[发明专利]一种无粘性土三轴试样的制样方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种无粘性土三轴试样的制样方法，属于土木工程学科的土体力学性能测试领域。

背景技术：

以砂土为代表的无粘性土用作道路或建筑物的基础时能够提供较大的承载力，且后期沉降较小；无粘性土的特性是不具有粘聚力和塑形，在动水压力或振动荷载作用下，无粘性土存在液化、管涌等潜在的工程隐患。因此，在工程设计时，必须通过试验获得无粘性土相关的力学特性。

目前，无粘性土的力学特性测试通常通过常规三轴试验完成，该试验将土体做成直径3.91cm、高8.0cm左右的圆柱形标准三轴试样，进行加载测试。所以，制作高质量的重塑无粘性土试样是进行该测试的前提条件。

但是，由于无粘性土不具有粘聚力且摩擦角大的特性，采用传统的制样方法，很难保证无粘性土试样的均匀性和试样总体密度，试样成形后易散落、易倾斜，制作过程中也容易对试样造成损伤、损坏，甚至无法制作成形，不易操作，严重影响了无粘性土试样的力学性能检测。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种无粘性土三轴试样的制样方法，以解决现有技术中的试样难以压密成型、均匀性差、易损坏等缺陷。本发明通过增加人工冻融过程，增加制样过程中无粘性土颗粒间的粘聚力、同时减少其摩擦角，精确的控制试样总体密度和形状，而且能使试样密度更加均匀。

为了达到上述目的，本发明采取的解决方案如下：

一种无粘性土三轴试样的制样方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将散粒状无粘性土烘干，将适量的拌合水加入到无粘性土中并拌制均匀；（2）将含水的散粒状无粘性土冷冻一段时间，使其颗粒表层形成冰晶和水的冰水混合物，该冰水混合物能够有效增加无粘性土颗粒之间的粘聚力，同时减小了其摩擦角；（3）将冷冻状态下的无粘性土进行三轴试样的制作，由于增加了颗粒之间的粘聚力，使得圆柱体试样容易成形且不易散落；由于减小了摩擦角，使得制作过程中三轴试样容易压密至设计密度；（4）将步骤（3）制作的三轴试样放入冷冻设备中保存；（5）将冷冻保存的三轴试样静停一段时间，待内部冰晶全部融化后，同时其粘聚力和摩擦角也均回到原始状态下，即可进行传统的三轴试验。

进一步的设置在于：

步骤（1）中，加入到无粘性土中拌合水的质量为最优粘聚冷冻含水率与烘干后无粘性土质量的乘积。

所述的最优粘聚冷冻含水率，其通过直剪试验测得，是指冷冻后无粘性土颗粒间产生较大粘聚力、较小摩擦角时对应的初始加入拌合水的质量与干燥状态无粘性土质量的比值。不同颗粒级配的无粘性土对应的数值有所不同，试样制作前必须进行对应土体的最优粘聚冷冻含水率测试。

所述最优粘聚冷冻含水率测定方法如下：将散粒状无粘性土烘干粉碎；将不同的拌合水加入到无粘性土中并拌制均匀，获得不同含水率的无粘性土；将不同含水率的无粘性土冷冻，使其颗粒表层形成冰晶和水的冰水混合物；在冷冻状态下制作直剪试样，并按初始含水率的不同分成对称两份；一份直接进行冷冻状态下的直剪试验，另一份静停一段时间，待试样内部冰晶融化回复常温后，进行常温状态下的直剪试验；根据两种状态的实验结果，分别计算各初始含水率下无粘性土的摩擦角和粘聚力；选择冷冻状态下粘聚力较大、摩擦角较小的初始含水率为无粘性土最优粘聚冷冻含水率。

所述的最优粘聚冷冻含水率，评价的优先顺序依次是冷冻状态粘聚力较大、冷冻状态摩擦角较小、与常温状态相比冷冻状态的摩擦角减小值较大，各自的允许误差为0.15。

所述的三轴试样，安放在三轴仪对应的试样基座上时，其内部颗粒间仍有冰晶存在。

所述的三轴试样，三轴加载前，冰晶全部融化，无粘性土的粘聚力和摩擦角均回到原始重塑状态。

所述的三轴试样，其直径为3.91cm，高度为8.00cm。

所述的三轴试验，最后仍在常温下进行。

本发明在制样过程中增加的冷冻、融化过程，仅是无粘性土颗粒周围水分的物理状态变化，在保证重塑无粘性土制样效果的同时，对无粘性土自身的力学特性没有影响。

本发明还提供一种优选的无粘性土三轴试样的制样方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）、干土准备。按照设计的试样干密度R、三轴试样个数N₁和辅助直剪试样个数N₂，计算三轴试样和辅助直剪试验所需无粘性土的干燥状态下的质量M₁和M₂。

（2）、最优粘聚冷冻含水率测定。通过直剪试验，测定无粘性土的最优粘聚冷冻含水率W。