一種無粘性土三軸試樣的制樣方法
【專利說明】
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技術(shù)領(lǐng)域： 本發(fā)明涉及一種無粘性土三軸試樣的制樣方法，屬于土木工程學(xué)科的土體力學(xué)性能測 試領(lǐng)域。
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【背景技術(shù)】： 以砂土為代表的無粘性土用作道路或建筑物的基礎(chǔ)時能夠提供較大的承載力，且后期 沉降較??；無粘性土的特性是不具有粘聚力和塑形，在動水壓力或振動荷載作用下，無粘性 土存在液化、管涌等潛在的工程隱患。因此，在工程設(shè)計時，必須通過試驗獲得無粘性土相 關(guān)的力學(xué)特性。
[0003] 目前，無粘性土的力學(xué)特性測試通常通過常規(guī)三軸試驗完成，該試驗將土體做成 直徑3. 91cm、高8. 0cm左右的圓柱形標準三軸試樣，進行加載測試。所以，制作高質(zhì)量的重 塑無粘性土試樣是進行該測試的前提條件。
[0004] 但是，由于無粘性土不具有粘聚力且摩擦角大的特性，采用傳統(tǒng)的制樣方法，很難 保證無粘性土試樣的均勻性和試樣總體密度，試樣成形后易散落、易傾斜，制作過程中也容 易對試樣造成損傷、損壞，甚至無法制作成形，不易操作，嚴重影響了無粘性土試樣的力學(xué) 性能檢測。
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【發(fā)明內(nèi)容】
： 本發(fā)明的目的在于提供一種無粘性土三軸試樣的制樣方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的試樣 難以壓密成型、均勻性差、易損壞等缺陷。本發(fā)明通過增加人工凍融過程，增加制樣過程中 無粘性土顆粒間的粘聚力、同時減少其摩擦角，精確的控制試樣總體密度和形狀，而且能使 試樣密度更加均勻。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明采取的解決方案如下： 一種無粘性土三軸試樣的制樣方法，其特征在于，包括如下步驟：（1)將散粒狀無粘性 土烘干，將適量的拌合水加入到無粘性土中并拌制均勻；（2)將含水的散粒狀無粘性土冷 凍一段時間，使其顆粒表層形成冰晶和水的冰水混合物，該冰水混合物能夠有效增加無粘 性土顆粒之間的粘聚力，同時減小了其摩擦角；（3)將冷凍狀態(tài)下的無粘性土進行三軸試 樣的制作，由于增加了顆粒之間的粘聚力，使得圓柱體試樣容易成形且不易散落；由于減小 了摩擦角，使得制作過程中三軸試樣容易壓密至設(shè)計密度；（4)將步驟（3)制作的三軸試樣 放入冷凍設(shè)備中保存；（5)將冷凍保存的三軸試樣靜停一段時間，待內(nèi)部冰晶全部融化后， 同時其粘聚力和摩擦角也均回到原始狀態(tài)下，即可進行傳統(tǒng)的三軸試驗。
[0007]進一步的設(shè)置在于： 步驟（1)中，加入到無粘性土中拌合水的質(zhì)量為最優(yōu)粘聚冷凍含水率與烘干后無粘性 土質(zhì)量的乘積。
[0008]所述的最優(yōu)粘聚冷凍含水率，其通過直剪試驗測得，是指冷凍后無粘性土顆粒間 產(chǎn)生較大粘聚力、較小摩擦角時對應(yīng)的初始加入拌合水的質(zhì)量與干燥狀態(tài)無粘性土質(zhì)量的 比值。不同顆粒級配的無粘性土對應(yīng)的數(shù)值有所不同，試樣制作前必須進行對應(yīng)土體的最 優(yōu)粘聚冷凍含水率測試。
[0009] 所述最優(yōu)粘聚冷凍含水率測定方法如下：將散粒狀無粘性土烘干粉碎；將不同的 拌合水加入到無粘性土中并拌制均勻，獲得不同含水率的無粘性土；將不同含水率的無粘 性土冷凍，使其顆粒表層形成冰晶和水的冰水混合物；在冷凍狀態(tài)下制作直剪試樣，并按初 始含水率的不同分成對稱兩份；一份直接進行冷凍狀態(tài)下的直剪試驗，另一份靜停一段時 間，待試樣內(nèi)部冰晶融化回復(fù)常溫后，進行常溫狀態(tài)下的直剪試驗；根據(jù)兩種狀態(tài)的實驗結(jié) 果，分別計算各初始含水率下無粘性土的摩擦角和粘聚力；選擇冷凍狀態(tài)下粘聚力較大、摩 擦角較小的初始含水率為無粘性土最優(yōu)粘聚冷凍含水率。
[0010] 所述的最優(yōu)粘聚冷凍含水率，評價的優(yōu)先順序依次是冷凍狀態(tài)粘聚力較大、冷凍 狀態(tài)摩擦角較小、與常溫狀態(tài)相比冷凍狀態(tài)的摩擦角減小值較大，各自的允許誤差為0. 15。
[0011] 所述的三軸試樣，安放在三軸儀對應(yīng)的試樣基座上時，其內(nèi)部顆粒間仍有冰晶存 在。
[0012] 所述的三軸試樣，三軸加載前，冰晶全部融化，無粘性土的粘聚力和摩擦角均回到 原始重塑狀態(tài)。
[0013] 所述的三軸試樣，其直徑為3. 91cm，高度為8. 00cm。
[0014] 所述的三軸試驗，最后仍在常溫下進行。
[0015] 本發(fā)明在制樣過程中增加的冷凍、融化過程，僅是無粘性土顆粒周圍水分的物理 狀態(tài)變化，在保證重塑無粘性土制樣效果的同時，對無粘性土自身的力學(xué)特性沒有影響。
[0016] 本發(fā)明還提供一種優(yōu)選的無粘性土三軸試樣的制樣方法，其特征在于，包括如下 步驟： (1 )、干土準備。按照設(shè)計的試樣干密度R、三軸試樣個數(shù)Ni和輔助直剪試樣個數(shù)N2，計 算三軸試樣和輔助直剪試驗所需無粘性土的干燥狀態(tài)下的質(zhì)量乂和M2。
[0017] (2)、最優(yōu)粘聚冷凍含水率測定。通過直剪試驗，測定無粘性土的最優(yōu)粘聚冷凍含 水率W。
[0018] (3)、混合土料制備。按步驟2測定的最優(yōu)粘聚冷凍含水率配制無粘性土土料，并 計算加入的拌合水質(zhì)量MfMfW，進行拌合。
[0019] (4)、混合土料冷凍。將拌合后的無粘性土料進行冷凍，優(yōu)選地，冷凍溫度-KTC，冷 凍時間24小時。
[0020] (5)、單樣質(zhì)量計算。計算單個試樣的所需冷凍后無粘性土冰水混合物的質(zhì)量 m= (Mi+Mg) /N〇
[0021] (6)、單樣制作成形。取出冷凍狀態(tài)的土料，稱取單個試樣所需的質(zhì)量，在常規(guī)三軸 制樣的3瓣膜中逐個制作三軸試樣。
[0022] (7)、試樣冷凍保存。將步驟6制作的三軸試樣放入冷凍設(shè)備中保存，優(yōu)選地，保存 溫度o°c。
[0023] (8)、安放至測試基座。根據(jù)試驗安排，通過常規(guī)三軸制樣設(shè)備的承模筒、對開模、 橡皮膜，將冷凍的三軸土樣取出安裝在常規(guī)三軸儀的試樣基座上。
[0024] (9)、靜停融冰。靜置一段時間，待試樣內(nèi)的冰晶全部消融，試樣進入傳統(tǒng)的常溫狀 態(tài)后，即可進行試樣的力學(xué)特性測試，優(yōu)選地，靜停時間為8小時。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點： (1)現(xiàn)有技術(shù)是在無粘性土不具有粘聚力的狀態(tài)下制樣的，本發(fā)明增加了制樣過程中 無粘性土的粘聚力，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中試樣成形后易散落、易傾斜，甚至試樣很難制作 成需所的圓柱形等缺陷； (2) 現(xiàn)有技術(shù)是在無粘性土具有較大摩擦角的狀態(tài)下制樣的，本發(fā)明降低了制樣過程 中無粘性土的摩擦角，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中試樣較難壓密至設(shè)計密度的缺陷； (3) 本發(fā)明中無粘性土顆粒粘聚力的增加，是通過改變其周圍水分和冰晶狀態(tài)的變化 實現(xiàn)的，僅僅是物理變化，冰晶僅起到類似的催化劑作用不會對無粘性土自身造成影響；三 軸試驗加載測試時，無粘性土的粘聚力和摩擦角均回到其傳統(tǒng)的重塑狀態(tài)； (4 )本發(fā)明中，無粘性土試樣的三軸試驗最后仍在常溫下進行，不需要對儀器進行任何 改裝。
[0026] (5)本發(fā)明的制樣方法，采用兩次冷凍、一次融冰；原料冷凍一次，旨在增加無粘性 土顆粒粘聚力，降低摩擦角；制樣成形后冷凍保存一次，保證試樣的強度和剛度；冷凍保存 溫度高于原料冷凍溫度，以便于后續(xù)的融冰，融冰后，無粘性土的粘聚力和摩擦角均回到原 始重塑狀態(tài)，不會對無粘性土自身造成影響。
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