曾少嫣

（廣東豐源建設工程檢測有限公司,廣東 河源 517000）

液限和塑限是土壤工程學中常見的兩個重要參數(shù),是描述土壤塑性、可塑性和壓縮性等特性的重要指標[1]。對細粒土進行分類和工程性質評估的基本試驗項目是測量其液限和塑限,這是必不可少的。液、塑限是評價土壤性質和分類的重要依據(jù),因此,這項試驗具有重要的意義。液、塑限聯(lián)合測定法被廣泛運用于國內外細粒土的含水率測量,以得出精確的試驗數(shù)據(jù)和更精細的分析[2]。

1 液、塑限聯(lián)合測定法的簡述及原理

1.1 液、塑限聯(lián)合測定法的簡述

液、塑限聯(lián)合測定法是一種常用于土壤力學實驗中測定土壤液限和塑限的方法,在國內外都得到廣泛應用[3]。液限和塑限是土壤固體顆粒排列和結構性質的重要指標。液限是指土壤在一定水分條件下由固體狀態(tài)向塑性流動狀態(tài)轉化的水分含量。實驗中,將一定質量的濕土樣品放置于液限儀器中,通過在土樣上施加規(guī)定的震動次數(shù),測定土壤的液限指數(shù)。而塑限是指土壤在一定水分條件下,由可塑性流動狀態(tài)向半固態(tài)過渡的水分含量[4]。實驗中,將一定質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 時停止加水,記錄此時土壤的水分含量,即為塑限含水量。液限反映了土壤流動性的特征,塑限則描述了土壤可塑性的特點。液、塑限聯(lián)合測定法旨在確定土壤的工程性質和分類。

1.2 液、塑限聯(lián)合測定法的試驗原理

液、塑限聯(lián)合測定法的理論依據(jù)[5]是通過測定液、塑限值,可以得到液性指數(shù)和塑性指數(shù),從而評估土壤的工程性質、可塑性和流變特性等方面指標。此試驗原理基于細粒土的物理性質和結構相互作用關系,根據(jù)細粒土的液、塑限特性發(fā)生變化,進而對土壤工程性質進行評估。此法具有測量精度高、結果穩(wěn)定、操作簡單等優(yōu)點,被廣泛應用于細粒土樣的液、塑限測定。

具體是錐入深度與含水率的關系在雙對數(shù)坐標上的曲線稱為壓縮曲線,是圓錐壓實試驗中的重要結果之一。在進行試驗時,先稱量一定量的土樣,經過一系列拋擊和篩分操作后確認含水率,然后將土樣加入圓錐試驗儀中,用定量的力將圓錐壓入土樣中,并以某一速度將圓錐拔出。在這個過程中,剪切力的垂直分量A 與圓錐的重量p 達到平衡。在進行聯(lián)合測定時,我們可通過測量土樣在不同含水率下的抗剪強度來確定液、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 試驗設備及步驟

2.1 試驗設備

進行液、塑限聯(lián)合測定法的界限含水率試驗的設備主要有液、塑限聯(lián)合測定儀和天平。

①液、塑限聯(lián)合測定儀：用于進行細粒土的液、塑限測定,是土工試驗室中常用的一種設備。該儀器的主要組成部分包括試驗儀器與控制儀器。試驗儀器包括土樣杯、模具、錐形針等,控制儀器則包括電壓穩(wěn)定器、計時器、攪拌器等。

②天平：稱量200 g,最小分度值0.01 g。

③篩：孔徑0.5 nm。

④其他。

2.2 試驗步驟

基于液、塑限聯(lián)合測定法的界限含水率試驗主要用于測定細粒土的含水率,是土力學試驗中較為重要的一個試驗項目。其試驗步驟主要包括取樣、試樣制備、含水率測定以及數(shù)據(jù)處理等。

①取樣：取一定量的細粒土樣,通常要求樣品重量在50 g 以上,避免部分含水率過高、過低,導致試驗結果偏差。

②試樣制備：將取得的樣品通過分選和碾壓,制成規(guī)定尺寸的試樣。采用分選法建議將土壤過篩,在篩孔為0.425 mm 的篩子上分選,得到目標細粒土,再將其進行碾壓,制成1 cm～2 cm 厚的圓盤狀試樣。制樣時要注意試樣的密實度和均勻性,確保試樣的質量。

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

④數(shù)據(jù)處理：根據(jù)試驗所得到的液態(tài)指數(shù)、塑性指數(shù)以及干重數(shù)據(jù)計算出試樣在不同含水率時的重量,并繪制出液限、塑限曲線。通過液、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系。在此基礎上,可以進一步計算得到土壤的界限含水率。

基于液、塑限聯(lián)合測定法的界限含水率試驗,可以快速、準確地測定細粒土的界限含水率,是土力學試驗中常用的一項試驗方法,被廣泛應用于土工工程、建筑工程等領域。

3 試驗結果處理

3.1 試驗結果計算

（1）由液、塑限聯(lián)合測定法的試驗原理中可知,錐入深度h 與相應含水率w 之間的關系往往是復雜的,但在一定范圍內,它們之間具有雙對數(shù)直線關系。而錐入深度h 可以反映土樣在特定含水率w 下的抗剪強度,但并不是直接的抗剪強度值。實際上,采用聯(lián)合測定法是測定土的界限含水率與抗剪強度之間的關系。聯(lián)合測定法采用液塑限分析方法測定土的液限和塑限,并實測圓錐下沉深度,據(jù)此確定土的界限含水率。然后,在實驗室中進行剪切試驗,測定土在不同含水率下的抗剪強度,并通過統(tǒng)計分析建立土的界限含水率與抗剪強度之間的關系。

式中：md為干土質量,g；m0為濕土質量,g。

圓錐入土深度在雙對數(shù)坐標紙上繪制關系是土壤力學中常用的一種方法,錐入深度與含水率的關系見圖1。該方法可以用于分析土壤的不同力學性質,如強度、變形模量等與深度之間的關系。在雙對數(shù)坐標紙上繪制的圓錐入土深度與深度間關系曲線被稱為圓錐壓縮曲線,可以通過該曲線來評估土壤的力學性質。

圖1 錐入深度與含水率（h～w）的關系

塑性指數(shù)應按下式計算：

式中：Ip為塑性指數(shù)；ωL為液限,%；ωP為塑限,%。

液性指數(shù)應按下式計算：

式中：IL為液性指數(shù),計算至0.01。

進行塑限實驗時,記錄好相應的含水率和抗壓強度數(shù)據(jù),得到在不同含水率條件下的塑限和抗壓強度數(shù)據(jù)。根據(jù)所得數(shù)據(jù),可以通過數(shù)學計算、擬合等方法,建立塑限入土深度和液限的關系模型,兩者之間的～關系見圖2。即采用回歸分析,將塑限入土深度的對數(shù)與液限的對數(shù)作為自變量和因變量進行回歸計算,確定兩者之間的函數(shù)關系式。利用所建立的關系模型,可以推導出不同液限下的塑限入土深度,從而對土壤的力學性質進行定量評估。

圖2 hP～ωL 關系圖

需要注意的是,液、塑限聯(lián)合測定法的數(shù)據(jù)處理和分析過程相對較為復雜,需要準確的實驗操作和數(shù)據(jù)處理方法。同時,不同土壤類型、成分和結構等因素也會對塑限入土深度和液限的關系產生影響,所以在具體實驗操作中需要綜合考慮各種因素的作用。

3.2 相關性研究的結果

（1）一號土的錐入深度與含水率的相關性研究

一號土的各項試驗結果見表1。

表1 一號土的相關技術指標

對一號土取土100 g 進行粒組分析,其試驗結果見表2。

表2 一號土的粒組分析報告

一號土的不同含水率時的錐入深度試驗結果見圖3。

圖3 一號土的錐入深度與含水率的相關圖

以圖1 和圖3 上共同分析可知,若C 點的錐入深度小于3 mm,則無法與A、B 兩點連成一條直線,無法用線性關系模型來預測C 點對應的含水量,當土樣的錐入深度在3 mm 及以上時,含水量和錐入深度之間呈現(xiàn)出良好的線性關系,對3 mm以上的點進行回歸分析發(fā)現(xiàn),得到相關系數(shù)r 為0.9982,說明一號的土錐入深度在3 mm 以上時呈現(xiàn)良好的的線性關系。

（2）二號土的錐入深度與含水率的相關性研究

二號土的各項試驗結果見表3。

表3 二號土的相關技術指標

對二號土取土100g 進行粒組分析,其試驗結果見表4。

表4 二號土的粒組分析報告

對該土樣進行含水率和錐入深度試驗,不同含水率時錐入深度試驗結果見圖4。

圖4 二號土的錐入深度與含水率的相關圖

從圖4 可以看出,當土的錐入深度在3 mm 以上時,含水量和錐入深度呈現(xiàn)良好的線性關系。在3 mm 以下時,相關性較差。在試驗檢測中, 對照圖1 若C 點的錐入深度小于3 mm, 則無法與A、B 兩點連成一條直線,對3 mm 以上的點進行回歸分析發(fā)現(xiàn),得到相關系數(shù)r 為0.9922,說明二號土的錐入深度在3 mm 以上時呈現(xiàn)良好的線性關系。

從上面兩個試驗結果來看,本試驗所選擇的兩種土的研究結果,含水率和錐入深度的關系圖均在錐入深度3 mm 以上時呈現(xiàn)良好的線性關系,相關性較好。

4 結論

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