0 引言
目前冻土空心圆柱仪是室内研究冻土在车辆荷载等复杂应力路径下力学特性的主要仪器，试验中为实现主应力轴方向在垂直径向平面内的连续旋转，其试样多采用薄壁空心圆柱试样，而室内重塑空心圆柱黏土试样制样方法多集中于未冻土研究中，主要有两类：一类为击实法，浙江大学张泉芳等［5］自行研制的击实器能够完成对试样的击实，但是在击实过程中试样尺寸与目标含水率、击实功、分层高度等因素存在相互影响［4］；另一类为固结法，首先由Sheeran等［6］提出，随后经Lin等［7］、纪玉诚等［8］、沈扬等［9］的研发与改进，制样技术相对成熟，但是试样在固结过程中不可避免地会出现土颗粒大小分布不均匀现象，会对试验结果产生影响。在冻土试验研究中，陈敦等［10］、雷乐乐等［11］基于冻土空心圆柱仪（FHCA-300）［12］，初步探索了主应力轴方向角、应力洛德角变化对冻土静力学特性的影响，但还未有关于冻土空心圆柱试样制样方法的研究。为此，本文借鉴冻土三轴试验的制样方法，依托冻土工程国家重点实验室现有的制样条件，自行设计加工了一套黏土空心圆柱试样的制样装置，基于该装置，经过课题组成员的反复尝试，提出了一套切实可行的黏土空心圆柱试样制样方法。
1 空心圆柱黏土试样制样装置
该制样装置用于制备外直径100 mm×内直径60 mm×样高100 mm［9］的空心圆柱试样，主要由传力杆、不锈钢外筒、不锈钢内筒、箍圈、内筒帽和带齿的上下压头组成，如图1所示。加力杆与压样机的圆柱形压头相接，其作用是将压力传递给带齿的上压头。外筒由三瓣圆弧形不锈钢金属片拼接组成，并对不锈钢外筒的内壁刨光，在外面用上、中、下三个紧箍圈固定，这样不仅保证所制备试样的完整性，而且便于脱模，减小对试样的扰动，不锈钢外筒的内直径为100 mm（与试样的外直径相同），外直径为120 mm，壁厚10 mm（保证制样过程中提供足够的刚性外护壁），筒高290 mm（保证一个试样的松土在人工振捣下能全部装入制样筒内）；内筒由两瓣半弧形的不锈钢金属片及一个长方形的抽板组成，两瓣半弧形的不锈钢的内直径为40 mm，外直径为60 mm（与试样的内直径相同），壁厚为10 mm（保证制样过程中提供足够刚度的内护壁），筒高290 mm；长方形抽板的作用是在脱模时先抽掉抽板，卸掉内筒之间的挤压力，方便内筒的脱模，内筒的外壁也刨光，便于脱模；带齿的上下压头将加载杆的压力均匀传递至试样，并使上下表面带有齿槽，避免切削过程对试样的扰动。内筒帽是一个圆形的金属盖，直径比不锈钢对瓣内筒的直径稍大，主要是防止装样时土样洒入内筒中间。
图1
图1
制样装置各部分示意图
Fig.1
The novel preparation device for remolded hollow cylinder specimen of frozen soil： stainless steel outer cylinder （a）； stainless steel inner cylinder （right） and upper pressure head （left） （b）； installation form （c）
该装置的优点有：一是对于黏土饱和样和非饱和样均可适用；二是制成的试样上直接形成齿槽，且压制试样时用的齿与试验机上的齿是完全相同的，避免人工切削过程中造成的齿槽宽窄不一、深浅不一的现象；三是通过压样机制样，采用应力控制为主、位移速率控制为辅，保证制样中试样均匀受力，避免人工击实过程中试样受力的不均匀。
但该制样设备存在以下几点不足之处：一是对于粉土和砂土，只有当试样中黏粒含量较高时（一般要大于20%），才能显著提高制样的成功率；而对于黏粒含量较低的粉土和砂土样，目前也可采用该制样装置制样，但需要先将试样冻结，然后再进行试验，但会增大对试样的扰动，后期会进一步改进制样装置，扩大该制样装置的适用范围。二是该制样装置为不锈钢材质，较为笨重，翻转装置时，存在安全风险，后期将会积极探索尝试使用新材料或改进制样装置，既保证装置的刚度，又提升制样的安全性。
2 制样方法
基于以上的制样设备，经过反复探索，提出了冻结黏土空心圆柱试样制样方法，其具体的制样步骤如下：
图2
图2
试样制备流程图
Fig. 2
The process of specimen preparation： soil mixing （a）； store mixed soil （b）； install the sample making device （c）； the hollow cylinder sample （d）
（2）安装制样装置。为便于脱模，将上下压头带齿的一边，以及外筒内侧和内筒外侧均用凡士林擦拭。随后将下压头放在试验台上，齿面朝上，内筒拼装好放置在下压头内；不锈钢三瓣外筒紧贴下压头外侧放好，装上紧箍圈，旋紧固定螺丝，盖上内筒帽，完成制样装置的安装，如图2（c）所示。
（3）装入湿土。称取一个空心圆柱试样所需要的湿土质量，分层倒入内外筒之间，并适当振捣，然后将上压头装好，带齿的一面与土体接触，完成装样。
（4）压制试样。为保证试样受力的均匀性，采用两头对称压样，压样过程采用应力控制为主，位移速率控制为辅的方法，保证两头的最大轴向力尽可能相等。经过多次的反复尝试，发现当正面位移为总位移的85%~88%时，制样过程中两头的最大轴向力比较接近。
（5）脱模。首先抽取内筒中间的长方形抽板，卸除部分内筒与试样之间的压力，然后将两瓣内筒沿试样内壁缓缓向上抽出；拆除外筒上的三个紧箍圈，将三瓣外筒逐一沿试样外壁缓缓向上抽出；最后将上下压头逐一取出，即得到所需的黏土空心圆柱试样，如图2（d）所示。
3 试样的物理力学性能测定
3.1 试样物理性能测定
在完成试样制备后，采用烘干法测定试样冻结前后的分层含水率。由于试样为空心圆柱试样，较难采用环刀法测定其干密度，因此采用切削立方体试样块配合烘干法测定其干密度，验证已制备的空心试样含水率和干密度的均匀性。含水率的测定方法：沿竖直方向将整个土样分为20层，每层高度为1 cm，每层取3个测点，将3个测点取平均值作为该层的含水率；测试分3组进行，每组两个试样，第一个试样脱模后立即用保鲜膜包裹严密，再用保鲜袋密封包好，在-30 ℃的恒温箱中冻结24小时；第二个试样脱模后，立即测定其分层含水率。干密度的测试方法：沿竖直方向将整个试样分为5部分，每部分取3个测点，将3个测点取平均值作为该部分的干密度；测试分2组，每组两个试样，一个为冻结前试样，另一个为冻结后的试样。各组试样冻结前后的分层含水率和干密度变化如图3~4所示。
图3
图3
试样从上到下冻结前后含水率变化情况
Fig. 3
The distribution of moisture content in prepared specimen
图4
从图3中可以看出，试样整体含水率最大差值为0.65%左右，说明试样的含水率自上而下分布较均匀，各层含水率在冻结前后变化较小，同时也证实了在快速冻结条件下，可以有效抑制黏土试样冻结过程中的水分迁移，保证试样冻结前后整体含水率的均匀性。对于各组试样，其平均含水率的最大差值为0.30%，说明利用该制样方法制备的试样个体间差异性较小。
3.2 试样力学特性测定
表1 试验应力路径表
Table 1
| 试验编号 | 温度/℃ | p/kPa | b | a/（°） | q/kPa |
|---|---|---|---|---|---|
| 1-1 | -10 | 4 500 | 0 | 15 | 从0开始增加，直至破坏 |
| 1-2 | -10 | 4 500 | 0 | 15 | 从0开始增加，直至破坏 |
| 2-1 | -10 | 4 500 | 0 | 30 | 从0开始增加，直至破坏 |
| 2-2 | -10 | 4 500 | 0 | 30 | 从0开始增加，直至破坏 |
| 3-1 | -10 | 4 500 | 0.5 | 15 | 从0开始增加，直至破坏 |
| 3-2 | -10 | 4 500 | 0.5 | 15 | 从0开始增加，直至破坏 |
| 4-1 | -10 | 4 500 | 0.5 | 30 | 从0开始增加，直至破坏 |
| 4-2 | -10 | 4 500 | 0.5 | 30 | 从0开始增加，直至破坏 |
表2 试验应力路径布设表
Table 2
| 试验编号 | 温度/℃ | p/kPa | b | α/（°） | q/kPa |
|---|---|---|---|---|---|
| 第一组 | -5 | 4 500 | 0 | 30 | 从0开始增加，直至破坏 |
| -10 | 4 500 | 0 | 30 | 从0开始增加，直至破坏 | |
| -20 | 4 500 | 0 | 30 | 从0开始增加，直至破坏 | |
| 第二组 | -5 | 4 500 | 0.5 | 30 | 从0开始增加，直至破坏 |
| -10 | 4 500 | 0.5 | 30 | 从0开始增加，直至破坏 | |
| -20 | 4 500 | 0.5 | 30 | 从0开始增加，直至破坏 |
3.2.1 试验数据的可重复性测定
为了测定试验结果的可重复性，在-10 ℃条件下对空心圆柱土样进行4组定向剪切试验，每组试验有两个平行试验，分别为试验一和试验二。试验的应力路径如表1所示。
图5是4组试验的轴向应力-应变曲线，从图中可以看出两组试验的应力-应变曲线均吻合较好，试样在加载过程中的强度差值最大为1.8%，说明该制样方法具有较好的可重复性。
图5
3.2.2 定向剪切试验
为了验证该制样方法制备试样的力学特性，采用三种不同的试验温度：-5 ℃，-10 ℃和-20 ℃，以及两个不同b值的试验，具体的试验方案如表2所示。
图6
图6
不同温度下应力-应变关系曲线图（δd为轴向偏应力，εa为轴向应变）
Fig. 6
The stress-strain curves at different temperature （δd is axial deviatotic stress， εa is axial strain）： b=0 （a）； b=0.5 （b）
图7
图7
加载后的试样图
Fig. 7
The specimen after loading： the sample after loading （red line indicate the deformation of the specimen） （a）； the sample top after loading （b）
4 结论
本文对冻结黏土空心圆柱试样的制样方法开展研究，在研发制样设备的基础上，提出了空心圆柱试样制样方法，得出如下结论：
（1）该制样方法可以提高制样效率，减小制样过程中人为因素的影响，可制备出含水率及干密度均匀、力学性质稳定的冻结黏土试样。
（2）对两个平行制备的冻结黏土试样的不同主应力轴方向的定向剪切试验结果进行了比较，证明了所提出的制样方法具有良好的可重复性，可用于进一步系统研究复杂条件下冻结黏土的静、动力学特性。
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甘公网安备 62010202000676号
