基于液、塑限聯(lián)合測(cè)定法的界限含水率試驗(yàn)研究

曾少嫣

（廣東豐源建設(shè)工程檢測(cè)有限公司,廣東 河源 517000）

液限和塑限是土壤工程學(xué)中常見(jiàn)的兩個(gè)重要參數(shù),是描述土壤塑性、可塑性和壓縮性等特性的重要指標(biāo)[1]。對(duì)細(xì)粒土進(jìn)行分類(lèi)和工程性質(zhì)評(píng)估的基本試驗(yàn)項(xiàng)目是測(cè)量其液限和塑限,這是必不可少的。液、塑限是評(píng)價(jià)土壤性質(zhì)和分類(lèi)的重要依據(jù),因此,這項(xiàng)試驗(yàn)具有重要的意義。液、塑限聯(lián)合測(cè)定法被廣泛運(yùn)用于國(guó)內(nèi)外細(xì)粒土的含水率測(cè)量,以得出精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和更精細(xì)的分析[2]。

1 液、塑限聯(lián)合測(cè)定法的簡(jiǎn)述及原理

1.1 液、塑限聯(lián)合測(cè)定法的簡(jiǎn)述

液、塑限聯(lián)合測(cè)定法是一種常用于土壤力學(xué)實(shí)驗(yàn)中測(cè)定土壤液限和塑限的方法,在國(guó)內(nèi)外都得到廣泛應(yīng)用[3]。液限和塑限是土壤固體顆粒排列和結(jié)構(gòu)性質(zhì)的重要指標(biāo)。液限是指土壤在一定水分條件下由固體狀態(tài)向塑性流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的水分含量。實(shí)驗(yàn)中,將一定質(zhì)量的濕土樣品放置于液限儀器中,通過(guò)在土樣上施加規(guī)定的震動(dòng)次數(shù),測(cè)定土壤的液限指數(shù)。而塑限是指土壤在一定水分條件下,由可塑性流動(dòng)狀態(tài)向半固態(tài)過(guò)渡的水分含量[4]。實(shí)驗(yàn)中,將一定質(zhì)量的土樣在滾筒或平板上加水、揉捏,逐漸加水直至土樣能夠串切至直徑為3 mm 時(shí)停止加水,記錄此時(shí)土壤的水分含量,即為塑限含水量。液限反映了土壤流動(dòng)性的特征,塑限則描述了土壤可塑性的特點(diǎn)。液、塑限聯(lián)合測(cè)定法旨在確定土壤的工程性質(zhì)和分類(lèi)。

1.2 液、塑限聯(lián)合測(cè)定法的試驗(yàn)原理

液、塑限聯(lián)合測(cè)定法的理論依據(jù)[5]是通過(guò)測(cè)定液、塑限值,可以得到液性指數(shù)和塑性指數(shù),從而評(píng)估土壤的工程性質(zhì)、可塑性和流變特性等方面指標(biāo)。此試驗(yàn)原理基于細(xì)粒土的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系,根據(jù)細(xì)粒土的液、塑限特性發(fā)生變化,進(jìn)而對(duì)土壤工程性質(zhì)進(jìn)行評(píng)估。此法具有測(cè)量精度高、結(jié)果穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于細(xì)粒土樣的液、塑限測(cè)定。

具體是錐入深度與含水率的關(guān)系在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的曲線稱(chēng)為壓縮曲線,是圓錐壓實(shí)試驗(yàn)中的重要結(jié)果之一。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),先稱(chēng)量一定量的土樣,經(jīng)過(guò)一系列拋擊和篩分操作后確認(rèn)含水率,然后將土樣加入圓錐試驗(yàn)儀中,用定量的力將圓錐壓入土樣中,并以某一速度將圓錐拔出。在這個(gè)過(guò)程中,剪切力的垂直分量A 與圓錐的重量p 達(dá)到平衡。在進(jìn)行聯(lián)合測(cè)定時(shí),我們可通過(guò)測(cè)量土樣在不同含水率下的抗剪強(qiáng)度來(lái)確定液、塑限,從而確定土壤的液態(tài)和塑性特性。

式中：α為圓錐的頂角；h 為圓錐下沉深度。

2 試驗(yàn)設(shè)備及步驟

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

進(jìn)行液、塑限聯(lián)合測(cè)定法的界限含水率試驗(yàn)的設(shè)備主要有液、塑限聯(lián)合測(cè)定儀和天平。

①液、塑限聯(lián)合測(cè)定儀：用于進(jìn)行細(xì)粒土的液、塑限測(cè)定,是土工試驗(yàn)室中常用的一種設(shè)備。該儀器的主要組成部分包括試驗(yàn)儀器與控制儀器。試驗(yàn)儀器包括土樣杯、模具、錐形針等,控制儀器則包括電壓穩(wěn)定器、計(jì)時(shí)器、攪拌器等。

②天平：稱(chēng)量200 g,最小分度值0.01 g。

③篩：孔徑0.5 nm。

④其他。

2.2 試驗(yàn)步驟

基于液、塑限聯(lián)合測(cè)定法的界限含水率試驗(yàn)主要用于測(cè)定細(xì)粒土的含水率,是土力學(xué)試驗(yàn)中較為重要的一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目。其試驗(yàn)步驟主要包括取樣、試樣制備、含水率測(cè)定以及數(shù)據(jù)處理等。

①取樣：取一定量的細(xì)粒土樣,通常要求樣品重量在50 g 以上,避免部分含水率過(guò)高、過(guò)低,導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏差。

②試樣制備：將取得的樣品通過(guò)分選和碾壓,制成規(guī)定尺寸的試樣。采用分選法建議將土壤過(guò)篩,在篩孔為0.425 mm 的篩子上分選,得到目標(biāo)細(xì)粒土,再將其進(jìn)行碾壓,制成1 cm～2 cm 厚的圓盤(pán)狀試樣。制樣時(shí)要注意試樣的密實(shí)度和均勻性,確保試樣的質(zhì)量。

③測(cè)定含水率：將試樣置于充分浸泡的液體中,等待其吸水至飽和狀態(tài),然后通過(guò)液、塑限法測(cè)定其液限和塑極限之后逐漸去水,測(cè)定通過(guò)液、塑限法得出的液態(tài)指數(shù)和塑性指數(shù)數(shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算得到試樣的干重。

④數(shù)據(jù)處理：根據(jù)試驗(yàn)所得到的液態(tài)指數(shù)、塑性指數(shù)以及干重?cái)?shù)據(jù)計(jì)算出試樣在不同含水率時(shí)的重量,并繪制出液限、塑限曲線。通過(guò)液、塑限曲線可以得到所有的液限指數(shù)、塑性指數(shù)、含水率之間的變化關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,可以進(jìn)一步計(jì)算得到土壤的界限含水率。

基于液、塑限聯(lián)合測(cè)定法的界限含水率試驗(yàn),可以快速、準(zhǔn)確地測(cè)定細(xì)粒土的界限含水率,是土力學(xué)試驗(yàn)中常用的一項(xiàng)試驗(yàn)方法,被廣泛應(yīng)用于土工工程、建筑工程等領(lǐng)域。

3 試驗(yàn)結(jié)果處理

3.1 試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算

（1）由液、塑限聯(lián)合測(cè)定法的試驗(yàn)原理中可知,錐入深度h 與相應(yīng)含水率w 之間的關(guān)系往往是復(fù)雜的,但在一定范圍內(nèi),它們之間具有雙對(duì)數(shù)直線關(guān)系。而錐入深度h 可以反映土樣在特定含水率w 下的抗剪強(qiáng)度,但并不是直接的抗剪強(qiáng)度值。實(shí)際上,采用聯(lián)合測(cè)定法是測(cè)定土的界限含水率與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系。聯(lián)合測(cè)定法采用液塑限分析方法測(cè)定土的液限和塑限,并實(shí)測(cè)圓錐下沉深度,據(jù)此確定土的界限含水率。然后,在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行剪切試驗(yàn),測(cè)定土在不同含水率下的抗剪強(qiáng)度,并通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析建立土的界限含水率與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系。

式中：md為干土質(zhì)量,g；m0為濕土質(zhì)量,g。

圓錐入土深度在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪制關(guān)系是土壤力學(xué)中常用的一種方法,錐入深度與含水率的關(guān)系見(jiàn)圖1。該方法可以用于分析土壤的不同力學(xué)性質(zhì),如強(qiáng)度、變形模量等與深度之間的關(guān)系。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪制的圓錐入土深度與深度間關(guān)系曲線被稱(chēng)為圓錐壓縮曲線,可以通過(guò)該曲線來(lái)評(píng)估土壤的力學(xué)性質(zhì)。

圖1 錐入深度與含水率（h～w）的關(guān)系

塑性指數(shù)應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：Ip為塑性指數(shù)；ωL為液限,%；ωP為塑限,%。

液性指數(shù)應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：IL為液性指數(shù),計(jì)算至0.01。

進(jìn)行塑限實(shí)驗(yàn)時(shí),記錄好相應(yīng)的含水率和抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù),得到在不同含水率條件下的塑限和抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)。根據(jù)所得數(shù)據(jù),可以通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算、擬合等方法,建立塑限入土深度和液限的關(guān)系模型,兩者之間的～關(guān)系見(jiàn)圖2。即采用回歸分析,將塑限入土深度的對(duì)數(shù)與液限的對(duì)數(shù)作為自變量和因變量進(jìn)行回歸計(jì)算,確定兩者之間的函數(shù)關(guān)系式。利用所建立的關(guān)系模型,可以推導(dǎo)出不同液限下的塑限入土深度,從而對(duì)土壤的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行定量評(píng)估。

圖2 hP～ωL 關(guān)系圖

需要注意的是,液、塑限聯(lián)合測(cè)定法的數(shù)據(jù)處理和分析過(guò)程相對(duì)較為復(fù)雜,需要準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理方法。同時(shí),不同土壤類(lèi)型、成分和結(jié)構(gòu)等因素也會(huì)對(duì)塑限入土深度和液限的關(guān)系產(chǎn)生影響,所以在具體實(shí)驗(yàn)操作中需要綜合考慮各種因素的作用。

3.2 相關(guān)性研究的結(jié)果

（1）一號(hào)土的錐入深度與含水率的相關(guān)性研究

一號(hào)土的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 一號(hào)土的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

對(duì)一號(hào)土取土100 g 進(jìn)行粒組分析,其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 一號(hào)土的粒組分析報(bào)告

一號(hào)土的不同含水率時(shí)的錐入深度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 一號(hào)土的錐入深度與含水率的相關(guān)圖

以圖1 和圖3 上共同分析可知,若C 點(diǎn)的錐入深度小于3 mm,則無(wú)法與A、B 兩點(diǎn)連成一條直線,無(wú)法用線性關(guān)系模型來(lái)預(yù)測(cè)C 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水量,當(dāng)土樣的錐入深度在3 mm 及以上時(shí),含水量和錐入深度之間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,對(duì)3 mm以上的點(diǎn)進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn),得到相關(guān)系數(shù)r 為0.9982,說(shuō)明一號(hào)的土錐入深度在3 mm 以上時(shí)呈現(xiàn)良好的的線性關(guān)系。

（2）二號(hào)土的錐入深度與含水率的相關(guān)性研究

二號(hào)土的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 二號(hào)土的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

對(duì)二號(hào)土取土100g 進(jìn)行粒組分析,其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 二號(hào)土的粒組分析報(bào)告

對(duì)該土樣進(jìn)行含水率和錐入深度試驗(yàn),不同含水率時(shí)錐入深度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 二號(hào)土的錐入深度與含水率的相關(guān)圖

從圖4 可以看出,當(dāng)土的錐入深度在3 mm 以上時(shí),含水量和錐入深度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。在3 mm 以下時(shí),相關(guān)性較差。在試驗(yàn)檢測(cè)中, 對(duì)照?qǐng)D1 若C 點(diǎn)的錐入深度小于3 mm, 則無(wú)法與A、B 兩點(diǎn)連成一條直線,對(duì)3 mm 以上的點(diǎn)進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn),得到相關(guān)系數(shù)r 為0.9922,說(shuō)明二號(hào)土的錐入深度在3 mm 以上時(shí)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

從上面兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,本試驗(yàn)所選擇的兩種土的研究結(jié)果,含水率和錐入深度的關(guān)系圖均在錐入深度3 mm 以上時(shí)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,相關(guān)性較好。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,該方法在錐入深度大于3 mm 時(shí),粘土的含水量和錐入深度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際應(yīng)用中,我們可以采用該方法來(lái)確定土壤的界限含水率,并評(píng)估土壤工程性質(zhì),可為土建工程提供重要的參考依據(jù),為土工領(lǐng)域界限含水率試驗(yàn)方法的改進(jìn)和發(fā)展提供新的思路。