.由于凍土的特殊性,制作凍土試樣的時(shí)候,還必須面對(duì)將常規(guī)土樣如何凍結(jié)的問(wèn)題.有學(xué)者進(jìn)行了分層壓實(shí)凍結(jié)土樣與不分層壓實(shí)凍結(jié)土樣均勻性的對(duì)比,但卻沒(méi)有比較不同凍結(jié)方法對(duì)試樣均勻性的影響,常用凍結(jié)為單向凍結(jié)和多向凍結(jié).通過(guò)前文對(duì)制樣方法的比較,本文對(duì)兩種不同土質(zhì)即蘭州黃土和青藏高原北麓河粘土運(yùn)用短時(shí)壓時(shí)法,制取常規(guī)試樣,并認(rèn)為此時(shí)試樣內(nèi)部初始損傷最小,基本均勻.而后,將飽和與非飽和試樣進(jìn)行單向或者多向凍結(jié),分析對(duì)比樣品的含水量及干密度分布狀況,確定了不同土質(zhì)的凍結(jié)方法,以期能對(duì)獲得最小內(nèi)部結(jié)構(gòu)初始損傷、較為均勻的凍結(jié)土樣給予參考.1試驗(yàn)計(jì)劃和儀器1.1青海湖東北部本次試驗(yàn)選用了兩種土質(zhì),分別取自蘭州市東崗鎮(zhèn)(稱為蘭州黃土),以及青藏高原北麓河地區(qū)(稱為北麓河粘土),物性指標(biāo)見(jiàn)表1.根據(jù)國(guó)標(biāo)GB50021-2001《巖土工程勘察規(guī)范》對(duì)土的分類,兩種土都定名為粉質(zhì)粘土,但是液、塑限以及粘粒含量都有差別,北麓河粘土的粘粒含量高于蘭州黃土.1.2土體試樣的制備兩頭壓實(shí)法使用的是中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行研制的標(biāo)準(zhǔn)制樣機(jī),如圖1.標(biāo)準(zhǔn)制樣機(jī)是根據(jù)土體受到壓力以后固結(jié)的特點(diǎn)研制的,由主機(jī)、控制箱、土樣盒、卸樣盒及排水系統(tǒng)組成.標(biāo)準(zhǔn)制樣機(jī)可控加載速率13級(jí),從0.005～50mm·min-1不等;裝配高精度負(fù)荷傳感器和位移傳感器,液晶顯示窗可實(shí)時(shí)監(jiān)控加載力度和位移進(jìn)度,精度為0.001kN和0.001mm.配有多種規(guī)格的壓縮桿及壓頭,我們使用的是30kN的壓縮桿以及直徑61.8mm的圓形壓頭.1.3壓頭下降后試樣的壓實(shí)法制樣及凍結(jié)方法將野外取回的土樣風(fēng)干、碾碎,過(guò)2mm孔徑的分析篩,再進(jìn)行洗鹽,洗7～8d,最后晾干備用.兩頭壓實(shí)法制取非飽水試樣,是將土加蒸餾水配成所需要的含水量,置于保濕缸中12h以上,根據(jù)干密度計(jì)算所需濕土質(zhì)量.將稱量出來(lái)的所需濕土全部倒入制樣筒,調(diào)節(jié)不同的速度使壓頭下降.本次試驗(yàn)采用兩頭壓實(shí)的方法,當(dāng)壓頭與土樣接觸時(shí),測(cè)量此時(shí)的試樣高度,并計(jì)算與最終需要的試樣高度的差值l1.當(dāng)壓頭下降到一定高度時(shí),將試樣反過(guò)來(lái),控制加載時(shí)間及載荷大小,直至所需的試樣高度.對(duì)于蘭州黃土,總共的加壓時(shí)間為8h;對(duì)于北麓河粘土,由于試樣的均勻性相對(duì)容易控制一些,總共的加壓時(shí)間為4h.壓實(shí)法制樣過(guò)程中使用的制樣筒和底板上都沒(méi)有孔,見(jiàn)圖2,所以是不排水過(guò)程.如此操作程序,得到標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣.飽水試樣是將土加蒸餾水配成一定含水量的濕土(一般含水量較小),用與上述非飽水試樣相同的制樣方法制取試樣,最后按照國(guó)標(biāo)GB/T50123-1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》將試樣放入專門的裝置中抽氣飽水,如圖3,抽真空時(shí)間為1h,飽水時(shí)間為12h.常規(guī)土樣制備完畢之后,裝入標(biāo)準(zhǔn)模具中,分別用單向凍結(jié)法和多向凍結(jié)法進(jìn)行凍結(jié).單向凍結(jié)法是將裝有圓柱形土樣的標(biāo)準(zhǔn)模具四周及底部以隔熱性能良好的海綿包裹起來(lái),只在頂部墊以金屬片以進(jìn)行熱交換,然后將之放入低溫冷凍室;多向凍結(jié)法是將裝有圓柱形土樣的標(biāo)準(zhǔn)模具中上下的塑料墊片換成金屬墊片,以保證試樣四周均被金屬包圍,熱交換均勻,將之放入低溫冷凍室.試樣在冷凍24h后,進(jìn)行脫模,并按試樣脫模時(shí)的上下位置放好,用環(huán)刀法測(cè)定密度、烘干法測(cè)定含水量.每一個(gè)試樣從上至下不同部位切取4～5個(gè)環(huán)刀樣,測(cè)完密度后,從中心部位和周邊分別取樣測(cè)試含水量.這樣就可以得到各個(gè)試樣不同部位的密度和含水量分布.2凍結(jié)方式對(duì)干密度的影響對(duì)飽和與非飽和蘭州黃土試樣分別進(jìn)行了單向凍結(jié)或多向凍結(jié)2～4組實(shí)驗(yàn).每組試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果即其邊緣含水量,中心含水量及干密度分布見(jiàn)圖4～7,其干密度、含水量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表2.上述圖中,橫坐標(biāo)N表示土樣從上到下的不同部位.圖示結(jié)果表明,對(duì)于非飽和蘭州黃土試樣來(lái)說(shuō),無(wú)論采用單向凍結(jié)法或多向凍結(jié)法,其邊緣含水量從試樣頂部到底部均有一個(gè)先增大后減小的過(guò)程,且最大值都出現(xiàn)在中下部位.而中心含水量的分布兩者區(qū)別較大:采取單向凍結(jié)的試樣,其中心含水量最大值出現(xiàn)在第1層,即試樣的頂部,且其值遠(yuǎn)高于其余3個(gè)部位的值,這說(shuō)明單向凍結(jié)方式下,試樣中心含水量受凍結(jié)影響較大,水分向冷端遷移明顯.進(jìn)行多向凍結(jié)的試樣,其中心含水量先增大后減小,趨勢(shì)與其邊緣含水量一致.兩種方法所得試樣的干密度分布趨勢(shì)相同,幾乎都在中下部出現(xiàn)一個(gè)最小值,但單向凍結(jié)所得試樣干密度的變化范圍較多向凍結(jié)試樣為大.對(duì)于飽和蘭州黃土試樣而言,不同的凍結(jié)方式對(duì)含水量和干密度的分布規(guī)律影響較大.單向凍結(jié)情況下,邊緣含水量的變化較無(wú)規(guī)律,而中心含水量自上而下先減少后增大,且干密度的分布也是變化較復(fù)雜;多向凍結(jié)情況下,邊緣含水量的分布均較遵循先增大后減小的規(guī)律,中心含水量的分布與單向凍結(jié)時(shí)基本相反,呈現(xiàn)兩端小,中間大的形式,而干密度分布規(guī)律為兩端大中間小.從表2可以看出,非飽和蘭州黃土單向凍結(jié)所得試樣的干密度標(biāo)準(zhǔn)差最大值稍小于多向凍結(jié)試樣,而含水量標(biāo)準(zhǔn)差均基本大于多向凍結(jié)試樣,且差值較大,綜合而言,對(duì)于相對(duì)更加難以控制的含水量的分布來(lái)說(shuō),多向凍結(jié)情況下所制得非飽和蘭州黃土試樣好于單向凍結(jié)所得.與上不同,飽和蘭州黃土凍結(jié)試樣無(wú)論是在單向凍結(jié)還是多向凍結(jié)情況下,其干密度和含水量的標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)較為一致,差值較小,反應(yīng)出在飽和蘭州黃土凍結(jié)試樣的制備上,采取兩種凍結(jié)方法所得的試樣在均勻性上較為一致.圖8～11給出了北麓河粘土非飽和與飽和試樣分別進(jìn)行的單向凍結(jié)或多向凍結(jié)2～3組實(shí)驗(yàn).由圖可見(jiàn),對(duì)于北麓河粘土而言,無(wú)論是飽和還是非飽和狀態(tài),采取單向凍結(jié)方式所得的凍結(jié)試樣的含水量及干密度的變化均較有規(guī)律:非飽和狀態(tài)下,邊緣含水量呈現(xiàn)先增大后減少的規(guī)律,中心含水量的最小值均出現(xiàn)于下部,干密度的變化為先減小后增大,最大值出現(xiàn)于兩端;飽和情況下,邊緣含水量?jī)山M實(shí)驗(yàn)變化趨勢(shì)相當(dāng)一致,其值呈現(xiàn)出大小間隔的振蕩趨勢(shì),最小值出現(xiàn)于下部,中心含水量值從上而下基本為下降趨勢(shì),而干密度的變化正好相反,為一直上升的形式.相對(duì)應(yīng)的,運(yùn)用多向凍結(jié)方法所得試樣,在試樣參數(shù)的分布上規(guī)律性較差,特別是邊緣含水量的分布,幾組實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)不同的變化規(guī)律.表3給出了北麓河粘土干密度、含水量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差.由表可見(jiàn),非飽和狀態(tài)下,單向凍結(jié)和多向凍結(jié)方法得到的試樣,含水量和干密度的標(biāo)準(zhǔn)差均互有大小,其中最大標(biāo)準(zhǔn)差均出現(xiàn)于多向凍結(jié)試樣中,結(jié)合圖8和圖9,多向凍結(jié)法所得試樣邊緣含水量與中心含水量之間的差值也較高,表明試樣中各部位含水量差異較大.飽和狀態(tài)下的北麓河粘土試樣在單向凍結(jié)下所得凍結(jié)試樣,無(wú)論是干密度還是含水量的標(biāo)準(zhǔn)差,總體都比多向凍結(jié)情形下的要小,反應(yīng)了單向凍結(jié)所得飽和北麓河粘土試樣較為均勻.3凍結(jié)方式對(duì)凍結(jié)試樣的影響對(duì)兩種土質(zhì)即蘭州黃土和北麓河粘土分別進(jìn)行了飽和與非飽和狀態(tài)下的單向與多向凍結(jié)實(shí)驗(yàn),通過(guò)環(huán)切試樣,對(duì)比分析了試樣各部位含水量與干密度的分布狀況.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:不同土質(zhì),不同狀態(tài)下,需要用不同的