基于液、塑限联合测定法的界限含水率试验研究

2023-11-11曾少嫣

陕西水利 2023年11期

曾少嫣

（广东丰源建设工程检测有限公司,广东河源 517000）

液限和塑限是土壤工程学中常见的两个重要参数,是描述土壤塑性、可塑性和压缩性等特性的重要指标[1]。对细粒土进行分类和工程性质评估的基本试验项目是测量其液限和塑限,这是必不可少的。液、塑限是评价土壤性质和分类的重要依据,因此,这项试验具有重要的意义。液、塑限联合测定法被广泛运用于国内外细粒土的含水率测量,以得出精确的试验数据和更精细的分析[2]。

1 液、塑限联合测定法的简述及原理

1.1 液、塑限联合测定法的简述

液、塑限联合测定法是一种常用于土壤力学实验中测定土壤液限和塑限的方法,在国内外都得到广泛应用[3]。液限和塑限是土壤固体颗粒排列和结构性质的重要指标。液限是指土壤在一定水分条件下由固体状态向塑性流动状态转化的水分含量。实验中,将一定质量的湿土样品放置于液限仪器中,通过在土样上施加规定的震动次数,测定土壤的液限指数。而塑限是指土壤在一定水分条件下,由可塑性流动状态向半固态过渡的水分含量[4]。实验中,将一定质量的土样在滚筒或平板上加水、揉捏,逐渐加水直至土样能够串切至直径为3 mm 时停止加水,记录此时土壤的水分含量,即为塑限含水量。液限反映了土壤流动性的特征,塑限则描述了土壤可塑性的特点。液、塑限联合测定法旨在确定土壤的工程性质和分类。

1.2 液、塑限联合测定法的试验原理

液、塑限联合测定法的理论依据[5]是通过测定液、塑限值,可以得到液性指数和塑性指数,从而评估土壤的工程性质、可塑性和流变特性等方面指标。此试验原理基于细粒土的物理性质和结构相互作用关系,根据细粒土的液、塑限特性发生变化,进而对土壤工程性质进行评估。此法具有测量精度高、结果稳定、操作简单等优点,被广泛应用于细粒土样的液、塑限测定。

具体是锥入深度与含水率的关系在双对数坐标上的曲线称为压缩曲线,是圆锥压实试验中的重要结果之一。在进行试验时,先称量一定量的土样,经过一系列抛击和筛分操作后确认含水率,然后将土样加入圆锥试验仪中,用定量的力将圆锥压入土样中,并以某一速度将圆锥拔出。在这个过程中,剪切力的垂直分量A 与圆锥的重量p 达到平衡。在进行联合测定时,我们可通过测量土样在不同含水率下的抗剪强度来确定液、塑限,从而确定土壤的液态和塑性特性。

式中：α为圆锥的顶角；h 为圆锥下沉深度。

2 试验设备及步骤

2.1 试验设备

进行液、塑限联合测定法的界限含水率试验的设备主要有液、塑限联合测定仪和天平。

①液、塑限联合测定仪：用于进行细粒土的液、塑限测定,是土工试验室中常用的一种设备。该仪器的主要组成部分包括试验仪器与控制仪器。试验仪器包括土样杯、模具、锥形针等,控制仪器则包括电压稳定器、计时器、搅拌器等。

②天平：称量200 g,最小分度值0.01 g。

③筛：孔径0.5 nm。

④其他。

2.2 试验步骤

基于液、塑限联合测定法的界限含水率试验主要用于测定细粒土的含水率,是土力学试验中较为重要的一个试验项目。其试验步骤主要包括取样、试样制备、含水率测定以及数据处理等。

①取样：取一定量的细粒土样,通常要求样品重量在50 g 以上,避免部分含水率过高、过低,导致试验结果偏差。

②试样制备：将取得的样品通过分选和碾压,制成规定尺寸的试样。采用分选法建议将土壤过筛,在筛孔为0.425 mm 的筛子上分选,得到目标细粒土,再将其进行碾压,制成1 cm～2 cm 厚的圆盘状试样。制样时要注意试样的密实度和均匀性,确保试样的质量。

③测定含水率：将试样置于充分浸泡的液体中,等待其吸水至饱和状态,然后通过液、塑限法测定其液限和塑极限之后逐渐去水,测定通过液、塑限法得出的液态指数和塑性指数数据,通过计算得到试样的干重。

④数据处理：根据试验所得到的液态指数、塑性指数以及干重数据计算出试样在不同含水率时的重量,并绘制出液限、塑限曲线。通过液、塑限曲线可以得到所有的液限指数、塑性指数、含水率之间的变化关系。在此基础上,可以进一步计算得到土壤的界限含水率。

基于液、塑限联合测定法的界限含水率试验,可以快速、准确地测定细粒土的界限含水率,是土力学试验中常用的一项试验方法,被广泛应用于土工工程、建筑工程等领域。

3 试验结果处理

3.1 试验结果计算

（1）由液、塑限联合测定法的试验原理中可知,锥入深度h 与相应含水率w 之间的关系往往是复杂的,但在一定范围内,它们之间具有双对数直线关系。而锥入深度h 可以反映土样在特定含水率w 下的抗剪强度,但并不是直接的抗剪强度值。实际上,采用联合测定法是测定土的界限含水率与抗剪强度之间的关系。联合测定法采用液塑限分析方法测定土的液限和塑限,并实测圆锥下沉深度,据此确定土的界限含水率。然后,在实验室中进行剪切试验,测定土在不同含水率下的抗剪强度,并通过统计分析建立土的界限含水率与抗剪强度之间的关系。

式中：md为干土质量,g；m0为湿土质量,g。

圆锥入土深度在双对数坐标纸上绘制关系是土壤力学中常用的一种方法,锥入深度与含水率的关系见图1。该方法可以用于分析土壤的不同力学性质,如强度、变形模量等与深度之间的关系。在双对数坐标纸上绘制的圆锥入土深度与深度间关系曲线被称为圆锥压缩曲线,可以通过该曲线来评估土壤的力学性质。

图1 锥入深度与含水率（h～w）的关系

塑性指数应按下式计算：

式中：Ip为塑性指数；ωL为液限,%；ωP为塑限,%。

液性指数应按下式计算：

式中：IL为液性指数,计算至0.01。

进行塑限实验时,记录好相应的含水率和抗压强度数据,得到在不同含水率条件下的塑限和抗压强度数据。根据所得数据,可以通过数学计算、拟合等方法,建立塑限入土深度和液限的关系模型,两者之间的～关系见图2。即采用回归分析,将塑限入土深度的对数与液限的对数作为自变量和因变量进行回归计算,确定两者之间的函数关系式。利用所建立的关系模型,可以推导出不同液限下的塑限入土深度,从而对土壤的力学性质进行定量评估。

图2 hP～ωL 关系图

需要注意的是,液、塑限联合测定法的数据处理和分析过程相对较为复杂,需要准确的实验操作和数据处理方法。同时,不同土壤类型、成分和结构等因素也会对塑限入土深度和液限的关系产生影响,所以在具体实验操作中需要综合考虑各种因素的作用。

3.2 相关性研究的结果

（1）一号土的锥入深度与含水率的相关性研究

一号土的各项试验结果见表1。

表1 一号土的相关技术指标

对一号土取土100 g 进行粒组分析,其试验结果见表2。

表2 一号土的粒组分析报告

一号土的不同含水率时的锥入深度试验结果见图3。

图3 一号土的锥入深度与含水率的相关图

以图1 和图3 上共同分析可知,若C 点的锥入深度小于3 mm,则无法与A、B 两点连成一条直线,无法用线性关系模型来预测C 点对应的含水量,当土样的锥入深度在3 mm 及以上时,含水量和锥入深度之间呈现出良好的线性关系,对3 mm以上的点进行回归分析发现,得到相关系数r 为0.9982,说明一号的土锥入深度在3 mm 以上时呈现良好的的线性关系。

（2）二号土的锥入深度与含水率的相关性研究

二号土的各项试验结果见表3。

表3 二号土的相关技术指标

对二号土取土100g 进行粒组分析,其试验结果见表4。

表4 二号土的粒组分析报告

对该土样进行含水率和锥入深度试验,不同含水率时锥入深度试验结果见图4。

图4 二号土的锥入深度与含水率的相关图

从图4 可以看出,当土的锥入深度在3 mm 以上时,含水量和锥入深度呈现良好的线性关系。在3 mm 以下时,相关性较差。在试验检测中, 对照图1 若C 点的锥入深度小于3 mm, 则无法与A、B 两点连成一条直线,对3 mm 以上的点进行回归分析发现,得到相关系数r 为0.9922,说明二号土的锥入深度在3 mm 以上时呈现良好的线性关系。

从上面两个试验结果来看,本试验所选择的两种土的研究结果,含水率和锥入深度的关系图均在锥入深度3 mm 以上时呈现良好的线性关系,相关性较好。