扰动土样制备方法研究

何家明，魏松，陈磊，徐海龙

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 引言

天然结构受到破坏或含水率发生变化的土称为扰动土，制备目标含水率、干密度的扰动土样并通过室内试验获得相应物理、力学性质是常用方法。而室内进行土体的物理、力学性质试验时，受取样方法、土样运输、土样养护等因素影响，根据所谓的原状土样测得的结果往往不能直接体现原状土的各类性质，基于扰动土样开展土工试验是常见手段，不同方法对试验结果有何影响目前研究较少，如何制备目标含水率及干密度的扰动土样是测定原状土各类物理、力学性质的重难点之一[1]。

土工试验规程（SL237-1999）中扰动土样制备的方法有三种[2]。第一种是击样法，是通过击实的方法将土压入环刀内。击样法操作简单，但是由于击实过程中土样受到冲击荷载的反复作用，土样的均匀性、土体结构及其他力学性质会受到一定影响。第二种是击实法，是将大块土样用击实器械按照一定密度击实后，用脱模器械将土样从击实筒中推出，然后用环刀切取土样。击实法通过人工压入环刀和削土，避免了冲击荷载对土样的影响，但是该方法操作繁琐，土样耗费大，并且不可避免地由于人为压力不均匀对土样造成一定的影响[3]。第三种是压样法，是将湿土放置于压模内，以静压力将土压至一定高度，再用推土器将土样推出。压样法不仅操作简便，节省土样，避免了冲击荷载对土样的反复作用，且静压的方式可以使土样密实度更加均匀。

试样制备作为各类土工试验的基础，其准确性的影响程度毋庸置疑，国内外岩土工程领域对于试样制备技术进行了反复试验研究。20世纪80年代，Hyde[4]采用泥浆加压固结制样法制备土样，将通过旋转式分离机的黏土泥浆采用空气压力机施加固结压力进行固结。张园根等[5]依照真空预压技术的原理设计了室内真空预压黏土制样方法，采用真空泵将覆盖在砂垫层和水平抽水通道的密封膜内气体和水抽出，通过排水量的变化控制土样中含水率的大小。李红艳等[6]介绍了人工拌合-击实法、击实-浸泡法和固结-渗透淋滤法三种重塑污染土样的制备方法并比较其优缺点及适用范围。

室内土样制备的方法根据目标含水率的大小有泥浆制样法、湿土制样法以及干粉制样法[7]。本次试验制备含水率介于液塑限之间的扰动土，故采用湿土制样法。试验通过击实和压样两种制样方法进行粉质黏土试样制备，通过土样含水率、干密度两个指标与目标值大小进行比较，从而确定扰动土样制备方法的可行性。

2 扰动土样制备试验

2.1 试验方案

本次试验采用控制变量法，通过击实、压样两种土样制备方法制备直径Φ61.8mm，高20mm，含水率分别为 10%、15%、20%，干密度分别为 1.5g/cm3、1.6g/cm3、、1.7g/cm3、的扰动土样。相同干密度下制备三组不同含水率土样，每一组含水率土样制备3个土样做平行试验。

2.2 试样制备注意事项及预备程序

为确保试验方法的可靠性与试验结果的代表性，本次样品制备遵循统一的制备程序。扰动土制备程序包括风干、碾散、过筛、匀土、分样和贮存等预备程序及试样制备程序。

土工试验规程中规定[2]，同一组扰动土样的含水率与目标含水率之差不能超过±1%；同一组扰动土样的干密度与目标干密度之差不得大于±0.01g/cm3。因此本文通过比较目标含水率、干密度与实际含水率、干密度差值确定试验方法的可行性。

2.2.1 扰动土取样

试验用土为粉质黏土。对土料进行了基本的物理技术指标测定，测定结果如表1所示。

由于取样时受到天气及场地施工影响，土样的原状结构及天然含水率受到扰动，因此对其重塑用以研究不同扰动土样制备方法的可行性。

土样的基本物理指标 表1

2.2.2 制备扰动土样的预备程序

将取回的大体积块状土简单筛分，先剔除土中孔径较大的岩石颗粒，然后在实验室内对土料进行碾散，碾散的过程中要注意切勿压碎颗粒。将碾散后的土料在无建筑物遮挡且通风情况良好的区域风干。

将风干、碾散后的土料过筛。本次试验属于常规水理试验，使用孔径为2mm的圆孔筛。将过筛后的土料取一部分测定其风干土含水率，其余的用保鲜膜包裹起来，留着待后续试验所用。

2.3 试样制备

2.3.1 击实法

根据土样颗粒级配、含水率，选择干土法轻型击实。将击实筒置于坚硬地面，筒壁内侧涂抹一层凡士林，联接击实筒和底板并安装好护筒。取制备好的土样分3层倒入击实筒内，每层土料质量600～800g，每次倒入筒内的土量可使击实后的土样略高于筒高的1/3。土料倒入击实筒后整平表面，并稍加压紧，然后按每层25次击进行击实，击实时击锤自由垂直落下，锤迹均匀分布于土样表面。每层击实后，将土样层面刨毛，然后再装上护筒，重复上述方法进行各层土的击实。击实后用修土刀沿套筒内壁刮削，使试样与套筒脱离后，扭动并取下套筒，齐筒顶削平土样，拆除底板，擦净筒外壁，称量，准确至1g。用脱模器械推出击实筒内土样，用规格为直径Φ61.8mm、高20mm的不锈钢环刀从击实土样中切取试样，同时测定其含水率、干密度指标。

2.3.2 压样法

根据目标干密度称取经过预备程序的烘干土样，确定目标干密度下不同含水率的数值，计算加水质量，将加水后搅拌均匀的土样装入密封袋润湿一昼夜。采用油压千斤顶制备标准环刀样，压样器底板与顶板由三根支撑柱联接，油压千斤顶置于底板上，将闷料后的土样称重放置在规格为直径Φ62mm，高50mm的标准不锈钢环刀中，用两块同等直径，高20mm的金属压饼放置在环刀中，其中一块压饼在10mm处做有标记。将装有压饼的环刀用千斤顶压住，直至压到上面一块压饼标记的10mm处，此时土样规格即为直径Φ61.8mm，高20mm。为使制备的土样密实均匀，每次压样持续静压0.5h。将内含土样的环刀从压样器上取下来，用同等直径的推土器与大环刀样重合，再利用压饼及千斤顶的组合荷载将土样推出，同时测定其含水率、干密度指标。

图1 击实法制样图

图2 压样法制样图

2.4 土样含水率、干密度的测定

采用烘干法进行土样含水率及干密度的测定。在制备土样前选取标准尺寸环刀，记录其编号并称重。将制备的环刀样称重后放置在烘箱中，在设定烘箱温度为105℃下烘至恒重（约12h）。将烘干后的试样拿出放置在干燥器内冷却至室温后称量环刀加干土重量。

为减少试验误差，每个目标含水率、干密度分别做6组平行实验。含水率按式1计算，实验数据见表2：

式中w为试样含水率，单位%；m0为环刀质量，单位g；m1为环刀加湿土质量，单位g；m2为环刀加烘干土质量，单位g。

干密度按式2计算，实验数据见表3：

式中ρd为试样干密度，单位g/cm3；V为试样体积，单位 cm3。

两种制样方法制得的土样含水率 表2

两种制样方法制得的土样干密度 表3

3 试验结果分析

3.1 扰动土样含水率测定结果分析

从表2中可以得到，两种方法制备土样含水率与目标含水率的差值在1%之内，满足《土工试验规程》SL237-1999内制备扰动土样含水率的误差范围。其中目标含水率为10%、15%时，两种方法制备的土样含水率都偏小，目标含水率为20%时，两种方法制备的土样含水率都偏大；两种制样方法相比较，压样法制样含水率大于击实法制备的土样。

由于干土质量及加水质量都是严格控制的，分析得到误差来源有两点，一是加水拌合过程中未能充分搅拌造成部分土样含水率偏小或偏大；二是闷料时部分水汽残留在密封袋中使得水质量减小，造成含水率偏小。

压样法制样含水率较击实法大的原因分析是由于粉质黏土中黏粒的存在使得在持续压力荷载下土体内部水分子的运动较少，土样含水率更加均匀。两种制样方法制成土样的含水率均满足试验误差范围，说明本次试验两种制样方法均适用于扰动土样制备。

3.2 扰动土样干密度测定结果分析

从表3中可以得到，两种方法制备土样干密度与目标干密度的差值均在0.01g/cm3之内，满足《土工试验规程》（SL237-1999）内制备扰动土样干密度的误差范围。其中压样法制样干密度均略大于目标值，击实法制样干密度均略小于目标值；采用压样法制样时，其干密度值与目标值差值随含水率增大而增大。

压样法制样干密度大于目标干密度，分析是由于制备目标含水率土样时含水率偏小，导致相同重量土样下水重量偏小，干土重量偏大，烘干后土样干密度也随之偏大。而击实法制样干密度小于目标干密度，分析是由于击实土样体积过大，即使分三层击实也很难避免局部土体不密实、土样内部有空隙等因素导致同体积土样中土体重量偏小，从而使土样干密度偏小。

本次试验采用压样法制成的土样含水率、干密度均在误差范围之内，说明了采用油压千斤顶制成的制样器械进行压样法是合理的，该设备具有施加荷载均匀、操作方便等优点，可作为制备扰动土样专门试验仪器。

4 结论

本文通过击实、压样两种制样方法制备粉质黏土试样，将土样的含水率、干密度与目标值进行比较，得到以下结论：

①击实、压样两种制样方法制得粉质黏土试样的含水率、干密度均满足规范中制样误差要求，说明两种制样方法均可用于制备粉质黏土的扰动土样。

②本文采用油压千斤顶制成的制样器械进行压样法具有合理性，该设备具有施加荷载均匀、操作方便等优点，可作为制备扰动土样专门试验仪器。