冻结方式对粉质粘土含水量和干密度分布的影响

冻结方式对粉质粘土含水量和干密度分布的影响

0冻土试样的制备冷土壤是由矿物、颗粒和气体组成的不均匀、多相和多孔材料，由冰和其他矿物组成，这与普通土壤不同。冷块的物理和机械性质取决于温度和湿度。冻土的物理、力学性质是冻土区各项工程设计的关键参数,而选用合适的样品进行测试是获得这些参数的关键,无疑的,选用原状土是最合适的.但是,由于受到如钻探、运输等各种因素的影响,毫无扰动的原状样品是不容易获得的,大量的试验更是无法利用原状样品来进行.室内实验时必须选用合适的样品进行测试,但冻土作为一种特殊材料强烈受外界因素如土温、含水量、干容重乃至人为活动等影响,外界条件的微小波动,可使实验结果相差很大.因此,室内实验中,前期的样品制备和加工关系到后期各项实验的进行与精确度,关系到实验数据与结果的可靠性,其中,样品的均匀性是最重要的也是最基本的条件之一.从细观上讲,样品均匀与否,直接关系到样品内部颗粒及水分等是否均匀分布,样品含有的初始损伤的大小,从而是否能减少对后续试验如CT扫描、电镜分析等微细观结构试验研究的干扰.前人研究了多种室内制样方法,最后形成的最常用的制样方法有分层击实法和固结法两种,后来的研究表明,这两种方法各有优缺点.基于这种情况,我们在标准制样机的基础上,尝试了一种两头压实制样方法.结果表明,与分层击实法和24h固结法相比,这种方法得到的试样含水量及干密度分布都比较均匀.由于冻土的特殊性,制作冻土试样的时候,还必须面对将常规土样如何冻结的问题.有学者进行了分层压实冻结土样与不分层压实冻结土样均匀性的对比,但却没有比较不同冻结方法对试样均匀性的影响,常用冻结为单向冻结和多向冻结.通过前文对制样方法的比较,本文对两种不同土质即兰州黄土和青藏高原北麓河粘土运用短时压时法,制取常规试样,并认为此时试样内部初始损伤最小,基本均匀.而后,将饱和与非饱和试样进行单向或者多向冻结,分析对比样品的含水量及干密度分布状况,确定了不同土质的冻结方法,以期能对获得最小内部结构初始损伤、较为均匀的冻结土样给予参考.1试验计划和仪器1.1青海湖东北部本次试验选用了两种土质,分别取自兰州市东岗镇(称为兰州黄土),以及青藏高原北麓河地区(称为北麓河粘土),物性指标见表1.根据国标GB50021-2001《岩土工程勘察规范》对土的分类,两种土都定名为粉质粘土,但是液、塑限以及粘粒含量都有差别,北麓河粘土的粘粒含量高于兰州黄土.1.2土体试样的制备两头压实法使用的是中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室自行研制的标准制样机,如图1.标准制样机是根据土体受到压力以后固结的特点研制的,由主机、控制箱、土样盒、卸样盒及排水系统组成.标准制样机可控加载速率13级,从0.005～50mm·min-1不等;装配高精度负荷传感器和位移传感器,液晶显示窗可实时监控加载力度和位移进度,精度为0.001kN和0.001mm.配有多种规格的压缩杆及压头,我们使用的是30kN的压缩杆以及直径61.8mm的圆形压头.1.3压头下降后试样的压实法制样及冻结方法将野外取回的土样风干、碾碎,过2mm孔径的分析筛,再进行洗盐,洗7～8d,最后晾干备用.两头压实法制取非饱水试样,是将土加蒸馏水配成所需要的含水量,置于保湿缸中12h以上,根据干密度计算所需湿土质量.将称量出来的所需湿土全部倒入制样筒,调节不同的速度使压头下降.本次试验采用两头压实的方法,当压头与土样接触时,测量此时的试样高度,并计算与最终需要的试样高度的差值l1.当压头下降到一定高度时,将试样反过来,控制加载时间及载荷大小,直至所需的试样高度.对于兰州黄土,总共的加压时间为8h;对于北麓河粘土,由于试样的均匀性相对容易控制一些,总共的加压时间为4h.压实法制样过程中使用的制样筒和底板上都没有孔,见图2,所以是不排水过程.如此操作程序,得到标准圆柱形试样.饱水试样是将土加蒸馏水配成一定含水量的湿土(一般含水量较小),用与上述非饱水试样相同的制样方法制取试样,最后按照国标GB/T50123-1999《土工试验方法标准》将试样放入专门的装置中抽气饱水,如图3,抽真空时间为1h,饱水时间为12h.常规土样制备完毕之后,装入标准模具中,分别用单向冻结法和多向冻结法进行冻结.单向冻结法是将装有圆柱形土样的标准模具四周及底部以隔热性能良好的海绵包裹起来,只在顶部垫以金属片以进行热交换,然后将之放入低温冷冻室;多向冻结法是将装有圆柱形土样的标准模具中上下的塑料垫片换成金属垫片,以保证试样四周均被金属包围,热交换均匀,将之放入低温冷冻室.试样在冷冻24h后,进行脱模,并按试样脱模时的上下位置放好,用环刀法测定密度、烘干法测定含水量.每一个试样从上至下不同部位切取4～5个环刀样,测完密度后,从中心部位和周边分别取样测试含水量.这样就可以得到各个试样不同部位的密度和含水量分布.2冻结方式对干密度的影响对饱和与非饱和兰州黄土试样分别进行了单向冻结或多向冻结2～4组实验.每组试样的实验结果即其边缘含水量,中心含水量及干密度分布见图4～7,其干密度、含水量的均值和标准差见表2.上述图中,横坐标N表示土样从上到下的不同部位.图示结果表明,对于非饱和兰州黄土试样来说,无论采用单向冻结法或多向冻结法,其边缘含水量从试样顶部到底部均有一个先增大后减小的过程,且最大值都出现在中下部位.而中心含水量的分布两者区别较大:采取单向冻结的试样,其中心含水量最大值出现在第1层,即试样的顶部,且其值远高于其余3个部位的值,这说明单向冻结方式下,试样中心含水量受冻结影响较大,水分向冷端迁移明显.进行多向冻结的试样,其中心含水量先增大后减小,趋势与其边缘含水量一致.两种方法所得试样的干密度分布趋势相同,几乎都在中下部出现一个最小值,但单向冻结所得试样干密度的变化范围较多向冻结试样为大.对于饱和兰州黄土试样而言,不同的冻结方式对含水量和干密度的分布规律影响较大.单向冻结情况下,边缘含水量的变化较无规律,而中心含水量自上而下先减少后增大,且干密度的分布也是变化较复杂;多向冻结情况下,边缘含水量的分布均较遵循先增大后减小的规律,中心含水量的分布与单向冻结时基本相反,呈现两端小,中间大的形式,而干密度分布规律为两端大中间小.从表2可以看出,非饱和兰州黄土单向冻结所得试样的干密度标准差最大值稍小于多向冻结试样,而含水量标准差均基本大于多向冻结试样,且差值较大,综合而言,对于相对更加难以控制的含水量的分布来说,多向冻结情况下所制得非饱和兰州黄土试样好于单向冻结所得.与上不同,饱和兰州黄土冻结试样无论是在单向冻结还是多向冻结情况下,其干密度和含水量的标准差相对较为一致,差值较小,反应出在饱和兰州黄土冻结试样的制备上,采取两种冻结方法所得的试样在均匀性上较为一致.图8～11给出了北麓河粘土非饱和与饱和试样分别进行的单向冻结或多向冻结2～3组实验.由图可见,对于北麓河粘土而言,无论是饱和还是非饱和状态,采取单向冻结方式所得的冻结试样的含水量及干密度的变化均较有规律:非饱和状态下,边缘含水量呈现先增大后减少的规律,中心含水量的最小值均出现于下部,干密度的变化为先减小后增大,最大值出现于两端;饱和情况下,边缘含水量两组实验变化趋势相当一致,其值呈现出大小间隔的振荡趋势,最小值出现于下部,中心含水量值从上而下基本为下降趋势,而干密度的变化正好相反,为一直上升的形式.相对应的,运用多向冻结方法所得试样,在试样参数的分布上规律性较差,特别是边缘含水量的分布,几组实验出现不同的变化规律.表3给出了北麓河粘土干密度、含水量的均值和标准差.由表可见,非饱和状态下,单向冻结和多向冻结方法得到的试样,含水量和干密度的标准差均互有大小,其中最大标准差均出现于多向冻结试样中,结合图8和图9,多向冻结法所得试样边缘含水量与中心含水量之间的差值也较高,表明试样中各部位含水量差异较大.饱和状态下的北麓河粘土试样在单向冻结下所得冻结试样,无论是干密度还是含水量的标准差,总体都比多向冻结情形下的要小,反应了单向冻结所得饱和北麓河粘土试样较为均匀.3冻结方式对冻结试样的影响对两种土质即兰州黄土和北麓河粘土分别进行了饱和与非饱和状态下的单向与多向冻结实验,通过环切试样,对比分析了试样各部位含水量与干密度的分布状况.实验结果表明:不同土质,不同状态下,需要用不同的