土的塑限試驗對比及算法優(yōu)化分析

于大鵬 綦建峰

(1.貴州省地礦局 103地質(zhì)隊，貴州 銅仁 554300;2.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008)

0 引言

土的塑限和液限指標是指粘性土處于可塑狀態(tài)的上、下界限含水量。根據(jù)土的界限含水量可計算液塑性指數(shù)[1，2]。在巖土工程中，液塑限指標的準確性涉及土壤分類及定名的準確確性，影響土樣狀態(tài)的確定，進而影響到土的承載能力的計算公式和設(shè)計樁基參數(shù)等[3]。所以正確地確定土的液塑限指標對工程建設(shè)具有很重要的意義。

目前對于土的塑限試驗研究相對成熟，我國常用土的塑限的確定方法有搓滾法和液塑限聯(lián)合測定法，數(shù)據(jù)處理常用公式法，規(guī)范作圖方法，此外還有基于最小二乘法和EXCEL的曲線擬合法。[4，5]

由于各試驗方法的操作規(guī)范性，不可避免的人為和環(huán)境因素影響，數(shù)據(jù)處理方法的不同等，往往會導致同一種土樣得到塑限指標差別很大。針對此問題，本文對3種性質(zhì)不同土樣分別用搓滾法和液塑限聯(lián)合測定法室內(nèi)進行了塑限指標的對比試驗，并結(jié)合文獻資料和試驗計算結(jié)果討論了兩種方法的影響因素，優(yōu)缺點及實驗過程中改進事項，并對試驗數(shù)據(jù)的計算方法進行了優(yōu)化分析。

1 搓滾法測塑限試驗

1.1 試驗方法

(1)準備3種土樣，測定土樣天然含水量，然后取有代表性、保持天然含水量的試樣各l00g，剔出粒徑大于0.5mm的顆粒后放入調(diào)土碗內(nèi)，加蒸餾水浸潤，調(diào)拌，使其含水量接近塑限，用玻璃片或濕布覆蓋，靜止24h。

圖1 土樣的選取及制備

(2)將制備好的試樣，在手中捏揉至不粘手，或用吹風機稍微吹干，然后將試樣捏扁，如出現(xiàn)裂縫，表示含水量接近塑限。

(3)取接近塑限含水量土樣，用手搓成橢圓形，然后用手掌在毛玻璃上搓滾，搓條時手掌的壓力要均勻地施加在土條上。

(4)土條搓成直徑3mm時未產(chǎn)生裂縫及斷裂，表示試樣含水量高于塑限含水量;若土條過早斷裂，表示試樣含水量低于塑限含水量，則應(yīng)丟棄，重新取較濕潤的試樣進行搓滾。直至當土條直徑3mm時產(chǎn)生裂縫并開始斷裂為達到標準。

圖2 土樣搓條及判定

(5)取合格的斷裂土條放入土盒內(nèi)，蓋緊盒蓋，待收集足夠后測定其含水量。

圖3 標準土條測含水量

1.2 試驗數(shù)據(jù)及計算

根據(jù)《規(guī)范》試驗要求進行平行測定，當wp＜40%時，平行差值不大于l%;當wp≥40%，平行差值不大于2%，取其算術(shù)平均值。計算公式如下:

式中:wp——土樣塑限，%。

m，ms——分別為土樣的濕土質(zhì)量和干土質(zhì)量，g。

根據(jù)1.1得試驗原始數(shù)據(jù)及計算結(jié)果如表1所示。

表1 搓條法試驗數(shù)據(jù)及塑限值

2 液塑限聯(lián)合測定儀測塑限試驗

2.1 試驗方法

試驗采用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的GYS－2型光電式液塑限測定儀，如圖4示。

(1)取同樣3種土樣，測定土樣天然含水量，然后分別取有代表性、保持天然含水量的試樣各600g，剔出粒徑大于0.5mm的顆粒后分組編號放入9個盛土皿中，分開加不同量的水，用調(diào)土刀調(diào)勻，蓋上濕布，靜置18h以上。

(2)將制備的土樣充分攪拌均勻，分層裝入盛土杯，用調(diào)土刀不斷插搗，使之密實試杯裝滿后，并與杯邊刮平。

(3)調(diào)平儀器，拿下錐頭在其上涂少許凡士林。取一種濕度的土樣，將裝好土樣的試杯放在聯(lián)合測定儀的升降座上，轉(zhuǎn)動升降旋鈕，待錐尖與土樣表面剛好接觸時停止，錐體自動下落，同時開動秒表，經(jīng)5s后，此時游標讀數(shù)為第一個含水量試樣入土深度，重復上述試驗步驟，做其他含水量試樣入土深度，如圖4所示。

圖4 光電式液塑限測定儀及錐體下落讀數(shù)

(4)含水量測定:按照土工試驗規(guī)程方法測定錐入深度所對應(yīng)的含水量。

2.2 試驗數(shù)據(jù)及計算

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)整理是在雙對數(shù)坐標紙上，以含水率為橫坐標，錐入土深度為縱坐標將點實測錐入土深度和對應(yīng)的實測含水量繪入圖中連接成直線，從圖上查得下沉深度為2mm所對應(yīng)含水率為塑限，以百分數(shù)表示，準確至0.1%[1]。

傳統(tǒng)的手工作圖誤差大、精度低，無法準確地從圖上確定所需要的參數(shù)。特別是在對數(shù)坐標系中，人為因素帶來的誤差更為顯著[5]。所以本文在計算時自編程序基于EXCE通過曲線擬合的方法對試驗數(shù)據(jù)進行公式化處理，借助計算機編制相應(yīng)的程序不僅可以方便地實現(xiàn)了作圖的自動化，而且提高了計算精度。表2以土樣A為例，基于EXCEL軟件的計算機曲線擬合自動計算程序表格。

同理，分別得到3種土樣液塑限聯(lián)合測定法塑限WP、液限WL及塑性指數(shù)Ip值，如表3所示。

表2 A土樣液塑限聯(lián)合測定EXCEL自動計算表

表3 液塑限聯(lián)合測定法塑限試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果

3 兩種試驗方法對比分析

3.1 試驗對比與影響因素分析

從表1和表3試驗結(jié)果對比知，搓滾法由于純手工操作，標準不易掌控，同一種土樣測得的實驗結(jié)果波動較大，而且測得的塑限指標普遍比液塑限聯(lián)合測定法得到的結(jié)果偏大。

從試驗方法對比知，用搓滾法測定塑限受人為因素影響較大，如手掌搓條時作用在土條上的壓力大小，手掌或手指與土條之間的摩擦寬度，以及搓滾速度、體溫等都對測試結(jié)果有很大影響[6]。用液塑限聯(lián)合測定法測定塑限，其影響因素主要是試驗操作的規(guī)范性和細節(jié)，如圓錐面粗糙度、錐尖磨損程度，樣杯中土樣的密實程度以及土樣表面的刮平效果等。

從數(shù)據(jù)處理方法知，搓滾法用公式最基本的數(shù)據(jù)計算，相對簡單易懂，易操作。傳統(tǒng)的液塑限試驗數(shù)據(jù)處理采用雙對數(shù)坐標畫圖法，存在人為因素和紙張脹縮的影響，且其步驟繁瑣，數(shù)據(jù)處理速度慢，精度低[7]。而本文采用基于EXCEL的曲線擬合法避免了這些問題，提高了計算精度與效率。

3.2 試驗與計算方法優(yōu)化

根據(jù)影響試驗結(jié)果的因素，為減小試驗誤差提出了以下優(yōu)化措施:

搓滾法測塑限:①對同一種土樣盡量有一個人獨立完成，避免不同人操作標準的差異引起的誤差;②搓條過程中要細心均勻用力，手型標準，并一定要拿3mm直徑鐵絲或其他參照物作對比，避免土條不均性;③建議同一種土樣多做幾組試驗根據(jù)實際情況舍棄結(jié)果中的最大、最小極值，取其他組數(shù)據(jù)平均值為結(jié)果，盡最大程度減小誤差。

塑液限聯(lián)合測定法測塑限:①盡量使用同一盛土容器和同一套聯(lián)合測定儀，使操作更具代表性;②應(yīng)根據(jù)土的特性來選取錐入土深度點，最小錐尖人土深度點以土樣不出現(xiàn)裂紋為宜，另兩點的分布應(yīng)盡量均勻，應(yīng)盡量保持等間距并拉開間距;③錐體入土后5s后讀數(shù)時間間隔要嚴格控制;④建議同一種土樣多做幾組試驗根據(jù)實際情況舍棄結(jié)果中的最大、最小極值，取其他組數(shù)據(jù)平均值為結(jié)果，盡最大程度減小誤差。

數(shù)據(jù)計算方法優(yōu)化:對于液塑限聯(lián)合測定法數(shù)據(jù)處理用本文表2所示的基于EXCEL的曲線擬合法，不僅可以滿足液塑限試驗精度的要求，而且提升了數(shù)據(jù)處理的速度，避免了手工作圖所帶來的人為誤差;EXCEL電子表格既簡單又直觀，操作簡單，生產(chǎn)中使用方便，提高了生產(chǎn)效率，極大地方便了廣大的土工試驗者，解決了數(shù)據(jù)處理的繁瑣問題[4，7]。

4 結(jié)論

本文通過搓滾法和液塑限聯(lián)合儀測塑限試驗對比，以及數(shù)據(jù)處理方法的討論，得到以下結(jié)論:

(1)試驗受人為因素影響較大，試驗過程中要嚴格按規(guī)范要求操作。

(2)搓滾法較液塑限聯(lián)合測定儀測得塑限值略微偏大，建議兩種方法均多做幾組試驗，舍棄數(shù)據(jù)中的極值后取均值。

(3)對同一土樣，建議搓滾法土條有同一人獨立完成搓條，液塑限聯(lián)合測定儀法用同一套盛土容器和儀器。

(4)液塑限聯(lián)合測定儀法數(shù)據(jù)計算，編程基于EXCEL的曲線擬合法方便實用，避免了手工作圖缺點，提高了精度，有很大推廣價值。

[1]中華人民共和國國家標準.土工試驗方法標準(GB/T50123 －1999)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[2]高大釗，袁聚云.土質(zhì)學與土力學[M].北京:人民交通出版社，2006.

[3]彭意，李鈾，彭強.提高液塑限聯(lián)合測定試驗精度的方法[J].土工基礎(chǔ)，2007，21(4):81 －84.

[4]劉家順，鄭永和.基于Excel的曲線擬合法在液塑限試驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].中國科技論文在線，1－4.

[5]徐彩云，馮子珍.曲線擬合在液塑限試驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2006，(12):66.

[6]王麗麗.測定土塑限的試驗方法比較[J].2010，20(25):209－210.

[7]莊宇，王靜，張玫.對比分析不同規(guī)范下粘性土的液塑限測定方法[J].山西建筑，2010，36(30):78 －79.