潘勇志 郑顺华

摘 要：本文以标准砂为试样，介绍一种重塑冻结砂土空心圆柱试样的制备方法，通过落雨法初步制备，再抽真空进行饱和，最后通入冷气形成冻结砂土空心圆柱试样，进而模拟在自然条件下形成的天然冻结砂土层，以备后续土工试验的开展。

关键词：空心圆柱试样；砂土冻结；制样；安装；饱和

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.189

1 引言

为研究复杂应力路径下冻土的力学性质，目前最为先进的试验机是冻土空心圆柱仪，它能够通过独立控制外围压、内围压、轴向力、扭矩和温度来模拟不同温度冻土的多种复杂应力路径，如可模拟地震荷载、车辆荷载和波浪荷载等。试验的第一步便是制样与装样，试样的制备和饱和方法有很多，而对于不同的制样方法也对应模拟不同成因的砂土。目前的砂性土空心圆柱试样的制样方法有水中砂雨法制样、分层湿捣法制样和落雨法制样；试样饱和方法也有通入CO2、通入无气水饱和和抽真空以提供反压饱和三种。本文重点介绍落雨法制样和抽真空进行饱和，进而模拟天然砂土层，为后续的试验提供制样方法的选择。

2 试样制备用砂

本次研究中采用的砂样是一种级配均匀的标准中砂，测定土体的物理性质指标参数见表1。表中d50为平均粒径，Cu为不均匀系数，Cc为曲率系数，γ为容重，Gs为砂粒比重，emin为最小孔隙比，emax为最大孔隙比。

3 试样制备与饱和

目前，研究冻土在复杂应力路径下的力学响应特征是一个复杂的土工试验，本文仅讨论针对标准砂这种材料的制备安装与饱和固结。冻土空心圆柱试样的尺寸为：外径100mm，内径60mm，高200mm。

3.1 制样过程

选取粒径小、分布均匀且无杂质的散粒状ISO标准砂约1650g待用，取下压力室的不锈钢带透水石底座，反置后取与内径大小相同的乳胶膜穿过其中作为内膜，将端部内膜外翻并用内膜下封口O形环和若干橡皮圈绑扎密实后，往内膜注水，检查内膜是否破裂和连接处是否密实，若不漏水即为成功，否则拆下重新安装，再将整体置于基座卡槽上固定住，拧紧螺丝，注意内膜平整，在透水石上铺上滤纸。

取两半环状内支撑筒竖立于底座内缘，使内膜内侧与支撑筒外侧贴合密实。取合适高度的纱布绕内膜顺时针平滑裹紧约两周半，用胶带贴紧，以防止试验时砂粒磨破内膜。取双层乳胶膜套在底座外缘作外膜，用外膜下封口O形环和若干橡皮筋绑扎密实，再将两半环状不锈钢外支撑筒安装在外膜外面，使外支撑筒内侧与外膜外侧贴合紧密。外膜长度应比支撑筒稍长以便后期外膜上端固定，此时，底座、内膜和外膜初步形成空心圆柱空间。

将外膜沿外支撑筒顶部外翻，注意要使之与外支撑筒内侧贴合，用可伸缩锁环固定外支撑筒。用漏斗以“落雨法”绕内膜和外膜形成的环空往初步形成的空心圆柱空间均匀注入已称量好的砂粒，落砂时要确保每份砂土的初始高度相同并保持相同落距，以求砂粒分布更能够模拟自然形成的砂土。分三次进行注砂，每进行一次用捣棒充分振捣，并用软毛刷将附着于纱布外的细砂扫落，直至空腔填满为止。装砂时应保证内膜和外膜平整直立。

將压头置于装好的砂样顶部并固紧，将内膜上端外翻与压头顶盖凸起沿口处贴合固定，套上内膜上封口O形环以密封，同时把外膜翻起，固定在压头上端并用外膜上封口O形环箍紧。随后对试样抽真空，一段时间后试样内部为负压状态，试样更为密实，砂土由散粒状变为直立空心圆柱且与内外膜紧密贴合。打开油箱阀门从试样底部往试样内腔注油加压，内腔空气外排，注油到一定量后开始缓缓将内支撑筒取出。待观察管出现“喷油”现象表明内腔油已满溢，关闭油箱阀门。将不锈钢顶盖对准刻槽放于压头上，拧紧螺丝，使内腔形成密闭空间。再将外支撑筒取下，将试样移进压力室内，调整加载杆与压头位置使之对中并与顶盖紧密结合。控制压力室下放，再往试样外腔注油加外压，试样的初步制备完成。

3.2 试样饱和及冻结

当空腔内真空度接近一个大气压后持续抽气一段时间，试样内部在负压条件下更加密实。取提前计算好的无气水（约950ml），通过管道注入试样中，在负压作用下，无气水缓缓被吸入到试样直至饱和。通过管道往试样内通入循环冷气流进行冻结，达到预计温度后维持此温度。此时，重塑冻结砂土空心圆柱试样的制备全部完成，可以进行后续实验。

4 结语

本文以标准砂为试样，介绍一种重塑冻结砂土空心圆柱试样的制备方法，通过落雨法初步制样，再抽真空进行饱和试样的制备，最后通入循环冷气流形成冻结砂土空心圆柱试样，模拟在自然条件下形成的天然砂土层。该方法操作简便易行，试验效果较好，但试样制备过程中应尽量减少人为因素和环境因素的影响，以保证试样的最佳效果。

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作者简介：潘勇志（1996-），男，广东茂名人，本科，研究方向：冻土力学与工程。