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膨胀率试验

2020-07-28 11:50 作者:pokerking club 点击:

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  自由膨胀率是反映黏性土的膨胀性的指标之一,对判别膨胀土有较大参考价值。由于试验所需仪器设备简单,操作简便,自由膨胀率试验是目前国内测定黏性土胀缩特性时采用较多的试验项目,但因我国现行土工试验方法标准和行业规程对自由膨胀率试验方法的一些细节的规定和说明存在不足之处,使得试验人员即使完全按标准和规程规定的方法对同一土样进行试验,也很容易出现试验结果相差较大的现象。为使自由膨胀率试验方法更完善,试验结果更稳定,分析了影响试验结果的两个主要人为因素,并针对现行的标准和规程中存在的不足提出了改进建议。

  自由膨胀率是反映黏性土的膨胀性的指标之一,它与黏土矿物成分、胶粒含量、化学成分和水溶液性质等有着密切的关系。自由膨胀率试验的目的是测定黏性土在无结构力影响下的膨胀潜势,初步评定黏土的胀缩性。由于试验所需设备少,方法简便,便于进行大量室内试验,自由膨胀率试验与土的液塑限试验相配合,可以得到比较满意的膨胀土判别结果。目前国内水利、铁路、公路、建筑等部门在自由膨胀率试验方面已积累了大量的试验资料和丰富的实践经验,现行的土工试验方法标准和一些相关的行业和部门的土工试验操作规程也对自由膨胀率试验规定了较详细、具体的试验操作步骤和方法,为试验结果的稳定性和可靠性提供了一定的保证。但受多种因素的影响,将自由膨胀率试验列入其操作规程之后,到目前为止,虽然其间指出了自由膨胀率试验在某些方面存在的问题,并提出过不同的建议和方法,但土工试验方法标准和一些相关行业的土工试验操作规程对该项试验一直未进行过修订和补充。

  经过多年的实践和研究发现,由于现行土工试验方法标准和规程中对自由膨胀率试验中的一些操作步骤的说明还存在不足之处,很容易造成不同单位、不同试验者对同一种土样进行试验时,所得自由膨胀率的结果不尽一致,甚至相差甚远,导致对膨胀土的判别和评价失当。

  为使自由膨胀率试验方法更完善,试验结果能够较好地反映黏性土的膨胀特性,并使不同单位、不同试验者的试验结果具有较好的可比性,对试验方法进行适当的修改和补充说明是必要的。

  影响自由膨胀率试验结果的因素很多,除土质等客观因素之外,试验操作方法等人为因素的影响也较大。由于受所掌握的资料和试验研究内容的限制,本文仅就试样的制备和搅拌方法进行讨论

  国家标准和各行业土工试验规程中都强调试样的制备至关重要,规定取代表性风干土样并碾碎,全部过0.5 mm 筛,然后混合均匀,烘干后备用。

  但是,这样的试样制备要求只控制了过筛试样中土团直径的最大值,而对过筛后小于0.5 mm 试样中不同直径(如0.5~0.25,0.25~0.074,0.074 mm)土粒所占的比例是无法控制的,这就使得小于0.5 mm的试样中各直径土粒分布很容易受试验人员备样等人为因素的影响而产生很大的变化。在试验中可以明显观察到,同是过0.5 mm 筛的试样,因其“级配”不同(这里借用“级配”表示试样不同土粒直径的大小分布),即使试样质量相近,自由膨胀率却可能相差很大。

  现行的标准、规程对搅拌方法和搅拌次数的说明基本相同,都是上下搅拌10 次,只是在测记时间间隔和稳定标准上存在一些差别。国家标准及各行业规程中的步骤说明和条文说明不同之处对比如下:

  (1)土工试验方法标准(GB/T50123-1999)[1]:待悬液澄清后,开始每隔2 h 测记一次土面读数(估读至0.1 mL),直至2 次读数差不超过0.2 mL 为止。该规范中未说明试样是否需要或何时进行一定时间的浸泡。

  (2)土工试验操作规程(SL237-1999)[2]:静置24 h,待悬液澄清后,开始每隔2 h 测记一次土面读数(估读至0.1 mL),直至6 h 内2 次读数差不超过0.2 mL 为止。规程中未说明试样在搅拌前是否需要一定时间的浸泡。

  (3)公路土工试验规程(JTJ051-93)[3]:待试样沉积后约每隔5 h,记录一次试样体积(估读至0.1 mL),直至2 次读数差不超过0.2 mL 为止。条文说明中强调了试样在水中浸泡24 h 后再开始测试,但未说明浸泡是在搅拌前还是搅拌后进行。

  可以发现,现行的标准、规程对试验步骤的说明不尽一致,而且有些说明较模糊。试样是否浸泡、浸泡多久、浸泡是在搅拌之前还是之后进行,其自由膨胀率试验结果是存在差异的。另外,因搅拌次数对试验结果也有明显的影响,试验时对悬液只进行1 遍上下10 次的搅拌,悬液澄清后,取土面稳定值作为土样自由膨胀率计算的代表值,是否最合适?这是值得探讨的问题

  为研究不同级配和搅拌次数对土样自由膨胀率试验结果的影响,考虑到目前国内土工试验标准、规程的实际情况及前人积累的丰富资料和经验,试验在标准、规程所限定的条件下进行,所用仪器设备规格同《土工试验方法标准》,玻璃量筒容积为50 mL。试验土样为取自湖北的5 个膨胀土样品。

  按塑性图分类,土样基本上都属于高液限黏土,与膨胀土在塑性图中的位置一致。根据膨胀土的宏观结构特征土样胀缩性相关的指标综合判别,1#和2#土样为弱膨胀土,3#和 4#为中膨胀土,5#为强膨胀土。

  在进行自由膨胀率试验备样时,不同试验者由于在力量大小、备样工具以及操作方法等方面均存在一定的差异。因此,对同一种土样、不同试验者所制备的试样,其级配不一定相同,即使是同一人、不同时间制备的试样,其级配也不相同。这就使得所制备的试样级配随机性很大,在其他条件相同的情况下很容易导致自由膨胀率试验结果可能相差较大的不合理现象。不同备样人制备的试样级配差异很大,其中C 与E 所制备的试样级配相差最大,0.074 mm 粒组的土粒含量最大相差近3.8 倍。

  为研究试样“级配”对自由膨胀率试验结果的影响,对自由膨胀率试验的试样制备进行了如下调整,首先将土样按土工试验方法标准碾细,过0.5 mm筛;再将0.5 mm 筛下试样过0.25 mm 及0.074 mm筛,将各级筛上及底盘内试样分别放置备用;将0.25~0.5,0.074~0.25,0.074 mm 直径的土样烘干后按一定比例混合以获取不同级配的试样,然后进行不同级配试样的自由膨胀率试验。

  由于试样级配的不同,其10 mL 干土质量和自由膨胀率都存在差异,差值的大小则随土质的不同而异。同一土样自由膨胀率最大相差近14 倍,最小也相差近1.7 倍,差异很大自由膨胀率整体趋势是随干土质量的增大而增大,但并非干土质量最大,对应自由膨胀率值也最大。自由膨胀率不是随干土质量的增大而单调增加。

  人工制备试样时,在机械外力的重复作用下,较大的黏粒土团不断被碾碎,直径逐渐变小,这一作用相当于分散作用,土团直径越小,分散程度越高。分散程度较高的土团在试样中所占比例越大,同体积的干土在水中进一步分散的程度就越小,其自由膨胀率就相对较小。对同一土样,不同备样人或同一备样人在不同时段所备样时用力的大小、碾磨的次数都不相同,所制备试样的级配也就不同,而级配的不同,势必造成同体积干土的质量存在差异,进而影响到自由膨胀率的大小。这是导致同一土样在其他条件相同时,仅因备样原因而造成自由膨胀率试验结果出现较大差异的主要原因。

  为研究搅拌遍数对自由膨胀率试验结果的影响,采用同一土样、不同级配的6 个试样,按国家标准的方法,将试样倒入量筒内,即用搅拌器上下搅拌悬液各10 次,用蒸馏水淋洗搅拌器和量筒壁至悬液达50 mL,待悬液澄清后,开始每隔2 h 测记一次土面读数,直至2 次读数差不超过0.2 mL 为止;然后,重复上述搅拌程序,测记每次的膨胀稳定值。

  不同搅拌遍数的试验结果显示,搅拌遍数对自由膨胀率的大小有明显的影响。第2 遍搅拌与第1遍搅拌后的差值最大,差值的大小则随试样级配不同而异,自由膨胀率值最大相差17 %,最小相差7 %。这是由于试样浸泡时间越长、搅拌次数越多,土粒在悬液中的分散程度越高,相应的自由膨胀率值也就越高。若试样未经充分浸泡,一次搅拌还未能使土粒充分分散在悬液中,自由膨胀率值就相对较低。但经过一次搅拌和膨胀稳定的过程后,试样相当于已经过了一定的搅拌和一定时间的浸泡,再进行第2 遍搅拌时,基本上可以到达土粒充分分散的效果,其自由膨胀率值相对就高。

  虽然自由膨胀率有随搅拌遍数的增加而逐渐最大的趋势,从图中可以明显看出,搅拌第2 遍时出现明显的拐点,搅拌第2 遍的结果与搅拌第6遍的结果已相差不大,从试验时间和精度方面考虑,将第3 遍搅拌的测试结果作为最终的结果是合适的

  土样自由膨胀率大小本质上应取决于土质。土质不同,其自由膨胀率存在差异是正常的。但对同一土样来说,若试验方法较完善,试验结果应不受人为因素影响而发生较大变化,其测定值应是较稳定的。由于按目前的土工试验方法标准和规程进行自由膨胀率试验时,试样的制备、搅拌等都对测试结果有显著的影响,说明该项试验方法还有待进一步改进和完善。

  通过试样制备和搅拌对自由膨胀率试验结果影响的试验研究发现,两种因素都对试验结果有较大的影响,但影响程度不同。试样的制备对试验结果的影响较为明显,制备样品的差异主要体现在其级配变化上。试样级配受人为因素影响很大,若试样制备不当,很容易造成试验结果出现较大偏差,甚至会出现对土体胀缩性误判的情况。若按目前国内根据自由膨胀率的大小对膨胀土分类时所采用的界限值[8],较合适的试样级配如下:0.5~0.25 mm直径土粒占40 %~60 %;0.25~0.074 mm 直径土粒占 20 %~40 %;0.074 mm 直径土粒占20 %~40 %。浸泡和搅拌的不同对试验结果产生影响程度较试样的级配对试验结果的影响要小,而其影响的大小也是随试样级配不同而异,按国标方法将悬液搅拌3 遍后的稳定值作为自由膨胀率的标准值较合理。

  为减少人为因素对试验结果的影响,自由膨胀率试验需要在现有标准、规范操作步骤的基础上进行补充和调整:试样制备时将碾细的土样倒入依次叠好的细筛(0.5,0.25,0.074 mm)中过筛,再将0.25,0.074 mm 筛上及底盘内的土样据前述建议的级配按比例混合均匀,烘干备用;搅拌时按国家标准将悬液搅拌3 遍(后两次搅拌都待土面读数稳定后,再进行下一次搅拌)。

  经过上述补充和调整,可有效减少人为因素对试验结果的影响,使试验结果更稳定,试验资料具有可比性,从而有利于国内同行之间的经验交流,并可为该项试验的进一步标准化提供有益的参考

  张倩. 谈谈自由膨胀率试验的局限性[J]. 交通运输研究, 2004(4):24-25.

  郭爱国, 孔令伟, 陈建斌. 自由膨胀率试验的影响因素[J]. 岩土力学, 2006, 27(11):1949-1953.

  罗冰, 沈成武, 郑舟军. 钢管混凝土膨胀率试验与测定分析[J]. 交通科技, 2005(6):86-87.

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