于大鵬 綦建峰

(1.貴州省地礦局 103地質(zhì)隊(duì)，貴州 銅仁 554300;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

0 引言

土的塑限和液限指標(biāo)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(jì)算液塑性指數(shù)[1，2]。在巖土工程中，液塑限指標(biāo)的準(zhǔn)確性涉及土壤分類及定名的準(zhǔn)確確性，影響土樣狀態(tài)的確定，進(jìn)而影響到土的承載能力的計(jì)算公式和設(shè)計(jì)樁基參數(shù)等[3]。所以正確地確定土的液塑限指標(biāo)對(duì)工程建設(shè)具有很重要的意義。

目前對(duì)于土的塑限試驗(yàn)研究相對(duì)成熟，我國(guó)常用土的塑限的確定方法有搓滾法和液塑限聯(lián)合測(cè)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(yàn)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(huì)導(dǎo)致同一種土樣得到塑限指標(biāo)差別很大。針對(duì)此問(wèn)題，本文對(duì)3種性質(zhì)不同土樣分別用搓滾法和液塑限聯(lián)合測(cè)定法室內(nèi)進(jìn)行了塑限指標(biāo)的對(duì)比試驗(yàn)，并結(jié)合文獻(xiàn)資料和試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果討論了兩種方法的影響因素，優(yōu)缺點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中改進(jìn)事項(xiàng)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算方法進(jìn)行了優(yōu)化分析。

1 搓滾法測(cè)塑限試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

(1)準(zhǔn)備3種土樣，測(cè)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(rùn)，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(fēng)機(jī)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(shí)手掌的壓力要均勻地施加在土條上。

(4)土條搓成直徑3mm時(shí)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(guò)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(rùn)的試樣進(jìn)行搓滾。直至當(dāng)土條直徑3mm時(shí)產(chǎn)生裂縫并開始斷裂為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

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(cè)定其含水量。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)土條測(cè)含水量

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算

根據(jù)《規(guī)范》試驗(yàn)要求進(jìn)行平行測(cè)定，當(dāng)wp＜40%時(shí)，平行差值不大于l%;當(dāng)wp≥40%，平行差值不大于2%，取其算術(shù)平均值。計(jì)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(yàn)原始數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 搓條法試驗(yàn)數(shù)據(jù)及塑限值

2 液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)塑限試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(cè)定儀，如圖4示。

(1)取同樣3種土樣，測(cè)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(hào)放入9個(gè)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?jǐn)嚢杈鶆?，分層裝入盛土杯，用調(diào)土刀不斷插搗，使之密實(shí)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(cè)定儀的升降座上，轉(zhuǎn)動(dòng)升降旋鈕，待錐尖與土樣表面剛好接觸時(shí)停止，錐體自動(dòng)下落，同時(shí)開動(dòng)秒表，經(jīng)5s后，此時(shí)游標(biāo)讀數(shù)為第一個(gè)含水量試樣入土深度，重復(fù)上述試驗(yàn)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(cè)定儀及錐體下落讀數(shù)

(4)含水量測(cè)定:按照土工試驗(yàn)規(guī)程方法測(cè)定錐入深度所對(duì)應(yīng)的含水量。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)整理是在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，以含水率為橫坐標(biāo)，錐入土深度為縱坐標(biāo)將點(diǎn)實(shí)測(cè)錐入土深度和對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)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(duì)應(yīng)含水率為塑限，以百分?jǐn)?shù)表示，準(zhǔn)確至0.1%[1]。

傳統(tǒng)的手工作圖誤差大、精度低，無(wú)法準(zhǔn)確地從圖上確定所需要的參數(shù)。特別是在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，人為因素帶來(lái)的誤差更為顯著[5]。所以本文在計(jì)算時(shí)自編程序基于EXCE通過(guò)曲線擬合的方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行公式化處理，借助計(jì)算機(jī)編制相應(yīng)的程序不僅可以方便地實(shí)現(xiàn)了作圖的自動(dòng)化，而且提高了計(jì)算精度。表2以土樣A為例，基于EXCEL軟件的計(jì)算機(jī)曲線擬合自動(dòng)計(jì)算程序表格。

同理，分別得到3種土樣液塑限聯(lián)合測(cè)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(cè)定EXCEL自動(dòng)計(jì)算表

表3 液塑限聯(lián)合測(cè)定法塑限試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

3 兩種試驗(yàn)方法對(duì)比分析

3.1 試驗(yàn)對(duì)比與影響因素分析

從表1和表3試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比知，搓滾法由于純手工操作，標(biāo)準(zhǔn)不易掌控，同一種土樣測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)較大，而且測(cè)得的塑限指標(biāo)普遍比液塑限聯(lián)合測(cè)定法得到的結(jié)果偏大。

從試驗(yàn)方法對(duì)比知，用搓滾法測(cè)定塑限受人為因素影響較大，如手掌搓條時(shí)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(duì)測(cè)試結(jié)果有很大影響[6]。用液塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)定塑限，其影響因素主要是試驗(yàn)操作的規(guī)范性和細(xì)節(jié)，如圓錐面粗糙度、錐尖磨損程度，樣杯中土樣的密實(shí)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(jì)算，相對(duì)簡(jiǎn)單易懂，易操作。傳統(tǒng)的液塑限試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)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(wèn)題，提高了計(jì)算精度與效率。

3.2 試驗(yàn)與計(jì)算方法優(yōu)化

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

搓滾法測(cè)塑限:①對(duì)同一種土樣盡量有一個(gè)人獨(dú)立完成，避免不同人操作標(biāo)準(zhǔn)的差異引起的誤差;②搓條過(guò)程中要細(xì)心均勻用力，手型標(biāo)準(zhǔn)，并一定要拿3mm直徑鐵絲或其他參照物作對(duì)比，避免土條不均性;③建議同一種土樣多做幾組試驗(yàn)根據(jù)實(shí)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(cè)定法測(cè)塑限:①盡量使用同一盛土容器和同一套聯(lián)合測(cè)定儀，使操作更具代表性;②應(yīng)根據(jù)土的特性來(lái)選取錐入土深度點(diǎn)，最小錐尖人土深度點(diǎn)以土樣不出現(xiàn)裂紋為宜，另兩點(diǎn)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(shí)間間隔要嚴(yán)格控制;④建議同一種土樣多做幾組試驗(yàn)根據(jù)實(shí)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(jì)算方法優(yōu)化:對(duì)于液塑限聯(lián)合測(cè)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(yàn)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(lái)的人為誤差;EXCEL電子表格既簡(jiǎn)單又直觀，操作簡(jiǎn)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(yàn)者，解決了數(shù)據(jù)處理的繁瑣問(wèn)題[4，7]。

4 結(jié)論

本文通過(guò)搓滾法和液塑限聯(lián)合儀測(cè)塑限試驗(yàn)對(duì)比，以及數(shù)據(jù)處理方法的討論，得到以下結(jié)論:

(1)試驗(yàn)受人為因素影響較大，試驗(yàn)過(guò)程中要嚴(yán)格按規(guī)范要求操作。

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

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

(4)液塑限聯(lián)合測(cè)定儀法數(shù)據(jù)計(jì)算，編程基于EXCEL的曲線擬合法方便實(shí)用，避免了手工作圖缺點(diǎn)，提高了精度，有很大推廣價(jià)值。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50123 －1999)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

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

[3]彭意，李鈾，彭強(qiáng).提高液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].中國(guó)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(yàn)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(cè)定土塑限的試驗(yàn)方法比較[J].2010，20(25):209－210.

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