竖向渗透分层取样技术在液塑限联合测定试验中的应用

2022-01-23薛凯喜周朝慧田兴华多会会齐小宏

长江科学院院报 2022年1期

薛凯喜,周朝慧，田兴华,多会会，丁辰,曹凯，齐小宏

(1.东华理工大学土木与建筑工程学院，南昌 330013；2.中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 100001)

1 研究背景

早在1911年,瑞典农学家阿太堡(Atteberg)研究农业用土的物理状态时，认为细粒土按照含水量的不同将分别处于不同的物理状态，由此提出土从固态到液态的5个阶段[1]。后来经过太沙基(Karl Terzaghi)将其引入土力学，直至进一步发展后，根据《土工试验规程》(SL/T 237—1999),现今在土木工程建设领域对此已经形成共识，即 “细粒土由于含水率不同，分别处于流动状态、可塑状态、半固体状态和固体状态,上述稠度状态发生改变时的分界含水率被定义为界限含水率，分别为液限、塑限和缩限，我国现行《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007)中进一步定义液限和塑限之间的差值为塑性指数，同时通过绘制以塑性指数IP为纵坐标、液限wL为横坐标的塑性图来进行细粒土的分类。因此，在工程实践中，准确测定土体的界限含水率对实施细粒土分类、计算地基承载力等意义重大。

国内外关于界限含水率测定的相关技术标准中，采用塑限滚搓法测定塑限，采用液限蝶式仪法测定液限。其中，塑限滚搓法最早由太沙基在1926年修正阿太堡方法后提出，各国规程将该方法一直沿用至今。但这种方法人为影响因素太大，如作用于土条上的压力、手掌与土条接触的宽度及摩擦力、搓滚的速度等因素因人而异，故试验结果差异性很大。各国对液限的测定最初采用液限蝶式仪法，由奥地利学者阿瑟·卡萨格兰德教授(Arthur Casagrande)在1932年设计并给出具体试验操作方法，至今仍然是美国等一些西方国家广泛使用的较为精确的液限测试方法。虽然应用该方法测定液限被一些国家的规程所接纳，并作为各国学者改革液限测试方法的比较基础，但测定低液限土的液限时会不可避免地产生“振动液化”现象，也就不符合土的黏滞流动状态，从而使得测定的液限值偏低、液限强度偏高，进一步试验也表明液限在20%以下的土采用蝶式仪法是不可靠的[2]。

岩土工程实践中，一般通过测定黏性土的液塑性指数来确定其具体分类，并据此判断土体的基本工程性质。但目前《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)中推荐的液塑限联合测定试验法存在一定的缺陷：圆锥入土深度与含水量在双对数坐标上不能呈现较好的直线关系，以此测定的液塑限缺少一定的可靠性[2]。

对上述缺陷存在的原因进行分析：首先，调制土膏前试验人员需配置含水率分别接近土体液限和塑限，以及处于液塑限中位含水率的土样，这对于非专业试验操作人员来说必然存在困难；其次，调制土膏和后期装样工作均需试验人员手动操作完成，过程中很难保证不同含水率的土膏具有相同的干密度，由此则造成锥入深度与含水率在双对数坐标上的三点(高、中、低含水率)不在一条直线上，通常误差较大，需要多次重复试验后才能取得令人满意的试验效果；再次，不同试验操作人员对同一土样的液塑限进行测定时，因调土力度不同，所配土样含水率、干密度等指标存在差异，最终也会造成测定结果不一致的现象。

正囿于现行液塑限联合测定试验技术仍存在部分缺陷，国内外学者盛海洋[3]、张怀仁等[4]、Sharma[5]、彭意等[6]、赵秀绍等[7-8]分别从数据处理和试验技术优化的角度提高其测试精度，张洪涛等[9]提出了一种更为简单易行的多皿法用于改进试验技术。但上述方法并未从本质上解决制样过程中可能出现的干密度不一致的现象。鉴于此，本文提出一种改进的制样方法，拟通过一次渗透、分层取样来调制含水率层次丰富、干密度相对统一的土样，进而实施锥式仪液塑限联合测定试验。该方法具有试验效率高、三点成线率大幅度提升、试验结果可重复性强等显著优点。

2 试样制备和试验设备

2.1 试样制备

本试验选取4种土样，分别选自江西南昌、河南濮阳、宁夏银川、福建福州。4种试验土样的一般统计性物理特性参数和力学参数如表 1所示。将4种具有不同含水率的土样进行锥入实验，得到含水率与锥入深度的关系曲线，拟合该关系曲线，得到锥入深度分别为2 mm和17 mm的含水率，将它作为土的液限、塑限，进而计算土体的塑性指数及液性指数。

表1 土样的一般统计性物理特性参数和力学参数Table 1 General statistical and physical parameters of soil samples

2.2 试验设备

为确保试样杯内的试样具有相同的高度，并且在不同含水率下保持相对统一的干密度，本试验设计了一套辅助试验装置，包括制样工具、预留透气孔的试样杯和压实工具，如图1所示。其中，制样工具为内径200 mm、内部画有等高刻度的PV管；压实工具直径180 mm、厚20 mm、重4.11 kg；试样杯为不锈钢材质，直径50 mm、高40 mm、底部预留2 mm直径的透气孔。试验设备采用浙江中科仪器厂生产的GYS-Ⅲ型液塑限联合测定仪。

图1 试验装置Fig.1 Test devices

2.3 改进的试验流程

水利行业标准《土工试验规程—界限含水率试验》(SL 237-007—1999)液限塑限联合测定法中土样制备和取样的技术要点如下：当采用风干土样时，取过0.5 mm筛的代表性土样约200 g，分成3份，分别放入3个盛土皿中，加入不同数量的纯水，使试样含水率分别达到该标准所述，调成均匀土膏，然后放入密封的保湿缸内，静置24 h；将制备好的土膏用调土刀充分搅拌均匀，密实地填入试样杯中，使空气溢出，高出试样杯的余土用刮土刀刮平，随即将试样杯放在仪器底座上。上述技术要点中，一次试验须分3次制备土膏，且土膏制备过程中需人工搅拌并填入试样杯，因此3种不同含水率的土膏干密度必然存在差异，最终导致圆锥下沉深度与含水率之间呈非线性关系。

考虑到试验过程中出现上述非线性关系的概率较高，规范中给出了校正方案，即“当三点不在一条直线上，通过高含水率的一点与其余两点连成2条直线，在圆锥下沉深度为2 mm处查得相应的含水率，当2个含水率的差值<2%时，应以该两点含水率的平均值与高含水率的点连成一线，反之重复试验。然而，实践经验证明，要想满足规范中的试验误差要求，一方面需要较高的试验操作技术水平，另一方面同一土样分批次测试时不能更换操作技术人员。否则，要么需要多次补做试验，要么试验结果离散型较大。

要想克服现有技术规程中土膏制备时产生的原始缺陷，并确保3种不同含水率的土膏具有相同的干密度，则必须通过改进试样制备方法才能从根本上解决问题。现给出改进的试样流程如下：

(1)通过自然竖向渗透确保试样具有同一干密度。将土样调制工具内壁均匀涂抹凡士林，风干后将经0.5 mm筛的土样分层填入土样调制工具，并经压实器自然压实，土样高度不低于400 mm；向土样调制工具内注入适量的纯水，初始液面高度约为50 mm，经自然渗透并覆膜静置24 h，待土样上方滞水完全渗入即制样完毕。

(2)试样杯分层压入式取样获取3种不同含水率的土膏。试样制备完毕后，将底部预留透气孔的试样杯压入表层土样获取近饱和状态的土膏，并经刮土刀刮平试样杯内土膏后待用，即为高含水率试样；表层土样可取3试样杯，进而用刮土刀刮除土样调制工具内表层土约50 mm，重复对下层土膏取样3试样杯，即为中含水率试样；再次刮除第二层土样50 mm，重复对第三层土膏取样，即为低含水率试样。取样完毕后即可将试样杯放入液塑限联合测定仪开展锥入测定试验。

(3)锥入试验结束后，当即测定试样杯内锥尖附近土样的含水率，进而按照国标推荐方法绘制锥入深度与土样含水率关系曲线，并计算液塑限值。

本文以南昌网纹土、银川棕钙土、濮阳潮土和福州淤泥质土为研究对象，通过查阅相关文献资料，初步确定土的界限含水率，选择不定量注入2 000～3 200 ml的水量，进行竖向渗透分层取样试验，利用直接剪切试验对联合液塑限测定的数据，检验其竖向渗透试验数据的正确性。

3 干密度对液塑限联合测定结果的影响

锥入深度与黏性土的颗粒级配、矿物成分、黏粒含量、干密度、含水率等因素有着密切关系。国内外相关学者的研究结论显示，各影响因素中干密度和含水率对锥入深度的影响最明显[10-12]，这也是液塑限联合测定试验的直接理论基础。干密度能够反映土的孔隙比，也就是固体颗粒质量与土的总体积之比，可以反映土样的紧密程度。在液塑限联合测定试验中，要充分把气体排出土体，使得土体密实。试样的密实度影响着试验的精度，所以在装样过程中，确保土样中的气体被排出，即在装样过程中压实试样，对试验结果的准确度有着至关重要的作用。

为进一步验证该结论，本文选取9组含水率为15%、20%和25%(各3组)的土样，研究其干密度和锥入深度的关系，如图2所示，锥入深度和含水率、干密度显著相关，随着含水率的增加而增加，随着干密度的增加而降低。不同种类的土在不同含水率条件下干密度和锥入深度的响应程度亦有差异。由此可知，利用液塑限联合测定法测定土体界限含水率时，所测试样在试验过程中保持同一干密度是确保试验结果相对准确的先决条件。

图2 干密度与锥入深度的关系曲线Fig.2 Curves of dry density versus conepenetration depth

4 竖向渗透分层取样对液、塑限联合测定结果的优化和改良

4.1 国标推荐法试验结果

4.1.1 试验方案

取0.5 mm筛下的代表性土样600 g，各分成3份，分别放入盛土皿中。根据3名试验员对该土样可塑状态下含水率的理解，依次调配接近液限、中间状态和塑限含水率的土膏,共调配3份平行土膏，密封并静置24 h后，3名试验员从每份土膏中各取2个平行土体试样，依次装样进行锥入试验。锥入试验结束后，当即测定试样杯内锥尖附近土样的含水率，进而按照国标推荐方法绘制锥入深度与土样含水率关系曲线，并计算液塑限值。

4.1.2 试验结果和结果分析

如图3所示，3次圆锥下沉深度与含水率的线性拟合中，前两次的试验数据线性拟合效果不佳，第三次的试验结果虽然经过高含水率数据点与其余低含水率两点的线性拟合，但在2条直线上所查得2 mm所对应的2个含水率的差值为3.26%，>2%，还需重做试验。

注：纵坐标为对数坐标。图3 国标推荐法圆锥下沉深度与含水率关系曲线Fig.3 Curves of conical settling depth versus moisturecontent by national standard recommended method

经过国标推荐法液塑限联合测定，试验数据还是未达到试验要求，试验员对界限含水率上都有自己的理解，试验习惯、制样的力度、试验测定的不同等都会影响试验数据的拟合效果及试验结果精度。试验数据精度结果差距大，很难验证试验数据的正确度。

为进一步探求试验误差产生的原因，本文对前述试验过程中的试样开展了干密度测试，试验结果的散点图如图4所示。由图4可见，同一土样在不同含水率下干密度具有显著的离散性。

图4 3种试样的干密度散点图Fig.4 Scatterplots of dry density of three samples

4.2 竖向渗透分层取样试验结果

4.2.1 试验方案

本文通过对南昌网纹红土、濮阳潮土、银川棕钙土和福州淤泥质土进行竖向渗透的制样分层取样，再进行液塑限联合测定仪测定锥入深度，通过含水率与锥入深度的关系曲线(w-hp曲线)的线性拟合效果，得出土样从可塑状态过渡到流动状态、半固体状态时的界限含水率。根据线性拟合效果的程度可分析竖向渗透制样试验的可靠性。试验流程如下：

取0.5 mm筛下的代表性土样15 kg。将土样调制工具内壁均匀涂抹凡士林，风干后将经0.5 mm筛的土样分层填入土样调制工具，每填土4 cm需经4 110 g的压实器进行自然压实，土样高度≥400 mm；向土样调制工具内注入2 000～3 200 mL纯水，初始液面高度约为50 mm，经自然渗透并覆膜静置24 h以上，待土样上方滞水完全渗入即制样完毕。试样制备完毕后，将底部预留透气孔的试样杯垂直压入表层土样获取近饱和状态的土膏，并经刮土刀刮平试样杯内土膏后待用。表层土样约50 mm可取3试样杯，每50 mm厚的土样取3试样杯，重复取土层50 mm以下的土膏进行垂直取样；取样完毕后即可将试样杯放入液塑限联合测定仪开展锥入测定试验。锥入试验结束后，当即测定试样杯内锥尖附近土样的含水率，进而按照国标推荐方法绘制锥入深度与土样含水率关系曲线，并计算液塑限值。

4.2.2 含水率分析

在加入不同纯水量和静置时间不同的情况下，通过对南昌网纹红土、濮阳潮土、银川棕钙土和福州淤泥质土进行竖向渗透试验，得到了不同深度下4次竖向渗透试验含水率的变化规律，并由此绘制出有关含水率的标准误差关系曲线，如图5所示。将土样分6层进行含水率测定，结果表明：4种土样在经竖向渗透制样后具有丰富的含水率，每种土样的最大和最小含水率差距均在10%以上，说明该优化方案提高了试验的精确度。

图5 不同深度下竖向渗透试验含水率的标准误差关系曲线Fig.5 Curves of standard error of moisture content invertical permeability test at different depths

4.2.3 干密度均匀性检验

土膏制备完毕后，刮除表层5 cm范围内土样，按照每5 cm一层自上而下取样，取样时将试样杯压入土膏，每层土膏平行取样3杯，然后分别测定所取土膏干密度。经测定不同深度处所制备土膏的干密度分布情况如图6所示。可以看出上述4次试验的干密度变化与土样深度并无直接关系，可判定为制样过程中的随机现象或操作误差；最大误差未超过2.3%，该误差对锥入深度的影响可以近似忽略。综上，可认为经优化后的土膏制备技术能够确保试验过程中进行土膏多次取样时干密度具有同一性。

图6 干密度随土层深度变化曲线Fig.6 Curves of dry density varying with soil depth

4.2.4 数据拟合结果和试验结果

按照本文给出的试验技术优化方法对南昌网纹红土、濮阳潮土、银川棕钙土和福州淤泥质土实施液塑限测定后，一次试验即可绘制具有理想效果的锥入深度与含水率关系曲线,如图7所示。根据线性拟合效果的程度可分析竖向渗透制样试验的可靠性，并根据拟合曲线，找出锥入深度分别为2 mm和17 mm的含水率作为土的液塑限，计算液塑限指数，其线性拟合方程及找出的液塑限指数如表2所示。

图7 竖向渗透分层取样法锥入深度与含水率的关系曲线Fig.7 Curves of coning depth versus moisture contentin vertical penetration stratified sampling method

表2 竖向渗透分层取样法试验结果Table 2 Result of vertical penetration stratified sampling test

4种土样锥入深度与含水率的关系曲线线性拟合相关性R2最优分别为0.966 8、0.978 4、0.960 3、0.974 4，R2>0.96，验证竖向渗透试样测得的含水率与锥入深度有较好的相关性，减少重做试验次数，优化试验过程，增加了数据准确性。

4.3 对比分析及不排水抗剪强度试验验证

通过《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)国标推荐法测定的4种土样界限含水率及塑性指数如表3所示。

表3 4种土样的界限含水率及塑性指数Table 3 Limit moisture content of four soil samples

竖向渗透取样和国标推荐法取样对土样所测得液塑限的数据偏差见图8。在4个地区的土样塑限和液限偏差中，取自福州的淤泥质土的偏差分别为3.67%和1.84%。潮土试样的塑限偏差最大，可知在制样过程中静置试样的时间长短，可直接影响潮土的塑限状态。其余的偏差都<4%。总体上讲，2种取样方法所测得的液塑限都在合理的范围内。

图8 液塑限在2种方法下的数据偏差Fig.8 Data deviation of liquid-plastic limitbetween two methods

根据塑性图来区分细粒土的分类，根据《土工试验规程—界限含水率试验》(SL 237-007—1999)提供的塑性图，可通过土样的IP和wL数据点在塑性图的位置来划分细粒土。根据竖向渗透取样和国标推荐法所测得的IP和wL数据点的位置，大致的土样分类为：南昌网纹红土(37.37%，15.37%)、(36.97%，14.76%)，为低液限黏土；濮阳潮土(32.31%，14.68%)、(33.09%，16.72%)，为低液限黏土；银川棕钙土，(26.82%，12.19%)、(27.83%，12.77%)，为低液限粉土；福州淤泥质土，(44.12%，18.8%)、(43.93%，17.68%)，为高液限黏土。2种取样方法测得的细粒土的分类相同，也间接说明该竖向渗透试验方法的可行性。

针对液、塑限与不排水抗剪强度的关系，国内外学者开展了很多基础性工作，亦取得了很多有价值的成果。Hansbo[13]早在1957年给出了不同锥角和质量情况下锥入深度与土体的不排水剪切强度关系，并得出了土的不排水剪切强度与圆锥锥入深度之间的关系式；聂守智[14]提出了锥入深度和土的不排水抗剪强度存在直线关系；Sherwood和Ryley[15]提出土体在界限含水量时剪切强度具有唯一性；Skemption 和Northey[16]表明塑限状态对应土的不排水剪切强度约是液限状态对应不排水剪切强度的100 倍，基于该结论我们可以通过液限对应的不排水抗剪强度快速求出塑限对应的不排水抗剪强度；Ter-Stepanian 和kopek[17]认为 Casagrande 液限仪确定某种土液限所对应剪切强度为 1～3 kPa;Wroth 和 Wood[18]通过分析不同种类土液限对应的强度值，得出重塑土不排水强度值约为1.7 kPa;Youssef 等[19]得到大量不同液限重塑黏土的剪切强度平均值约为1.7 kPa;Skemption 和Northey[16]等利用十字板剪切试验得出 4 种不同塑性指数土的液限对应的剪切强度为0.70～1.75 kPa；聂守智[14]通过大量试验得出重塑土液限不排水抗剪强度约为1.64～1.919 kPa。

根据前人在对重塑黏土液限所对应的不排水抗剪强度方面所产生的成果，可以进一步验证优化改进后所测定黏土液限的准确性。本文依据国标推荐法和竖向分层渗透法分别测定的液限指标重新配置试样后，对4种土样在液限、塑限状态下的不排水抗剪强度进行了测定，给出了4种试样排水抗剪强度，如图9所示。其中液限对应的抗剪强度相差的幅度分别为2.12%、8.28%、4.35%和6%，测定塑限对应的抗剪强度相差幅度分别为2.27%、3.74%、4.99%和1.55%，相差的幅度比例均<5%，差异不大。这从根本上说明国标推荐锥式液塑限联合测定法和竖向渗透分层取样液塑限联合测定法是相通的。