CN114184498A - 一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法 - Google Patents

一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法，步骤是：A、取块状样并计算原位状态土样孔隙比；B、制备原状空心圆柱试样和装样：削取原状空心圆柱试样，将试样套上橡皮膜后，安装在空心圆柱扭剪仪上；C、试样饱和：从零开始同时增加内围压、外围压和反压的大小；D、试样固结：保持反压为500kPa不变，将内围压、外围压由520kPa开始逐渐增加，固结完成；E、计算扰动指数DI：依据固结过程中的排水体积ΔV、试样尺寸和原位状态土样孔隙比；F、评价试样扰动程度：根据DI值进行试样扰动程度的评价；G、试样剪切、卸载及清洁仪器：评价完成后，试样为较小扰动或极小扰动的试样。方法易行，操作简便，测试成本低廉，测试精度高，评价效率高。

Description

一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法
技术领域
本发明涉及土工试验中空心扭剪试验领域，特别涉及一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法，同时还适用于土工试验三轴剪切、直接剪切等试验的试样扰动程度评价。
背景技术
残积土等岩土材料在自然界中广泛存在。研究认为，这类特殊岩土材料普遍具有明显的各向异性(K.Onitsuka,S.Yoshitake,M.Nanri.Mechanical properties andstrength anisotropy of decomposed granite soil.Soils and foundations,1985,25(2):14-30)，在一定程度上为科学研究和工程建设带来了困难。目前，针对岩土材料各向异性的研究手段通常为空心扭剪试验，这种试验要求制备薄壁空心圆柱土样，这一过程不可避免地对土样产生扰动。除此之外，扰动还可能发生在现场取样、运输和室内试验的装样阶段。研究表明，由于残积土中的胶结对外荷载十分敏感(A.V.Da Fonseca,R.Coutinho.2008.Characterization of residual soils.In Proceedings of 3rd InternationalConference on Site Characterization,195–248.Boca Raton,FL:CRC Press)，这种扰动会对试验结果产生明显的影响，并且往往导致测得的强度指标偏低(X.W.Zhang,L.W.Kong,S.Yin,C.Chen.Engineering geology of basalt residual soil in Leiqiong,southernChina.Engineering Geology,2017,220(30):196-207；X.W.Zhang,X.Y.Liu,C.Chen,L.W.Kong,G.Wang.Engineering geology of residual soil derived from mudstone inZimbabwe.Engineering Geology,2020,277:105785)。因此，为了保证空心扭剪试验结果的准确性，必须选取扰动程度小的试样，这就要求对试样的扰动程度进行定量评价。
目前岩土力学室内试验中对试样扰动程度的评价往往基于原位和室内试验测得的剪切波速之比的平方，经检索中国专利申请，(一种利用剪切波速评价软弱土扰动程度的方法，专利申请号为：201110123581.4)，该专利申请尚有局限性，并不适用于残积土的空心扭剪试验，不足之处主要表现在以下几个方面：
(1)对于现场或室内剪切波速的测量需要购置额外的仪器设备，大大增加了测试成本。同时，现场测试具有操作复杂，仪器携带不便等困难。
(2)天然土特别是残积土如具有显著的变异性，导致现场测得波速结果往往比较离散，从而无法准确评价试样的扰动程度。
(3)室内波速测定试验没有还原原位应力状态。室内试验测定波速时试样的应力状态与原位状态有明显区别，这种区别会导致试样扰动程度评价不准确。特别是对残积土而言，应力状态引起的试样扰动不可忽视。
(4)由于空心扭剪试验试样安装步骤繁琐、操作复杂，因此在装样过程中也可能对试样产生一定的扰动。而室内的波速评价方法仅能对装样前的试样刚度进行测试，无法评价因装样等空心扭剪试验操作而引起的土样扰动。
在风化花岗岩土的各向异性研究中，为了保证空心扭剪试验结果的准确性，提高试验效率，如何对原状空心圆柱试样在受剪切前的扰动程度评价这一问题亟需解决。而到目前为止，尚未有学者提出一个合理的评价方法和指标。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法，方法易行，操作简便，测试成本低廉，测试精度高，评价效率高，有效避免了因试验操作产生的扰动而影响后续空心扭剪试验剪切阶段的结果。该方法通过测定试样原位状态孔隙比与固结完成后剪切操作前孔隙比，计算获得扰动程度评价指标，从而判断试样受扰动程度的高低状态。该方法不仅适用于残积土，同时也适用于各种一般土(如砂土、黏土)的原状空心圆柱试样扰动程度评价。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法，其步骤是：
1、取块状样并计算原位状态土样孔隙比：取原状块状样，根据《土工试验方法标准》
(GB/T 50123-2019)进行密度、比重和含水率的测试。依据测得的密度ρ、比重Gs和含水率w，通过公式
Figure BDA0003362574080000021
i＝1,2,3.，计算原位状态下的孔隙比ei，对同一个块状样应进行3次平行试验，取3次平行试验结果的平均值作为土体的原位状态孔隙比，即
Figure BDA0003362574080000022
其中：ei为单次平行试验测量获得的孔隙比、ρi为单次平行试验测量获得的密度、Gsi为单次平行试验测量获得的比重、wi为单次平行试验测量获得的含水率、Gw为4℃下水的比重，einsitu为土体的原位状态孔隙比。
2、制备原状空心圆柱试样和装样：根据《地基动力特性测试规范》(GB/T 50219-1611)的要求，削取原状空心圆柱试样。将试样套上橡皮膜(市场购置普通橡皮膜)后，安装在空心圆柱扭剪仪上。该空心圆柱扭剪仪为英国GDS公司生产的DYNHCA 5Hz型空心圆柱扭剪仪。
3、试样饱和：从零开始同时增加内围压、外围压和反压的大小，至反压达到500kPa且内围压、外围压达到520kPa。保持当前压力不变持续24h，进行试样饱和，当孔隙水压力系数达到0.97或以上时，停止饱和。
4.试样固结。保持反压为500kPa不变，将内围压、外围压由520kPa开始逐渐增加，轴力从零开始逐渐增加，直到试样所受的应力处于原位应力状态。保持反压、内外围压和轴力不变，对试样进行固结并记录固结过程中的排水量ΔV(单位mm3)。当超静孔隙水压力消散至0并且试样的体积应变速率不超过0.003％/h时，固结完成。
5、计算扰动指数DI(Disturbance Index)：依据固结过程中的排水体积ΔV、试样尺寸和原位状态土样孔隙比，计算土样固结结束后孔隙比econso，计算公式为
Figure BDA0003362574080000023
计算结果应精确到0.001。进一步地，计算扰动指数DI，计算公式为
Figure BDA0003362574080000024
其中：DI为计算扰动指数、ΔV为排水量、einsitu为土体的原位状态孔隙比、econso为土样固结结束后孔隙比、h为原状空心圆柱试样高度、do为原状空心圆柱试样外径、di为原状空心圆柱试样内径。
6、评价试样扰动程度：根据DI值进行试样扰动程度的评价。当DI值小于0.030时，表示试样为极小扰动试样；DI处于0.030-0.046之间时，表明试样为较小扰动试样；DI处于0.046-0.100之间时，表示试样为较大扰动试样；若DI值大于0.100，则代表试样为极大扰动试样。
所述的极小扰动试样代表试样与原位土体的组成、结构近似完全一致，试验中认为该试样的力学性质能够完全代表原位土体；较小扰动试样代表试样与原位土体相比，有了轻微的结构变化，但在实际工程设计与施工过程中可以忽略不计；较大扰动试样代表试样与原位土体相比，结构发生了明显的变动，此时试样的力学性质与原位土体的力学性质相差较大，试样的力学试验结果不能代表原位土体的力学性质；极大扰动试样则代表试样已经经过了非常大的扰动，该试样的力学试验结果完全不能反应原位土体的力学行为。
7、试样剪切、卸载及清洁仪器：评价完成后，若试样为较小扰动或极小扰动的试样，则可以进行后续剪切阶段的试样剪切。若试样属于较大扰动试样或极大扰动试样，则该试样拆除，重新制备原状空心圆柱试样。重新制备原状空心圆柱试样进行评价和试验的流程参照步骤2～步骤6，直到试样被评价为较小扰动试样或极小扰动试样，再进行试样的剪切。按照规范《地基动力特性测试规范》(GB/T 50219-1611)的指导，试样剪切时剪切应变速率宜为0.05％/min，试验进行至试样轴向应变≥15％后停止。剪切完成后卸载围压、轴力和扭矩并进行排水。关闭电机，卸下试样，擦拭仪器。
在上述的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法中，进一步地，所述步骤1中，计算原位状态下的孔隙比einsitu所使用的原状试样应为人工挖取的块状样。
在上述的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法中，优选地，所述步骤3中，试样饱和时应保证孔隙水压力系数超过0.97。
在上述的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法中，优选地，所述步骤3中，试样饱和时反压宜为500kPa，且反压增大速率应设置为1kPa/min。
在上述的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法中，进一步地，所述步骤4中，试样固结时的应力状态应严格与原位应力状态保持一致。
在上述的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法中，优选地，所述步骤5中，计算土样固结结束后孔隙比econso时应精确到0.001。
当DI值小于0.030时，表示试样为极小扰动试样；DI处于0.030-0.046之间时，表明试样为较小扰动试样；DI处于0.046-0.100之间时，表示试样为较大扰动试样；若DI值大于0.100，则代表试样为极大扰动试样
本发明提供的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法，其原理是根据试样的原位孔隙比和室内将试样重新固结至原位应力状态测得的孔隙比的关系来判定扰动程度，二者差异越大，说明因取样、运输、制样等造成的土样结构改变越大，也即扰动程度越大。本发明还将二者的差值用原位孔隙比进行归一化，从而使本发明适用于不同种类的土。
通过上述七个步骤的技术措施，最关键的步骤为步骤1、步骤5和步骤6：步骤1取原状块状样进行室内基本物理性质指标测试，简单便捷地描述了试样的原位状态；步骤5为根据空心扭剪试验过程中固结试样所产生的孔隙比变化，计算用于判断试样扰动程度的指标，将原位土样受到取样、运输、制样、装样等试验操作而产生的扰动进行量化表示；步骤6根据原状空心圆柱试样受扰动程度的大小划分了四个级别，分别将对后续空心扭剪试验的剪切阶段几乎不产生影响、产生在合理范围内的较小影响、产生较大影响和产生极大影响的四类饱和后原状空心圆柱试样划分为极小扰动试样、较小扰动试样、较大扰动试样和极大扰动试样。
本发明的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法中所述的七个步骤，除步骤1、步骤5、步骤6外，其余步骤均为空心扭剪试验的操作步骤。本发明整体在空心扭剪试验过程中加入了专门用于评价原状空心圆柱试样扰动程度的步骤1、步骤5和步骤6，达到了在同步进行空心扭剪试验的同时对试样扰动程度进行评价的效果。相比现有技术，本发明所述的方法成本低廉、简单快捷、不需要额外测试设备，并且借助空心圆柱扭剪仪还原了试样的原位应力状态，提高了空心扭剪试验结果的可靠性。
根据本发明的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法和现有技术的剪切波速评价方法，分别对全风化花岗岩、花岗岩残积土两种不同的土样进行了扰动程度的评价。结果发现，本发明的评价方法对于不同的残积土试样均能准确地评价出扰动程度，例如：扰动指数分别为0.024与0.027且被评价为极小扰动试样的试样4、试样1所对应的剪切应力应变曲线结果接近且符合典型残积土应力应变曲线规律；而扰动指数分别为0.078和0.086且被评价为较大扰动试样的试样3、试样2所对应的剪切应力应变曲线结果则明显低于典型残积土应力应变曲线，说明了试样3、试样2受扰动程度较大，评价结果准确。经过对比，现有技术对于花岗岩残积土的人扰动程度评价与本发明方法的评价结果相近，但对于全风化花岗岩的扰动程度评价则略有高估。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
(1)依托空心圆柱扭剪仪开展试样扰动程度评价，无需额外购置其它测试设备。该评价体系节约了测试成本，效率高。
(2)对于试样扰动程度的评价可与空心扭剪试验同步进行，不要求额外的操作步骤，大大简化了以往试样扰动程度评价的繁琐流程。
(3)基于空心圆柱扭剪仪的评价可以提供与原状土天然状态相同的应力状态，避免了由于土样应力释放造成的测试误差。
(4)该扰动程度评价方法可以同时评价由于装样而产生的试样扰动，有效避免了试验操作产生的扰动影响后续空心扭剪试验剪切阶段的结果。
(5)该扰动评价方法不依赖原位测试，而是采用室内试验，避免了由于原位测试而造成的数据离散性。
附图说明
图1为一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法的流程图。
图2为一种原位块状样和原状空心圆柱试样的示意图。
图3为一种原状空心圆柱试样固结过程应力状态和原位应力状态的示意图。
图4为实施例1的一种采用本方法对五个残积土原状空心圆柱试样进行扰动程度评价的结果图。
图5为实施例1的一种采用本方法进行扰动程度评价得出的较小扰动或极小扰动试样的应力应变曲线示意图。
图6为实施例2的一种采用以往评价方法与本方法分别对全风化花岗岩和残积土试样的进行扰动程度评价得出的结果对比示意图。
图7为对比试验的一种极小扰动残积土试样和较大扰动残积土试样受剪切得出的应力应变曲线结果对比示意图。
其中：1-原位块状样、2-原状空心圆柱试样、3-地下原位应力土体。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明中三个实施例的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法进行详细说明。
实施例1
本实施例1所使用的试验材料为来自福建省的花岗岩残积土。本发明中所有涉及到基本土工试验的步骤(包括步骤1)严格参考规范《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)进行，所有涉及到空心扭剪试验的相关步骤(包括步骤2、步骤3、步骤4、步骤7)则严格参考规范《地基动力特性测试规范》(GB/T 50219-1611)进行。为了便于理解，本发明的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法流程图见图1所示。
一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法，其步骤是：
1、计算原位状态土样孔隙比：在现场取样点采用人工挖取块状样的方法取得取样深度为H＝18m处的五块方形原位块状样，原位块状样示意图见图2(a)所示，为边长30cm的正方体块。小心运回实验室后，根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)进行密度ρ、比重Gs和含水率w的测试。依据测得的ρ、Gs、w，通过公式
Figure BDA0003362574080000051
i＝1,2,3.计算原位状态下的孔隙比。最终取3次平行实验的结果作为原位孔隙比，即
Figure BDA0003362574080000052
(其中i代表试验次数)。其中：ei为单次平行试验测量获得的孔隙比、ρi为单次平行试验测量获得的密度、Gsi为单次平行试验测量获得的比重、wi为单次平行试验测量获得的含水率、Gw为4℃下水的比重，einsitu为土体的原位状态孔隙比。
2、制备原状空心圆柱试样和装样：从块状样上削取原状空心圆柱试样。原状空心圆柱试样示意图见图2(b)所示，其标准尺寸为内径di＝60.0mm、外径do＝100.0mm、高h＝160.0mm。试样削取完毕后，将试样套上橡皮膜(市场购置普通橡皮膜)后，安装在空心圆柱扭剪仪上。该空心圆柱扭剪仪为英国GDS公司生产的DYNHCA 5Hz型空心圆柱扭剪仪。
3、试样饱和：从零开始同时增加内外围压的大小，当内外围压达到20kPa时开始从零增大反压大小。内围压、外围压和反压均按照1kPa/min的速率线性增大，在增大的过程中，始终保持内外围压高于反压20kPa。直至反压达到500kPa且内围压、外围压达到520kPa时，停止加压。保持当前压力不变持续24h，进行试样饱和。饱和结束时，应保证测得的孔隙水压力系数至少为0.97。
4.试样固结：保持反压为500kPa不变，将内围压、外围压由520kPa开始逐渐增加，轴力从零开始逐渐增加，直到试样所受的应力处于原位应力状态。原状空心圆柱试样固结过程应力状态和原位应力状态的示意图如图3所示，安装在空心圆柱扭剪仪上的原状空心圆柱试样的最大有效主应力σ’1和最小有效主应力σ’3都与现场原位土体的应力状态σ’1、σ’3保持一致。保持反压、内外围压和轴力不变，对试样进行固结并记录固结过程中的排水量ΔV(单位mm3)。当超静孔隙水压力消散至0并且试样的体积应变速率不超过0.003％/h时，固结完成。
5、计算扰动指数DI(Disturbance Index)：依据固结过程中的排水体积ΔV、试样尺寸(do外径，di内径)和原位状态土样孔隙比einsitu，计算土样固结结束后孔隙比econso，计算公式为
Figure BDA0003362574080000053
计算结果应精确到0.001。进一步地，计算扰动指数DI，计算公式为
Figure BDA0003362574080000054
其中：DI为计算扰动指数、ΔV为排水量、einsitu为土体的原位状态孔隙比、econso为土样固结结束后孔隙比、h为原状空心圆柱试样高度、do为原状空心圆柱试样外径、di为原状空心圆柱试样内径。
6、使用本发明方法评价试样扰动程度：根据DI值进行试样扰动程度的评价。当DI值小于0.030时，表示试样为极小扰动试样；DI处于0.030-0.046之间时，表明试样为较小扰动试样；DI处于0.046-0.100之间时，表示试样为较大扰动试样；若DI值大于0.100，则代表试样为极大扰动试样。需要说明的是：极小扰动试样代表试样与原位土体的组成、结构近似完全一致，试验中认为该试样的力学性质能够完全代表原位土体；较小扰动试样代表试样与原位土体相比，有了轻微的结构变化，但在实际工程设计与施工过程中可以忽略不计；较大扰动试样代表试样与原位土体相比，结构发生了明显的变动，此时试样的力学性质与原位土体的力学性质相差较大，试样的力学试验结果不能代表原位土体的力学性质；极大扰动试样则代表试样已经经过了非常大的扰动，该试样的力学试验结果完全不能反应原位土体的力学行为。
7、试样剪切、卸载及清洁仪器：评价完成后，若试样为较小扰动或极小扰动的试样，则可以进行后续剪切阶段的试样剪切。若试样属于较大扰动或极大扰动范围，则该试样拆除，重新制备原状空心圆柱试样。重新制备原状空心圆柱试样进行评价和试验的流程参照步骤2～步骤6，直到试样满足较小扰动或极小扰动的条件，再进行试样剪切。按照规范《地基动力特性测试规范》(GB/T 50219-1611)的指导，试样剪切时剪切应变速率宜为0.05％/min，试验进行至试样轴向应变≥15％后停止。剪切完成后卸载围压、轴力和扭矩并进行排水。关闭电机，卸下试样，擦拭仪器。对于每一个试样，剪切得到的结果为一条应力应变曲线，绘制在偏应力-轴向应变坐标轴上。
需要说明的是，在本实施例1的评价方法中，步骤2、步骤3、步骤4、步骤5、步骤6和步骤7应对每一个在步骤1中取得的原位块状样分别进行，共进行五次。最终分别获得同一取样点、同一取样深度(H＝18m)的五个平行试样的扰动程度评价结果，如图4所示。其中：试样1、试样4对应DI值分别为0.027、0.024，均属于极小扰动试样；试样5对应的DI值为0.031，属于较小扰动试样；试样2和试样3对应DI值分别为0.086、0.078，均属于较大扰动试样。步骤7将试样1、试样4和试样5分别进行后续剪切阶段的试样剪切，记录下其对应的应力应变曲线，如图5所示。这些试样所对应的应力应变曲线结果接近，规律变化符合相关文献所提出的典型残积土应力应变曲线(X.W.Zhang,X.Y.Liu,C.Chen,L.W.Kong,G.Wang.Engineering geology of residual soil derived from mudstone inZimbabwe.Engineering Geology,2020,277:105785)，说明本发明的评价方法所得到的原状空心圆柱试样扰动程度评价结果具有较高的准确性、合理性。
实施例2：
本实施例2所使用的试验材料为与实施例1来自同一取样点的花岗岩残积土和全风化花岗岩。本发明中所有涉及到基本土工试验的步骤(包括步骤1)严格参考规范《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)进行，所有涉及到空心扭剪试验的相关步骤(包括步骤2、步骤3、步骤4、步骤7)则严格参考规范《地基动力特性测试规范》(GB/T 50219-1611)进行。
在运用本发明的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法进行试样扰动程度评价之前，根据以往方法(一种利用剪切波速评价软弱土扰动程度的方法，专利申请号为：201110123581.4)指导，分别在取样深度为H＝25m处的全风化花岗岩和取样深度为H＝18m处的花岗岩残积土现场取样点使用表面波测试装置进行现场波速测试，获得其分别对应的原位剪切波速Vs。
一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法，其步骤是：
1、计算原位状态土样孔隙比：在全风化花岗岩取样点采用人工挖取块状样的方法取得取样深度为H＝25m处的一块边长为30cm的方形块状样；在花岗岩残积土取样点采用人工挖取块状样的方法取得取样深度为H＝18m处的一块边长为30cm的方形块状样。小心运回实验室后，根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)进行密度ρ、比重Gs和含水率w的测试。依据测得的ρ、Gs、w，通过公式
Figure BDA0003362574080000061
i＝1,2,3.计算原位状态下的孔隙比。最终取3次平行实验的结果作为原位孔隙比，即
Figure BDA0003362574080000062
(其中i代表试验次数)。其中：ei为单次平行试验测量获得的孔隙比、ρi为单次平行试验测量获得的密度、Gsi为单次平行试验测量获得的比重、wi为单次平行试验测量获得的含水率、Gw为4℃下水的比重，einsitu为土体的原位状态孔隙比。
2、制备原状空心圆柱试样和装样：从块状样上削取原状空心圆柱试样，其标准尺寸为内径di＝60.0mm、外径do＝100.0mm、高h＝160.0mm。试样削取完毕后，首先利用便携式压电陶瓷弯曲元装置进行室内试样剪切波速的测定，测得其对应的室内剪切波速Vs1。测试结束后，将试样套上橡皮膜(市场购置普通橡皮膜)后，安装在空心圆柱扭剪仪上。该空心圆柱扭剪仪为英国GDS公司生产的DYNHCA 5Hz型空心圆柱扭剪仪。
3、试样饱和：从零开始同时增加内外围压的大小，当内外围压达到20kPa时开始从零增大反压大小。内围压、外围压和反压均按照1kPa/min的速率线性增大，在增大的过程中，始终保持内外围压高于反压20kPa。直至反压达到500kPa且内围压、外围压达到520kPa时，停止加压。保持当前压力不变持续24h，进行试样饱和。饱和结束时，应保证测得的孔隙水压力系数至少为0.97。
4.试样固结：保持反压为500kPa不变，将内围压、外围压由520kPa开始逐渐增加，轴力从零开始逐渐增加，直到试样所受的应力处于原位应力状态。保持反压、内外围压和轴力不变，对试样进行固结并记录固结过程中的排水量ΔV(单位mm3)。当超静孔隙水压力消散至0并且试样的体积应变速率不超过0.003％/h时，固结完成。
5、计算扰动指数DI(Disturbance Index)：依据固结过程中的排水体积ΔV、试样尺寸(do外径，di内径)和原位状态土样孔隙比einsitu，计算土样固结结束后孔隙比econso，计算公式为
Figure BDA0003362574080000071
计算结果应精确到0.001。进一步地，计算扰动指数DI，计算公式为
Figure BDA0003362574080000072
其中：DI为计算扰动指数、ΔV为排水量、einsitu为土体的原位状态孔隙比、econso为土样固结结束后孔隙比、h为原状空心圆柱试样高度、do为原状空心圆柱试样外径、di为原状空心圆柱试样内径。
6、使用本发明方法评价试样扰动程度：根据DI值进行试样扰动程度的评价。当DI值小于0.030时，表示试样为极小扰动试样；DI处于0.030-0.046之间时，表明试样为较小扰动试样；DI处于0.046-0.100之间时，表示试样为较大扰动试样；若DI值大于0.100，则代表试样为极大扰动试样。需要说明的是：极小扰动试样代表试样与原位土体的组成、结构近似完全一致，试验中认为该试样的力学性质能够完全代表原位土体；较小扰动试样代表试样与原位土体相比，有了轻微的结构变化，但在实际工程设计与施工过程中可以忽略不计；较大扰动试样代表试样与原位土体相比，结构发生了明显的变动，此时试样的力学性质与原位土体的力学性质相差较大，试样的力学试验结果不能代表原位土体的力学性质；极大扰动试样则代表试样已经经过了非常大的扰动，该试样的力学试验结果完全不能反应原位土体的力学行为。
其它实施步骤与实施例1相同。
使用以往方法评价试样扰动程度：参照专利(一种利用剪切波速评价软弱土扰动程度的方法，专利申请号为：201110123581.4)描述，根据测得的原位剪切波速Vs和室内剪切波速Vs1计算扰动程度lD＝(Vs1/Vs)2。若lD大于0.49，则认为土样不扰动；若lD处于0.25-0.49之间，则认为土样受到轻微扰动；若lD处于0.09-0.25之间，则认为土样受到显著扰动；若lD小于0.09，则将土样判断为完全扰动。
需要说明的是，在本实施例2的评价方法中，步骤2、步骤3、步骤4、步骤5、步骤6和步骤7应对每一个在步骤1中取得的全风化花岗岩、花岗岩残积土原位块状样分别进行。
本实施例2使用两种不同评价方法得出的试样扰动程度评价结果见图6，其中本发明的评价方法由上方框图表示，以往发明的评价方法用下方坐标轴表示。根据本发明提供的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法可得，实施例2所使用的花岗岩残积土原状空心圆柱试样DI值为0.025，为极小扰动试样；DI值为0.029，为极小扰动试样。而根据以往发明提供的评价方法(一种利用剪切波速评价软弱土扰动程度的方法，专利申请号为：201110123581.4)可得，实施例2所使用的花岗岩残积土原状空心圆柱试样lD值为0.51，为不扰动试样；全风化花岗岩空心圆柱试lD值为0.39，为轻微扰动试样。对于花岗岩残积土，两种方法给出的评价结果类似，但对于全风化花岗岩，以往方法对于试样的扰动程度略有高估，这可能是由于以往方法没有考虑到原位应力状态而造成的。另外，相对以往方法需要额外采取的仪器和操作，本发明提供的评价方法则更为简便。
对比试验：
为了评价扰动程度对后续剪切阶段结果的影响，根据本发明提供的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法，本对比试验采用了实施例1中被评价为较大扰动的试样2、试样3进行剪切。剪切对应的应力应变曲线结果见图7所示，其中上侧三条实线代表实施例1中试样1、试样4和试样5的结果，下侧两条虚线代表该对比试验中试样2、试样3的试验结果。相比起被划分为极小扰动试样的试样1、试样4和被划分为较小扰动试样的试样5的结果，受到较大扰动的试样2、试样3对应的应力应变曲线强度明显偏低，同样符合相关文献的研究(X.W.Zhang,X.Y.Liu,C.Chen,L.W.Kong,G.Wang.Engineering geology ofresidual soil derived from mudstone in Zimbabwe.Engineering Geology,2020,277:105785)。由此可见，本发明提供的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法，可以准确地评价残积土试样在运输、制样和装样过程中所受到的扰动程度大小，保证空心扭剪试验结果的准确性。
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 (5)

1.一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法，其步骤是：
A、取块状样并计算原位状态土样孔隙比：取原状块状样，根据进行密度、比重和含水率的测试，依据测得的密度ρ、比重Gs和含水率w，通过公式
Figure FDA0003362574070000011
计算原位状态下的孔隙比ei，对同一个块状样应进行3次平行试验，取3次平行试验结果的平均值为土体的原位状态孔隙比，即
Figure FDA0003362574070000012
其中：ei为单次平行试验测量获得的孔隙比、ρi为单次平行试验测量获得的密度、Gsi为单次平行试验测量获得的比重、wi为单次平行试验测量获得的含水率、Gw为4℃下水的比重，einsitu为土体的原位状态孔隙比；
B、制备原状空心圆柱试样和装样：根据地基动力特性测试规范的要求，削取原状空心圆柱试样，将试样套上橡皮膜后，安装在空心圆柱扭剪仪上；
C、试样饱和：从零开始同时增加内围压、外围压和反压的大小，至反压达到500kPa且内围压、外围压达到520kPa，保持当前压力不变持续24h，进行试样饱和，孔隙水压力系数达到0.97或以上时，停止饱和；
D、试样固结：保持反压为500kPa不变，将内围压、外围压由520kPa开始逐渐增加，轴力从零开始逐渐增加，直到试样所受的应力处于原位应力状态，保持反压、内外围压和轴力不变，对试样进行固结并记录固结过程中的排水量ΔV，超静孔隙水压力消散至0并且试样的体积应变速率不超过0.003％/h时，固结完成；
E、计算扰动指数DI：依据固结过程中的排水体积ΔV、试样尺寸和原位状态土样孔隙比，计算土样固结结束后孔隙比econso，计算公式为
Figure FDA0003362574070000013
进一步地，计算扰动指数DI，计算公式为
Figure FDA0003362574070000014
其中：DI为计算扰动指数、ΔV为排水量、einsitu为土体的原位状态孔隙比、econso为土样固结结束后孔隙比、h为原状空心圆柱试样高度、do为原状空心圆柱试样外径、di为原状空心圆柱试样内径；
F、评价试样扰动程度：根据DI值进行试样扰动程度的评价，DI值小于0.030时，表示试样为极小扰动试样；DI处于0.030-0.046之间时，表明试样为较小扰动试样；DI处于0.046-0.100之间时，表示试样为较大扰动试样；DI值大于0.100，则代表试样为极大扰动试样；
G、试样剪切、卸载及清洁仪器：评价完成后，试样为较小扰动或极小扰动的试样，进行后续剪切阶段的试样剪切，试样属于较大扰动试样或极大扰动试样，则该试样拆除，重新制备原状空心圆柱试样，重新制备原状空心圆柱试样进行评价和试验的流程参照步骤2～步骤6，直到试样被评价为较小扰动试样或极小扰动试样，再进行试样剪切，按照规范的指导，试样剪切时剪切应变速率为0.05％/min，试验进行至试样轴向应变≥15％后停止，剪切完成后卸载围压、轴力和扭矩并进行排水，关闭电机，卸下试样，擦拭仪器。
2.根据权利要求1所述的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法，其特征在于：所述步骤(A)中，计算原位状态下的孔隙比ei所使用的原状试样应为人工挖取的块状样。
3.根据权利要求1所述的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法，其特征在于：所述步骤(C)中，试样饱和时反压为500kPa，反压增大速率应设置为1kPa/min。
4.根据权利要求1所述的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法，其特征在于：所述步骤(D)中，试样固结时的应力与原位应力一致。
5.根据权利要求1所述的一种残积土的原状空心圆柱试样扰动程度的评价方法，其特征在于：所述步骤(E)中，计算土样固结结束后孔隙比econso为0.001。
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