CN104713758A - 一种无粘性土三轴试样的制样方法 - Google Patents

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本发明公开了一种无粘性土三轴试样的制样方法，属于土体力学性能测试技术领域，包括以下步骤：（1）、干土准备；（2）、最优粘聚冷冻含水率测定；（3）、混合土料制备；（4）、混合土料冷冻；（5）、单样质量计算；（6）、单样制作成形；（7）、试样冷冻保存；（8）、安放、静停融冰；本发明通过增加制样过程中无粘性土的粘聚力、降低摩擦角，有效解决了现有技术中难以密实、试样成形后易散落、易倾斜、甚至试样很难制作成需所的圆柱形三轴试样等缺陷；对应的无粘性土试样三轴试验最后仍在常温下进行，不需要对仪器进行任何改装，简单方便。

Description

一种无粘性土三轴试样的制样方法
技术领域：
本发明涉及一种无粘性土三轴试样的制样方法，属于土木工程学科的土体力学性能测试领域。
背景技术：
以砂土为代表的无粘性土用作道路或建筑物的基础时能够提供较大的承载力，且后期沉降较小；无粘性土的特性是不具有粘聚力和塑形，在动水压力或振动荷载作用下，无粘性土存在液化、管涌等潜在的工程隐患。因此，在工程设计时，必须通过试验获得无粘性土相关的力学特性。
目前，无粘性土的力学特性测试通常通过常规三轴试验完成，该试验将土体做成直径3.91cm、高8.0cm左右的圆柱形标准三轴试样，进行加载测试。所以，制作高质量的重塑无粘性土试样是进行该测试的前提条件。
但是，由于无粘性土不具有粘聚力且摩擦角大的特性，采用传统的制样方法，很难保证无粘性土试样的均匀性和试样总体密度，试样成形后易散落、易倾斜，制作过程中也容易对试样造成损伤、损坏，甚至无法制作成形，不易操作，严重影响了无粘性土试样的力学性能检测。
发明内容：
    本发明的目的在于提供一种无粘性土三轴试样的制样方法，以解决现有技术中的试样难以压密成型、均匀性差、易损坏等缺陷。本发明通过增加人工冻融过程，增加制样过程中无粘性土颗粒间的粘聚力、同时减少其摩擦角，精确的控制试样总体密度和形状，而且能使试样密度更加均匀。
为了达到上述目的，本发明采取的解决方案如下：
一种无粘性土三轴试样的制样方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将散粒状无粘性土烘干，将适量的拌合水加入到无粘性土中并拌制均匀；（2）将含水的散粒状无粘性土冷冻一段时间，使其颗粒表层形成冰晶和水的冰水混合物，该冰水混合物能够有效增加无粘性土颗粒之间的粘聚力，同时减小了其摩擦角；（3）将冷冻状态下的无粘性土进行三轴试样的制作，由于增加了颗粒之间的粘聚力，使得圆柱体试样容易成形且不易散落；由于减小了摩擦角，使得制作过程中三轴试样容易压密至设计密度；（4）将步骤（3）制作的三轴试样放入冷冻设备中保存；（5）将冷冻保存的三轴试样静停一段时间，待内部冰晶全部融化后，同时其粘聚力和摩擦角也均回到原始状态下，即可进行传统的三轴试验。
进一步的设置在于：
步骤（1）中，加入到无粘性土中拌合水的质量为最优粘聚冷冻含水率与烘干后无粘性土质量的乘积。
所述的最优粘聚冷冻含水率，其通过直剪试验测得，是指冷冻后无粘性土颗粒间产生较大粘聚力、较小摩擦角时对应的初始加入拌合水的质量与干燥状态无粘性土质量的比值。不同颗粒级配的无粘性土对应的数值有所不同，试样制作前必须进行对应土体的最优粘聚冷冻含水率测试。
所述最优粘聚冷冻含水率测定方法如下：将散粒状无粘性土烘干粉碎；将不同的拌合水加入到无粘性土中并拌制均匀，获得不同含水率的无粘性土；将不同含水率的无粘性土冷冻，使其颗粒表层形成冰晶和水的冰水混合物；在冷冻状态下制作直剪试样，并按初始含水率的不同分成对称两份；一份直接进行冷冻状态下的直剪试验，另一份静停一段时间，待试样内部冰晶融化回复常温后，进行常温状态下的直剪试验；根据两种状态的实验结果，分别计算各初始含水率下无粘性土的摩擦角和粘聚力；选择冷冻状态下粘聚力较大、摩擦角较小的初始含水率为无粘性土最优粘聚冷冻含水率。
所述的最优粘聚冷冻含水率，评价的优先顺序依次是冷冻状态粘聚力较大、冷冻状态摩擦角较小、与常温状态相比冷冻状态的摩擦角减小值较大，各自的允许误差为0.15。
所述的三轴试样，安放在三轴仪对应的试样基座上时，其内部颗粒间仍有冰晶存在。
所述的三轴试样，三轴加载前，冰晶全部融化，无粘性土的粘聚力和摩擦角均回到原始重塑状态。
所述的三轴试样，其直径为3.91cm，高度为8.00cm。
所述的三轴试验，最后仍在常温下进行。
本发明在制样过程中增加的冷冻、融化过程，仅是无粘性土颗粒周围水分的物理状态变化，在保证重塑无粘性土制样效果的同时，对无粘性土自身的力学特性没有影响。
本发明还提供一种优选的无粘性土三轴试样的制样方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）、干土准备。按照设计的试样干密度R、三轴试样个数N1和辅助直剪试样个数N2，计算三轴试样和辅助直剪试验所需无粘性土的干燥状态下的质量M1和M2。
（2）、最优粘聚冷冻含水率测定。通过直剪试验，测定无粘性土的最优粘聚冷冻含水率W。
（3）、混合土料制备。按步骤2测定的最优粘聚冷冻含水率配制无粘性土土料，并计算加入的拌合水质量M3=M1*W，进行拌合。
（4）、混合土料冷冻。将拌合后的无粘性土料进行冷冻，优选地，冷冻温度-10℃，冷冻时间24小时。
（5）、单样质量计算。计算单个试样的所需冷冻后无粘性土冰水混合物的质量m=(M1+M3)/N。
（6）、单样制作成形。取出冷冻状态的土料，称取单个试样所需的质量，在常规三轴制样的3瓣膜中逐个制作三轴试样。
（7）、试样冷冻保存。将步骤6制作的三轴试样放入冷冻设备中保存，优选地，保存温度0℃。
（8）、安放至测试基座。根据试验安排，通过常规三轴制样设备的承模筒、对开模、橡皮膜，将冷冻的三轴土样取出安装在常规三轴仪的试样基座上。
（9）、静停融冰。静置一段时间，待试样内的冰晶全部消融，试样进入传统的常温状态后，即可进行试样的力学特性测试，优选地，静停时间为8小时。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）现有技术是在无粘性土不具有粘聚力的状态下制样的，本发明增加了制样过程中无粘性土的粘聚力，有效解决了现有技术中试样成形后易散落、易倾斜，甚至试样很难制作成需所的圆柱形等缺陷；
（2）现有技术是在无粘性土具有较大摩擦角的状态下制样的，本发明降低了制样过程中无粘性土的摩擦角，有效解决了现有技术中试样较难压密至设计密度的缺陷；
（3）本发明中无粘性土颗粒粘聚力的增加，是通过改变其周围水分和冰晶状态的变化实现的，仅仅是物理变化，冰晶仅起到类似的催化剂作用不会对无粘性土自身造成影响；三轴试验加载测试时，无粘性土的粘聚力和摩擦角均回到其传统的重塑状态；
（4）本发明中，无粘性土试样的三轴试验最后仍在常温下进行，不需要对仪器进行任何改装。
（5）本发明的制样方法，采用两次冷冻、一次融冰；原料冷冻一次，旨在增加无粘性土颗粒粘聚力，降低摩擦角；制样成形后冷冻保存一次，保证试样的强度和刚度；冷冻保存温度高于原料冷冻温度，以便于后续的融冰，融冰后，无粘性土的粘聚力和摩擦角均回到原始重塑状态，不会对无粘性土自身造成影响。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明：
图1为本发明实施例无粘性土摩擦角随含水率变化曲线示意图。
具体实施方式：
实施例1：
某高速铁路k5+150～k6+200段，路基有局部砂土，为典型的无粘性土。由于该路基将承受列车的循环动力荷载，必须进行重塑砂土的三轴力学特性测试。试样尺寸为，直径3.91cm、高8.00cm。
针对上述实例，采用本发明的一种无粘性土三轴试样的制样方法，进行制样，包括如下步骤：
（1）、干土准备：
按照设计的试样干密度R、三轴试样个数N1和辅助直剪试样个数N2，计算三轴试样和辅助直剪试验所需无粘性土的干燥状态下的质量M1和M2。
本实施例，设计的试样干密度均为R=1.5g/cm3；三轴试验所需的试样个数为N1为10个，试样直径为3.91cm、高为8.00cm；辅助直剪试验所需的试样个数N2为48个，试样直径为6.18cm、高为2.00cm。
M1= 3.14*（3.91/2）2*8.00*1.5*10=1440.0g
M2= 3.14*（6.18/2）2*2.00*1.5*48=4317.3g
（2）、最优粘聚冷冻含水率测定：
通过直剪试验，测定无粘性土的最优粘聚冷冻含水率W，具体如下：
配制1%、2%、3%、4%、5%、6%等共6个含水率的无粘性土试样，进行两组对比试验。第一组为土水混合料料冷冻24小时，作成直剪试样，直接在冷冻状态下测试，简称冷冻状态直剪试样；第二组为土水混合料料冷冻24小时，作成直剪试样，而后静停至试样内部冰晶融化恢复常温，再进行直剪测试，简称常温状态直剪试样。
每个含水率均进行4个法向应力的直剪试验。所以试样总个数为：N2=2（组）*6（含水率）*4（法相应力）=48个。参考常规直剪试验的制样、测试方法，分别测得对应的粘聚力见表1，摩擦角见图1。
表1、无粘性土粘聚力随含水率变化表/ kPa。
根据表1，含水率为3%和4%对应的冷冻状态的粘聚力均为最大值10.3 kPa；根据图1，它们对应的冷冻状态摩擦角分别为15.0 o和14.9 o，在允许误差0.15范围内，也可认为相同；它们与常温状态相比冷冻状态的摩擦角减小值分别为7.6o和7.1o，3%含水率符合“减小值较大”的条件，故选择3%为最优粘聚冷冻含水率。
此含水率下，冷冻后，无粘性土的粘聚力由零增加至10.3kPa；无粘性土的摩擦角由22.6o降至15.0o，降幅为7.6o。
（3）、混合土料制备：
按步骤2测定的最优粘聚冷冻含水率配制无粘性土土料，并计算加入的拌合水质量M3=M1*W，进行拌合；
所需加入的拌合水质量为:M3=M1*W=1440*3%=43.2g。
（4）、混合土料冷冻：
将拌合后的无粘性土料进行冷冻，优选地，冷冻温度-10℃，冷冻时间24小时。
（5）、单样质量计算：
计算单个试样的所需冷冻后无粘性土冰水混合物的质量m=(M1+M3)/N1。
m=(M1+M3)/N=（1440+43.2）/10=148.32g。
（6）、单样制作成形：
取出冷冻状态的土料，称取单个试样所需的质量，在常规三轴制样的3瓣膜中逐个制作三轴试样。
为保证均匀性，试样分5层击实，每层的冲击次数为6次即可达到设计密度。
作为对比试样，将常规未经冷冻的无粘性土土样制作进行对比，通过对比可以发现，常规未经冷冻的无粘性土土样，每层冲击10次，才勉强达到试样的设计密度。
（7）、试样冷冻保存：
将步骤（6）制作的三轴试样放入冷冻设备中保存，保存温度0℃。
（8）、安放、静停融冰：
根据试验安排，通过常规三轴制样设备的承模筒、对开模、橡皮膜，将冷冻保存的三轴土样取出安装在常规三轴仪的试样基座上；静置一段时间，待试样内的冰晶全部消融，试样进入传统的常温状态后，即可进行试样的力学特性测试，优选地，静停时间为8小时。
本发明采用两次冷冻、一次融冰，在制样过程中，第一次冷冻使无粘性土的粘聚力由零增加至10.3kPa，摩擦角由22.6o降至15.0o，与常规制样相比，达到相同设计密度的冲击次数由现有技术的10次减少为6次，有效解决了现有技术中难以密实、试样成形后易散落、易倾斜、甚至试样很难制作成需所的圆柱形三轴试样等缺陷。该过程中，无粘性土颗粒粘聚力的增加和摩擦角的降低，不会对无粘性土自身造成影响；对应的无粘性土试样三轴试验最后仍在常温下进行，不需要对仪器进行任何改装，简单方便。

Claims (10)

1.一种无粘性土三轴试样的制样方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将散粒状无粘性土烘干，加入适量的拌合水到无粘性土中并拌制均匀；（2）将含水的散粒状无粘性土冷冻一段时间，使其颗粒表层形成冰晶和水的冰水混合物；（3）将冷冻状态下的无粘性土进行三轴试样的制作；（4）将步骤（3）制作的三轴试样放入冷冻设备中保存；（5）静停融冰：将冷冻保存的三轴试样静停一段时间，待内部冰晶全部融化后，即可进行传统的三轴试验。
2.根据权利要求1所述的一种无粘性土三轴试样的制样方法，其特征在于：步骤（1）中，加入到无粘性土中拌合水的质量为最优粘聚冷冻含水率与烘干后无粘性土质量的乘积。
3.根据权利要求2所述的一种无粘性土三轴试样的制样方法，其特征在于：所述最优粘聚冷冻含水率通过直剪试验测得，指冷冻后无粘性土的粘聚力较大且摩擦角较小时对应的含水率。
4.根据权利要求3所述的一种无粘性土三轴试样的制样方法，其特征在于：所述最优粘聚冷冻含水率测定方法如下：将散粒状无粘性土烘干粉碎；将不同的拌合水加入到无粘性土中并拌制均匀，获得不同含水率的无粘性土；将不同含水率的无粘性土冷冻，使其颗粒表层形成冰晶和水的冰水混合物；在冷冻状态下制作直剪试样，并按初始含水率的不同分成对称两份；一份直接进行冷冻状态下的直剪试验，另一份静停一段时间，待试样内部冰晶融化回复常温后，进行常温状态下的直剪试验；根据两种状态的实验结果，分别计算各初始含水率下无粘性土的摩擦角和粘聚力；选择冷冻状态下粘聚力较大、摩擦角较小的初始含水率为无粘性土最优粘聚冷冻含水率。
5.根据权利要求1所述的一种无粘性土三轴试样的制样方法，其特征在于：所述冷冻保存后的三轴试样安放在三轴仪对应的试样基座上静停融冰，静停融冰前，三轴试样内部颗粒间仍有冰晶存在。
6.根据权利要求1所述的一种无粘性土三轴试样的制样方法，其特征在于：所述的三轴试验在常温下进行，三轴试验加载前，试样内部的冰晶全部融化，无粘性土的粘聚力和摩擦角均回到原始重塑状态。
7.根据权利要求1所述的一种无粘性土三轴试样的制样方法，其特征在于：所述三轴试样制作过程中，无粘性土的粘聚力和摩擦角的变化是通过颗粒周围冰水混合物的物理状态改变实现的，该冰水混合物能够有效增加无粘性土颗粒之间的粘聚力，使得圆柱体试样容易成形且不易散落；同时减小了摩擦角，使得制作过程中三轴试样容易压密至设计密度。
8.一种无粘性土三轴试样的制样方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、干土准备：
按照设计的试样干密度R、三轴试样个数N1和辅助直剪试样个数N2，计算三轴试样和辅助直剪试验所需无粘性土的干燥状态下的质量M1和M2；
（2）、最优粘聚冷冻含水率测定：
通过直剪试验，测定无粘性土的最优粘聚冷冻含水率W；
（3）、混合土料制备：
按步骤（2）测定的最优粘聚冷冻含水率配制无粘性土土料，并计算加入的拌合水质量M3=M1*W，进行拌合；
（4）、混合土料冷冻：
将拌合后的无粘性土料进行冷冻，冷冻温度-10℃，冷冻时间24小时；
（5）、单样质量计算：
计算单个试样所需冷冻后无粘性土冰水混合物的质量m=(M1+M3)/N1；
（6）、单样制作成形：
取出冷冻状态的土料，称取单个试样所需的质量，逐个制作三轴试样；
（7）、试样冷冻保存：
将步骤（6）制作的三轴试样放入冷冻设备中保存；
（8）、安放、静停融冰：将步骤（7）冷冻的三轴试样取出，安装在三轴仪的试样基座上，静置，待试样内的冰晶全部消融，试样进入传统的常温状态后，即可进行试样的力学特性测试。
9.根据权利要求8所述的一种无粘性土三轴试样的制样方法，其特征在于：冷冻保存温度为0℃。
10.根据权利要求8所述的一种无粘性土三轴试样的制样方法，其特征在于：静置时间为8小时。
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