重塑黏土空心圆柱试样制备技术改进及应用

沈 扬等：重塑黏土空心圆柱试样制备技术改进及应用
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(a) 安装竖向排水体
(b) 绑扎滤纸
(c) 铺设滤纸及垫圈
图 3 制样装置实物图 Fig.3 Physical map of sample preparation apparatus
3
试样制备过程
(d) 安装固结桶 (e) 定位竖向排水体 (f) 配置泥浆
本装置的单个固结筒尺寸较小，可消除了大体 积试样制备过程中的泥浆分层现象，但若泥浆含水 率过低则不利于倾倒，且试样内部易产生孔洞。现 有制备技术的泥浆含水率多为 1.5～2.0 倍液限，试 验发现，本试验用土所配泥浆含水率为 1.7 倍液限 较为适宜。 为确保所制试样间的差异较小，每个固结筒中 泥浆质量保持相等。经过计算与调试，配制单个固 结筒中所盛泥浆需 5 kg 干土， 根据测定的风干土样 含水率，将土样配制成设计含水率的泥浆备用。根 据试样目标含水率计算最终排水量，实时监测水汽 分离装置中的排水量，控制最终重塑试样的含水率， 达到目标含水率时停止真空负压。 下面结合图 4 具体介绍重塑空心圆柱试样的制 备流程： ① 排水底座置于三脚支架上， 在 3 瓣排水 体外部涂一层凡士林后， 将其插入排水底座插槽中， 见图 4(a)。 ② 在固定好的 3 瓣排水体外围及顶部包 裹一层润湿的滤纸，再将顶盖置于 3 瓣排水体上端 并覆盖滤纸，在排水体上、中、下端用橡皮筋将滤 纸绷紧扎牢，防止泥浆从孔隙处进入排水体内部， 见图 4(b)。 ③ 在排水底座上铺设一层滤纸， 用水浸 湿，便于后期取样，并在底座相应凹槽处放置密封 垫圈， 见图 4(c)。 ④ 乳胶膜上下端分别外翻 1～2 cm 套在装样固结筒上，并通过螺栓将装样固结筒与排 水底座通过法兰盘固定， 见图 4(d)。 ⑤ 借助定位器 来检查中间竖向排水体是否竖直，若偏离中心，则 手动适当调整，见图 4(e)。⑥ 在安装试验装置的同 时，取过筛后的土样 5 kg，根据计算加水配制设计 含水率（1.7 倍液限）的泥浆，采用小型搅拌机均匀 搅拌 10 min 左右，见图 4(f)。⑦ 将搅拌均匀的泥 浆缓慢倒入装样固结筒内， 见图 4(g)， 边倒边震荡， 以 便泥浆 装样震 动密实 ，避 免沉积 之初存 在较
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岩
土
力
学
2015 年
目前制备重塑软黏土试样多采用泥浆固结法， 按照固结动力的不同，又可以分为加压固结法与真 空固结法。1971 年 Sheeran 和 Krizek 首次提出了 泥浆加压固结法来制备重塑黏土试样。Lin 等 在其 基础上分别进行了改进。Sheahan 等 利用小型真空 容器制备单个黏土试样。纪玉诚等 设计了真空预 压法制备重塑土样的室内装置。郑鸿镔等[6]又进行 了改进。鉴于现有装置和技术的尚可改进之处，本 课题组研究设计出了一种新型重塑黏土空心圆柱试 样的真空预压制备装置。
[5] [4Biblioteka [3] [2]低下部土样渗透性，阻碍真空度向上传递，最终导 致土样上软下硬。 而排水方式转变为上、 下排水时， 上、下部位的土样固结效果有所改善，但中部土样 的排水固结效果差，因为该排水方式导致中间部位 土样的上下负压差较小，难以形成渗流场。 经各排水方式的试验比较，本技术最终采用水 平横向排水方式，通过设置中间竖向排水体，实现 了水平横向排水固结和空心内壁成型的双重目的， 极大地缩短制样周期，避免了 2 次削切、扰动与浪 费，提高了相关试验的研究效率。此外，由于本技 术采取径向排水方式，故在垂直于径向的平面内， 可以较好地实现试样的原生各向同性，且此平面也 是开展复杂应力路径试验的主应力轴旋转平面，可 以避免原生各向异性及其他复杂因素的影响，为系 统研究包括主应力轴旋转在内的各种复杂应力路径 下土体的基本静动力学特性提供了前提。 定型制样装置结构如图 2 所示，主要包括装样 固结筒、排水底座与 3 瓣排水体等部件。泥浆固结 筒直径为 120 mm，底部设有法兰盘，乳胶膜的直 径为 118 mm。 3 瓣排水体高 270 mm， 外径为 50 mm， 顶部设有配套顶盖，排水体周身及顶盖设有梅花型 均匀分布的透水孔。排水底座由 3 cm 厚的实心法兰 盘制成， 其上设有安置 3 瓣排水体和密封圈的凹槽， 装样固结筒与排水底座通过法兰盘由螺栓固定。
1
引
言
各种原位影响因素，不利于土体次生各向异性的研 究，故采用性质均一的重塑试样进行室内试验研究 亦是研究上述应力路径下土体性状的重要技术手 段。 室内制备重塑软黏土试样的主要途径有击实法 和固结法。击实法存在以下不足：试样尺寸与目标 含水率、击实功、分层高度等因素存在相互影响， 需针对不同试样尺寸考虑各影响因素的作用，还存 在结构面、余土高度等不利因素。
(1. Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering of Ministry of Education, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 210098, China; 2. China Railway Third Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China.)
在岩土工程技术领域中， 为了获取土体在地震、 波浪与交通荷载等复杂动力条件下的力学响应特 性，常常需要开展各种主应力轴旋转路径下空心圆 柱试样的室内试验研究 。原状土样具有原位应力 状态和原始结构，可用于研究土体强度和变形等原 生各向异性规律，但原状试样取样和保存较困难， 难以确保所取试样的均匀性和可对比性，且还包含
第 36 卷增刊 1 2015 年 6 月
DOI： 10.16285/j.rsm.2015.S1.120
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.36 Supp.1 Jun. 2015
重塑黏土空心圆柱试样制备技术改进及应用
沈 扬 1，王保光 1，陶明安 1, 2，王 鑫 1，杜文汉 1
表 1 试样土质的物理性质指标 Table 1 Physical state properties of soil samples
Gs 2.68 wL /% 42.4 wp /% 24.5 Ip 17.9
2.2
试样制备装置设计 选择制备单个试样的模型槽方式，在试样制备
技术研发过程中试验了 3 种排水方式， 即底部排水、 上、下同时排水和水平横向排水，见图 1。底部排 水时土样会出现上部较软、中间以下部位较硬的不 均衡现象，造成这种现象的主要原因是：真空度由 下向上传递，随高度增加而减小，加之重力因素， 导致下部土体在真空渗流场及重力的作用下快速排 水固结，短时间内使土样固结至密实，从而大大降
乳胶膜 装样固结筒 配套顶盖
2
2.1
新型重塑黏土空心圆柱试样制备装 置开发
试样制备用土
所用黏土取自南京河西地区，将现场取得的 土经自然风干，用锷式粉碎机将风干土粉碎、过 筛，采用 4 分对角取样法取筛下土，密封保存。取 过 0.5 mm 筛的土样，测定土体的物理性质指标，见 表 1。表中，Gs 为土粒相对密度；wL 为液限；wp 为塑限；Ip 为塑性指数。
[1]
收稿日期：2015-03-05 基金项目：国家自然科学基金高铁联合项目（No.U1134207） ；国家自然科学基金面上项目（ No.51479060） 。 第一作者简介：沈扬，男，1980 年生，博士，副教授，主要从事土体静动力学特性和本构理论的研究。E-mail: shenyang1998@
Abstract: Under complex stress path including principal stress rotation, the research on remolded soft clay mechanical characteristics needs to improve its reliability, because the large volume’s method of specimen preparation reduces the physical balance and coring operation disturbances the sample. Based on vacuum preloading technology, a new kind of device and method is designed to prepare remolded specimen. The core component is the vertical drain body, which has a dual role of drainage and the inner wall molding. The important technology includes gradation loading of vacuum preloading and simultaneously preparing multiple samples. The method can prepare multiple hollow cylinder specimens quickly; the specimen’s moisture is better uniformity and consistency. This method can reduce the disturbance of the specimen of late coring operation. The verification tests is carried out under principal stress rotation path. The specimen’s reliability is proved, considering aspects of soil mechanical characteristics, when the specimen is applied to studying the of soil behavior evolution law under complex stress path. The specimen also provides the prerequisite for the static and dynamic mechanical characteristics systematic study and long-term stability of soft clay. Keywords: remolded soft clay; hollow cylinder specimen; vacuum preloading; principal stress rotation