CN112362441B - 一种强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的制备方法 - Google Patents

一种强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的制备方法，步骤是：(1)削原状实心样：取原状土块，用削土刀切削土块至高度到高于标准高度为止；(2)固定实心试样：将土样套上保鲜膜，装入对开圆筒模具中；(3)实心样中心正向钻进：调整内腔切削器传力导杆的伸出长度，将内腔切削器按原路退出；(4)实心样中心反向钻进：取出装有土样的圆筒模具以及固定卡环，将带有凹槽的旋转下底盘从装置上拆卸下，重新固定在底盘上；(5)逐级扩孔：将试样重新安装完毕；(6)精修试样；(7)评价试样质量：将制备完毕的试样用橡皮膜包裹，安装在空心扭剪仪上。方法简便、成本低廉、耗材少、原位取样要求低、制样成功率高等特点。

Description

一种强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的制备方法
技术领域
本发明涉及岩土原状土样技术领域(土工试验中空心扭剪试验)，更具体涉及一种针对于强风化岩及残积土的空心扭剪试验原状试样的制备方法，它适用于砂性土、黏性土等各种具有一般工程性质的土的空心扭剪原状试样的制备。
背景技术
在中国东南沿海地区广泛分布着各种风化岩和残积土，这些特殊土体的力学性质与目前广泛关注的沉积土有很大不同(张先伟，刘新宇，孔令伟，徐超.爆破冲击荷载下花岗岩残积土的力学响应试验研究.中国科学：技术科学，2019，49(06)：690-702)。目前，针对这些特殊土体的各向异性研究非常缺乏。各向异性是与材料的各种指标和方向相关的性质，影响岩土工程的设计、施工以及安全运营。许多研究表明，岩土工程设计中缺乏对土的各向异性的考虑将严重影响工程施工和运行的安全性。在各项土工试验中，空心扭剪试验是研究各向异性最有力的手段，但是由于制样非常困难，这种先进的设备目前还没有用于风化岩和残积土中。
目前制备空心扭剪试样的基本思路分为两种，一种是将重塑土倒进空心模具中，通过静力压实制样；另一种是采用机械钻进，即利用电动钻头直接对实心试样进行钻进，从而形成尺寸满足要求的试样内腔。但是第一种方法只适合制备重塑样，而大多数研究都表明，重塑样无法反映出在强风化岩和残积土中普遍存在的结构特性，从而无法真正描述此类岩土材料的力学性质。第二种方法在黏性土中应用较多，但是同样不适合强风化岩和残积土。这是由于风化过程形成了众多的微细观裂隙，在高速转动的机械钻头作用下，这些裂隙会逐渐扩展、汇合甚至形成宏观裂缝，从而导致制样失败。此外，残积土中普遍存在铁质胶结，这些胶结提高了土体的强度，但是，研究表明这些胶结对扰动非常敏感(X.W.Zhang,L.W.Kong,S.Yin,et al.Engineering geology of basalt residual soil in Leiqiong,southern China.Engineering Geology,2017,220(30):196-207)。在机械钻进作用下，这些胶结受损，会导致土的强度下降，从而导致了实验结果不可靠或无效。
因此，鉴于目前的制样方法不适用于强风化岩和残积土原状空心扭剪试样制备，急需一种制备强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的方法，这有利于对此类土体开展各向异性研究以及更准确地评价土的力学行为，从而为工程设计提供可靠的参数。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是在于提供了一种强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的制备方法，装置简单，便于操作，有效的减小针对强风化岩及残积土材料在试验过程中采用传统制样方法产生的额外难度，提高了制样成功率和质量。
为了实现上述目的，本发明拟采用以下的技术方案：
一种强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的制备方法，其步骤是：
(1)削原状实心样：取一块略大于削样标准的原状土块，用削土刀切削土块至土块高度略高于标准高度(标准高度为200.0mm)为止。将切削高度后的土块放到旋转下底盘上，调整高度至合适位置使土样卡在上下箍环之间，使用钢丝锯从竖直方向切削四面多余的土料。切削土料时，旋转活动底盘，使土样表面切削均匀。切削完毕后，取出土样，削平土样上下两端，使土样成为符合削样标准的标准圆柱样。
(2)固定实心试样：将土样套上保鲜膜，装入对开圆筒模具中，固定在上下旋转底盘之间，套上固定卡环，拧紧固定卡环和对开圆筒模具之间的嵌固螺丝，并在模具上用记号笔标记好钻进高度。将内腔切削器的上部分安放到基座底部导杆定位孔的上端，使传力导杆从导杆定位孔下端伸入，拧紧连接螺丝。
(3)实心样中心正向钻进：调整内腔切削器(普通)传力导杆的伸出长度，使导杆伸出基座部分至少为100.0mm。检查定位钻头与旋转下底盘底部中心对齐后，由内腔切削器从下到上进行试样钻进。钻进时，由定位钻头控制钻进方向，时刻注意切削器保持竖直。定位钻头打入后，由内腔切削器自带的旋转刀头进行初步开孔，开孔过程中产生的土渣则从钻进孔漏出。开孔过程进行到标记钻进高度时结束钻进，将内腔切削器按原路小心退出。
(4)实心样中心反向钻进：取出装有土样的圆筒模具以及固定卡环，将带有凹槽的旋转下底盘从装置上拆卸下来，将试样倒置并重新固定在底盘上，从试样上端用记号笔标记好钻进中心，使麻花钻从试样上端手动钻进。本钻进步骤采用分级进行，每一级麻花钻头将内腔贯通后停止钻进，更换下一级钻头，最后形成贯通的内腔。
(5)逐级扩孔：按步骤(2)将试样重新安装完毕，调节内腔切削器上的连接螺丝和扩孔刀头，根据刀身刻度改变刀头伸入长度(30.0mm-60.0mm)，以此确定扩孔直径。调节好后依据步骤(3)，进行贯通式钻进。在整个扩大内腔的过程中，按照刀头伸入长度(即钻进后试样内腔直径)由小到大进行分级，逐级进行钻进，直到试样内腔尺寸达到最终尺寸要求。
(6)精修试样：采用游标卡尺，精准测量扩孔完毕后试样的内外直径以及高度，根据试样尺寸重复步骤(5)1-2次后或直接使用削土刀进行最终的调整，使试样符合空心扭剪试验进行的要求。
(7)评价试样质量：将制备完毕的试样用橡皮膜包裹，安装在空心扭剪仪(任何一种)上，进行等向固结试验，利用固结过程中的孔隙比变化量与初始孔隙比的比值作为指标来判断试样的扰动性大小，进而达到评价试样质量的目的。
在上述的一种制备强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的方法中，优选地，步骤(3)实心样开孔处理中，钻进速率不超过10.0mm/min。
在上述的一种制备强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的方法中，优选地，步骤(3)停止钻进时，标记钻进高度应为180.0mm左右。
在上述的一种制备强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的方法中，优选地，步骤(5)扩孔过程中，扩孔过程最后两级刀头刻度差值应取5.0mm左右。
在上述的一种制备强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的方法中，优选地，步骤(7)进行等向固结试验时，所采取的固结围压应参照取样时土的原位应力状态。
上述七个步骤的技术措施中，其中最关键的是步骤(4)实心样中心反向钻进和步骤(5)逐级扩孔两个步骤。步骤(4)避免了实心样由于一次性钻通内腔造成土样上部受到集中的应力而发生隆起、破坏；步骤(5)保证了实心样不会在扩孔过程中发生内腔侧壁的大面积坍塌。
一种制备强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的方法中，主要解决了在强风化岩和残积土等具有明显裂隙性的土中，由于传统的空心扭剪制样方法的不适用而使得试样难以制备成功的问题。相比起现有技术的一次成腔，通过反向和分级手动钻进实现了对裂隙扩展的控制，保证了试样整体完好且内部结构性不被破坏，由此消除了试样内部裂隙在制样过程中对试样稳定性造成的不良影响，提高了强风化岩和残积土空心扭剪试验结果的可靠性。
本发明的一种制备强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的方法中，通过上述七个步骤制作了10个试样进行验证，采用本发明所制作出来的空心扭剪试样，其试样质量判断的指标Δe/e0分别为0.33、0.32、0.32、0.35、0.31、0.33、0.36、0.32、0.32、0.33，均小于0.4，平均值为0.33。经判别，10个试样均为扰动小的、较优质的原状试样。
本发明与现有技术相比，具有以下的优点和效果：
①仪器简单，便于操作和使用。相对传统常用制样方法，本方法制样的原理通俗易懂，所需要的专业知识不强，便于试验人员简单轻松地操作仪器进行原状土样的制备。
②成本低，耗材少。利用本方法制作试样，需要额外消耗的原材料少，产生的仪器操作等费用低，精准制样的同时达到了节约资源的目的。
③原位取样要求低。由于本方法步骤(1)中需要初步切削圆柱样，因此所采取的原位土样可以是不规则形状，降低了取样要求。
④制样成功率及试样质量有所提高。本方法考虑了强风化岩及残积土中存在的对扰动敏感的微裂隙等不连续面以及特殊的胶结，完善了传统制原状样方法的不足，大大减少了试样在制作过程中由于受到扰动而产生样品剪切破裂或是结构破坏的情况，提高了原状土样的制作成功率和质量，进而有利于保证试验结果的准确性。
附图说明
图1为一种制备强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的方法制样流程图。
图2为一种切削完成后的残积土圆柱形试样平面示意图。
图3为一种切削完成后的残积土圆柱形试样三维示意图。
图4为一种制样过程中使用的一种内腔切削器构造图。
图5为一种制样过程中反向钻进示意图。
图6为一种制样过程中内腔钻进示意图。
图7为一种制样过程中扩孔过程示意图。
图8为实施例1制得的空心扭剪试样示意图。
图9为利用本发明的方法与以往方法制样的空心扭剪试验结果对比图。
图10为利用本发明的方法与以往方法制样的扰动程度评价结果对比图。
其中：1a-第一紧固螺丝、1b-第二紧固螺丝、1c-第三紧固螺丝、1d-第四紧固螺丝、2-上部承板、3a-第一旋转上底盘、3b-第二旋转下底盘、4a-第一支撑杆、4b-第二支撑杆、4c-第三支撑杆、4d-第四支撑杆、5-切削后试样、6-钻进孔、7-中间承板、8-导杆定位孔、9-基座、10-定位钻头、11-旋转刀头、12-扩孔刀头卡槽、13-扩孔刀头、14-连接螺丝、15-钻杆长度伸缩套、16-传力导杆、17-施力手柄、18-内腔切削器、19a-第一上部固定卡环、19b-第二下部固定卡环、20a-第一嵌固螺丝、20b-第二嵌固螺丝、21-对开圆筒模具、22-扩孔前土样、23-麻花钻、24-反向钻进时土样、25-最终完成试样。
具体实施方式
实施例1：
本实施例1的试验材料为来自福建省的强风化花岗岩，颗粒含量组成为10.0％的砾粒，48.0％的砂粒和42.0％的黏粒，试样尺寸为标准的空心扭剪试样(内径60.0mm,外径100.0mm，高200.0mm)，试样为未扰动的原状样。
如图1、图2和图3所示，一种制备强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的方法，其步骤是：
(1)削原状实心样：
取一块大于标准空心扭剪试样尺寸(外径100.0mm，内径60.0mm，高200.0mm)的土块，先用削土刀(普通)切削土样，直至试样高度为215.0mm为止。图2和图3说明了切削土样所使用的装置和流程，如图2和图3所示，其中仪器主体部分由上部承板2、中间承板7、基座9以及第一支撑杆4a、第二支撑杆4b、第三支撑杆4c和第四支撑杆4d共四个支撑杆件组成，每个杆件相应的用第一紧固螺丝1a、第二紧固螺丝1b、第三紧固螺丝1c和第四紧固螺丝1d分别固定于上部承板上表面。其中中间承板7中心处开有钻进孔6，基座9中心则开有导杆定位孔8。整个装置固定试样的部分位于上部承板2与中间承板7之间，分别在两个承板靠装置中心一侧装有不可拆卸的第一旋转上底盘3a和第二旋转下底盘3b。将用削土刀切削过的试样置于第二旋转下底盘3b上，调整可变承台2的高度至合适位置使土样卡在第一旋转上底盘3a和第二旋转下底盘3b之间。安装好试样后，用钢丝锯(普通)从侧面切削试样并同时第二旋转下底盘3b，将试样削成直径100.0mm的圆柱体，最后用钢丝锯削平试样，使试样高度为210.0mm，得到标准尺寸的试样见图2和图3中切削后试样5。
(2)固定实心试样：
根据图4、图6可知，用游标卡尺测量在对开圆筒模具21中需要钻进部分的高度，并以记号笔标记。用保鲜膜包裹步骤(1)中得到的切削后试样5，装入对开圆筒模具21中，固定在第一旋转上底盘3a和第二旋转下底盘3b之间，并分别将第一上部固定卡环19a和第二下部固定卡环19b套入，拧紧第一上部固定卡环19a和第二下部固定卡环19b和对开圆筒模具21之间的第一嵌固螺丝20a、第二嵌固螺丝20b。将内腔切削器18的上部分安放到装置底部导杆定位孔8的上端，使内腔切削器18下部分的传力导杆16从导杆定位孔8的下端伸入，拧紧连接螺丝14。内腔切削器18的上下两部分构造如图4所示，上部分主要包括了定位钻头10、旋转刀头11、扩孔刀头卡槽12、扩孔刀头13以及固定扩孔刀头13和调节内腔切削器18下部分伸出长度的连接螺丝14。下部分则主要由钻杆长度伸缩套15、传力导杆16以及施力手柄17组成。
(3)实心样中心正向钻进：
检查内腔切削器18与切削后试样5下端中心对齐，开始钻进。由内腔切削器18的旋转刀头11和定位钻头10从下到上钻进切削后试样5，钻进过程中产生的土渣在重力作用下由钻进孔6落出。钻进过程中，手动控制钻进行程每分钟不超过1厘米，确保切削后试样5不受到大的扰动。本实施例1中，可以钻进的内腔直径是25.0mm。
(4)实心样中心反向钻进：
当钻进内腔高度达到180.0mm时，暂停钻进。拆除并倒转试样，从另一端采用麻花钻23进行手动钻进。钻进示意图如图5所示，钻进时，由麻花钻23在反向钻进时土样24完好的另一端开始钻进。在本步骤中，手动钻进采用分级进行，各级麻花钻头的直径分别为5.0mm，10.0mm，15.0mm，20.0mm，25.0mm。每一级麻花钻头将内腔贯通后停止钻进，更换下一级钻头，直至试样中心最终形成一个内径为25.0mm的内腔。
(5)逐级扩孔：
内腔钻进时的示意图如图6所示，将扩孔刀头13安装入内腔切削器18的扩孔刀头卡槽12上，并通过连接螺丝14调节扩孔刀头13的伸出长度并固定扩孔刀头13。部件组装完毕后，检查试样底部中心对齐，由内腔切削器18从下往上钻进试样。组装过程首先调节扩孔刀头13的连接螺丝14，将指示刻度调节至30.0mm，用调节好刻度的内腔切削器18从下往上钻进试样，使得步骤(4)得到试样的内腔直径逐渐扩大至30.0mm。然后依次将指示刻度调节到30.0mm，40.0mm，50.0mm，55.0mm，60.0mm，60.0mm，重复本步骤5次，分级进行钻进。分级钻进示意图如图7所示，扩孔前土样22在已有内腔的基础上，慢慢扩大内腔的直径，直至最终形成内腔直径为60.0mm的试样。
(6)精修试样：
采用游标卡尺，精确测量步骤(5)得到试样的内径，外径和高度，如果与标准尺寸略有偏差，根据试样尺寸偏差小心地重复步骤(5)1-2次后或直接使用削土刀进行精修，直至达到标准尺寸。削样完成后用游标卡尺测试试样最终的内径r，外径R和高度h，并用电子天平进行称重，计算试样的密度，根据公式计算试样的孔隙比e0。图8表示制样完成后，最终完成试样25的示意图。
(7)评价试样质量：
将制备好的最终完成试样25小心地用橡皮膜包裹，安装在空心扭剪仪上，进行等向固结实验从而评价试样扰动大小，固结围压采用200kPa。利用Rocchi和Coop(Rocchi,I.,Coop,M.R.The effects of weathering on the physical and mechanical propertiesof a granitic saprolite.Géotechnique,2015,65(6):482–493)提出的方法，用固结过程中试样孔隙比的变化指标与初始孔隙比的比值Δe/e0反映取样和制样过程中对试样的扰动，当Δe/e0>0.5时，认为试样受到了严重的扰动，得到的力学试验结果将会有明显错误。而当Δe/e0<0.40时，认为试样几乎未受扰动，可以进行后续的空心扭转剪切试验。空心扭剪装样和试验步骤依照《地基动力特性测试规范(GB/T 50269-2015)》，试验设备为英国GDS公司生产的DYNHCA 5Hz型空心扭剪仪，具体步骤为：
①装样。将制备好的试样用橡皮膜包裹后安装在空心扭剪仪器上。
②调零。打开空心扭剪操作软件GDSLab(v2.5.4.4)，利用操作软件使得试样帽与轴力及扭矩接触后，将轴力、扭矩、传感器读数归零，将轴向位移、扭转位移传感器读数置零。安装测力计。
③内围压室充水。利用内围压进水阀门向内压力室注满纯水，直至内压力室上顶帽排气孔有水溢出时，关闭内围压进水阀门，将内围压传感器读数置零。
④外压力室安装。将压力室从仪器的提升架取下，均匀地拧紧底座连接螺母后，通过外围压进水阀门向外压力室注满纯水，待压力室顶部排气孔有水溢出时，拧紧螺丝，关闭外围压进水阀门，将外围压传感器读数置零。
⑤施加固结压力。打开排水阀和内外围压阀，施加固结压力200kPa，使得试样充分排水固结。
⑥剪切。启动轴向和扭转电动机，开始剪切，控制剪切应变速率为每分钟应变0.05％，当测力计读数出现峰值时，剪切应继续进行到轴向应变为20％。
⑦试验结束。试验结束后，将内外围压的压力卸载，关周围压力阀，打开外围压进水阀门和内围压进水阀门，排除内外压力室内的水将外压力室底座连接螺母取下，打开排气孔，拆卸压力室罩，利用操作软件使试样帽与活塞及测力计脱离接触后关电动机，拆除试样。清洁仪器。
根据本发明的一种制备强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的方法得到的Δe/e0为0.34，经Rocchi和Coop提出的方法评价为质量较好的小扰动试样。
实施例2：
为了更好地检验本发明的一种制备强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的方法的普遍适用性，选择不同于实施例1中颗粒组成的试验材料，实施例2的试验材料为海南省的花岗岩残积土，颗粒含量组成为10.0％的砾粒，31.0％的砂粒和59.0％的黏粒。此外，为了比较步骤(5)中逐步扩孔分级的最后两级目标直径选取接近程度对制样效果的影响，本实施例中采用的逐步扩孔直径目标值为30.0mm，40.0mm，50.0mm，60.0mm。
如图1所示，一种制备强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的方法，其步骤是：
(1)削原状实心样：
取一块大于标准空心扭剪试样尺寸(外径100.0mm，内径60.0mm，高200.0mm)的土块，先用削土刀(普通)切削土样，直至试样高度为215.0mm为止。图2和图3说明了切削土样所使用的装置和流程，如图2和图3所示，其中仪器主体部分由上部承板2、中间承板7、基座9以及第一支撑杆4a、第二支撑杆4b、第三支撑杆4c和第四支撑杆4d共四个支撑杆件组成，每个杆件相应的用第一紧固螺丝1a、第二紧固螺丝1b、第三紧固螺丝1c和第四紧固螺丝1d分别固定于上部承板上表面。其中中间承板7中心处开有钻进孔6，基座9中心则开有导杆定位孔8。整个装置固定试样的部分位于上部承板2与中间承板7之间，分别在两个承板靠装置中心一侧装有不可拆卸的第一旋转上底盘3a和第二旋转下底盘3b。将用削土刀切削过的试样置于第二旋转下底盘3b上，调整可变承台2的高度至合适位置使土样卡在第一旋转上底盘3a和第二旋转下底盘3b之间。安装好试样后，用钢丝锯(普通)从侧面切削试样并同时第二旋转下底盘3b，将试样削成直径100.0mm的圆柱体，最后用钢丝锯削平试样，使试样高度为210.0mm，得到的试样标准尺寸与实施例1相同。
(2)固定实心试样：
用游标卡尺测量在对开圆筒模具21中需要钻进部分的高度，并以记号笔标记。用保鲜膜包裹步骤(1)中得到的切削后试样5，装入对开圆筒模具21中，固定在第一旋转上底盘3a和第二旋转下底盘3b之间，并分别将第一上部固定卡环19a和第二下部固定卡环19b套入，拧紧第一上部固定卡环19a和第二下部固定卡环19b和对开圆筒模具21之间的第一嵌固螺丝20a、第二嵌固螺丝20b。将内腔切削器18的上部分安放到装置底部导杆定位孔8的上端，使内腔切削器18下部分的传力导杆16从导杆定位孔8的下端伸入，拧紧连接螺丝14。内腔切削器18的上下两部分构造如图4所示，上部分主要包括了定位钻头10、旋转刀头11、扩孔刀头卡槽12、扩孔刀头13以及固定扩孔刀头13和调节内腔切削器18下部分伸出长度的连接螺丝14。下部分则主要由钻杆长度伸缩套15、传力导杆16以及施力手柄17组成。
(3)实心样中心正向钻进：
检查内腔切削器18与切削后试样5下端中心对齐，开始钻进。由内腔切削器18的旋转刀头11和定位钻头10从下到上钻进切削后试样5，钻进过程中产生的土渣在重力作用下由钻进孔6落出。钻进过程中，手动控制钻进行程每分钟不超过1厘米，确保切削后试样5不受到大的扰动。本实施例2中，可以钻进的内腔直径是25.0mm。
(4)实心样中心反向钻进：
当钻进内腔高度达到180.0mm时，暂停钻进。拆除并倒转试样，从另一端采用麻花钻23进行手动钻进。钻进示意图如图5所示，钻进时，由麻花钻23在反向钻进时土样24完好的另一端开始钻进。在本步骤中，手动钻进采用分级进行，各级麻花钻头的直径分别为5.0mm，10.0mm，15.0mm，20.0mm，25.0mm。每一级麻花钻头将内腔贯通后停止钻进，更换下一级钻头，直至试样中心最终形成一个内径为25.0mm的内腔。
(5)逐级扩孔：
内腔钻进时的示意图如图6所示，将扩孔刀头13安装入内腔切削器18的扩孔刀头卡槽12上，并通过连接螺丝14调节扩孔刀头13的伸出长度并固定扩孔刀头13。部件组装完毕后，检查试样底部中心对齐，由内腔切削器18从下往上钻进试样。组装过程首先调节扩孔刀头13的连接螺丝14，将指示刻度调节至30.0mm，用调节好刻度的内腔切削器18从下往上钻进试样，使得步骤(4)得到试样的内腔直径逐渐扩大至30.0mm。然后依次将指示刻度调节到30.0mm，40.0mm，50.0mm，55.0mm，60.0mm，60.0mm，重复本步骤5次，分级进行钻进。分级钻进示意图如图7所示，扩孔前土样22在已有内腔的基础上，慢慢扩大内腔的直径，直至最终形成内腔直径为60.0mm的试样。
(6)精修试样：
采用游标卡尺，精确测量步骤(5)得到试样的内径，外径和高度，如果与标准尺寸略有偏差，根据试样尺寸偏差小心地重复步骤(5)1-2次后或直接使用削土刀进行精修，直至达到标准尺寸。削样完成后用游标卡尺测试试样最终的内径r，外径R和高度h，并用电子天平进行称重，计算试样的密度，根据公式计算试样的孔隙比e0。最终完成试样与实施例1相同。
(7)评价试样质量：
将制备好的试样25小心地用橡皮膜包裹，安装在空心扭剪仪上，进行等向固结实验从而评价试样扰动大小，固结围压采用220kPa。空心扭剪装样和试验步骤依照《地基动力特性测试规范(GB/T 50269-2015)》，试验设备为英国GDS公司生产的DYNHCA 5Hz型空心扭剪仪。具体的试样评价指标和后续试验步骤与实施例1相同。
根据本发明的一种制备强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的方法得到的Δe/e0为0.39，经Rocchi和Coop提出的方法进行评价仍属于小扰动试样的范围内。
对比试验：
为比较本发明的技术方案与目前制备原状空心扭剪试样的制样方法的优缺点，根据Nishimura等提出的方法(Nishimura,S.,Minh,N.A.,Jardine,R.J.Shear strengthanisotropy of natural London Clay.Géotechnique,2007,57(1):49–62.)，利用机械钻进制样后进行对比试验。机械钻进制样具体步骤如下：将切好的土块用钢丝锯和切土刀切切成直径100.0mm，高200.0mm的实心试样，然后将实心试样固定，利用电动钻头直接钻进试样内腔，形成内径60.0mm,外径100.0mm，高200.0mm的空心扭剪试样，空心扭剪试验过程与步骤与实施例1完全相同。对比试验得到的Δe/e0为0.56。
根据前述，用Δe/e0评价本发明的制样方法和已有方法的适用性，进一步对比实施例1和实施例2发现，逐步扩孔过程中最后两级目标直径差值的选取对制样效果有一定的影响。当最后两级直径较为接近时，扩孔过程对试样的扰动较小。具体地说，尽管实施例1和实施例2得到的试样扰动均在合理区间(<0.4)，但是采用实施例1的扩孔目标直径可以明显降低扰动。因此，根据试验经验可以得出，实施例1中提出的扩孔直径差值为最优选择。由图9可知，采用本发明的方法的实施例1和实施例2得到的Δe/e0＝0.36，小于Nishimura等对极好土样的界定值，非常适合力学试验，而采用已有方法得到的Δe/e0＝0.56，明显高于Nishimura等对适用于力学试验试样扰动程度的限定值，因此不适合进行后续的力学试验。所以，本发明提出的方法具有较好的优越性。此外，对采用本发明的技术路线和未采用本发明技术路线得到的土样进行了空心扭剪试验，两个试样的应力应变曲线(应力应变曲线在岩土工程中非常重要，可以直接给出土的强度、刚度等参数指标，并直接用于设计)如图10所示。可以看出，本发明得到的应力-应变曲线高于已有方法的，这说明采用已有方法对试样造成明显扰动的同时，还会使得后续力学试验严重低估土的强度，这会在工程上造成极大的浪费。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制发明，凡是根据本发明实质对以上实施例做任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的制备方法，其步骤是：
(1)削原状实心样：取一块削样标准的原状土块，用削土刀切削土块至高度到高于标准高度为止，将切削高度后的土块放到旋转下底盘上，调整高度至合适位置使土样卡在上下箍环之间，使用钢丝锯从竖直方向切削四面多余的土料，切削土料时，旋转活动底盘，使土样表面切削均匀，切削完毕后，取出土样，削平土样上下两端，使土样成为削样标准的标准圆柱样；
(2)固定实心试样：将土样套上保鲜膜，装入对开圆筒模具中，固定在上下旋转底盘之间，套上固定卡环，拧紧固定卡环和对开圆筒模具之间的嵌固螺丝，并在模具上用记号笔标记好钻进高度，将内腔切削器的上部分安放到基座底部导杆定位孔的上端，使传力导杆从导杆定位孔下端伸入，拧紧连接螺丝；
(3)实心样中心正向钻进：调整内腔切削器传力导杆的伸出长度，检查定位钻头与旋转下底盘底部中心对齐，由内腔切削器从下到上进行试样钻进，钻进时，由定位钻头控制钻进方向，定位钻头打入后，由内腔切削器自带的旋转刀头进行开孔，开孔过程中产生的土渣从钻进孔漏出，开孔过程进行到标记钻进高度时结束钻进，将内腔切削器按原路退出；
(4)实心样中心反向钻进：取出装有土样的圆筒模具以及固定卡环，将带有凹槽的旋转下底盘从装置上拆卸下来，将试样倒置并重新固定在底盘上，从试样上端用记号笔标记钻进中心，使麻花钻从试样上端手动钻进，本钻进步骤采用分级进行，每一级麻花钻头将内腔贯通后停止钻进，更换下一级钻头，最后形成贯通的内腔；
(5)逐级扩孔：按步骤(2)将试样重新安装完毕，调节内腔切削器上的连接螺丝和扩孔刀头，根据刀身刻度改变刀头伸入长度30.0mm-60.0mm，调节后依据步骤(3)，进行贯通式钻进，本次钻进逐级进行，直到依据步骤(4)形成的试样内腔尺寸达到最终尺寸要求；
(6)精修试样：采用游标卡尺，测量扩孔完毕后试样的内外直径以及高度，根据试样尺寸重复步骤(5)1-2次后或直接使用削土刀进行最终的调整，使试样符合空心扭剪试验进行的要求；
(7)评价试样质量：将制备完毕的试样用橡皮膜包裹，安装在空心扭剪仪上，进行等向固结试验，利用固结过程中的孔隙比变化量与初始孔隙比的比值作为指标来判断试样的扰动性大小，达到评价试样质量的目的。
2.根据权利要求1所述的一种强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)实心样开孔处理中，钻进速率不超过10.0mm/min。
3.根据权利要求1所述的一种强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)停止钻进时，标记钻进高度为180.0mm。
4.根据权利要求1所述的一种强风化岩及残积土空心扭剪试验原状试样的制备方法，其特征在于：所述的步骤(5)扩孔过程中，扩孔过程最后两级刀头刻度差值应取5.0mm。
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