土工液塑限試驗成果確定方法芻議

摘要：通過選取具有一定代表性剖面的不同稠度狀態(tài)的不同細(xì)粒土為研究對象，已獲取準(zhǔn)確可靠的野外樣品及實驗、測試數(shù)據(jù)，并結(jié)合前人的研究成果，采用解析幾何的直線方程建立其數(shù)學(xué)表達(dá)式對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，綜合利用解析法、Excel對傳統(tǒng)液塑限聯(lián)合試驗作圖法進(jìn)行改進(jìn)，以直接消除人工計算和繪圖產(chǎn)生的誤差。在改進(jìn)作圖法的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步利用QBASIC編程，可方便快捷地運算、作圖，提高數(shù)據(jù)處理的速度和精度，使試驗更加準(zhǔn)確直觀確定細(xì)粒土的液塑限指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：液塑限試驗；細(xì)粒土；解析法；QBASIC編程；試驗優(yōu)化；成果確定。

1概述

液限、塑限是指細(xì)粒土處于可塑性狀態(tài)的上限含水量和下限含水量。它是細(xì)粒土的兩個重要物理指標(biāo)，用以劃分土類、計算天然稠度、塑性指數(shù)，提供參數(shù)供工程之用。因此，正確地確定細(xì)粒土的液限、塑限指標(biāo)對工程建設(shè)具有重要的意義。

液限和塑限的測定屬于室內(nèi)土工常規(guī)試驗項目，其目的主要是測定細(xì)粒土的液限和塑限，并根據(jù)試驗結(jié)果計算塑性指數(shù)和液性指數(shù)，因此研究內(nèi)容屬于土力學(xué)的試驗研究領(lǐng)域。

根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（ GB/ T50123 - 1999），行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2007）、《水電水利工程土工試驗規(guī)程》（DL/T5355-2006）、《鐵路工程土工試驗規(guī)程》（TB 10102-2004），對小于0.5mm的土試樣的液塑限的確定方法有液塑限聯(lián)合測定法、碟式儀液限法及滾搓法。滾搓法具有標(biāo)準(zhǔn)不易掌握，人為因素影響較大等缺點；碟式儀液限法主要用于美國，我國應(yīng)用較少，而液塑限聯(lián)合測定法具有操作簡單，所測數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)易于統(tǒng)一等優(yōu)點，因此應(yīng)用越來越廣泛。

聯(lián)合測定法采用光電式液塑限聯(lián)合測定儀等，用100g（或76g）圓錐儀測定在5s時土在不同含水量時的圓錐下沉深度。在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上繪制圓錐下沉深度和含水量的關(guān)系直線，公路土工試驗規(guī)程規(guī)定，在直線上查得圓錐下沉深度為20mm處的相應(yīng)含水量為液限（水電土工試驗規(guī)程、鐵路和國標(biāo)為圓錐下沉深度為17mm或10mm處的相應(yīng)含水量為液限）。然后再將液限帶入公式計算出下沉深度hP，hP對應(yīng)的含水量為塑限wp（而水電土工試驗規(guī)程圓錐下沉深度為2mm處的相應(yīng)含水量為塑限，顯然，公路土工試驗規(guī)程按變數(shù)hP確定含水量更為合理，因為hP值隨土質(zhì)而異）。

關(guān)于液塑限聯(lián)合試驗的數(shù)據(jù)分析整理，公路土工試驗規(guī)程、水利電力土工試驗規(guī)程等都已做了比較明確的規(guī)定，但這些土工試驗規(guī)程之規(guī)定較為繁瑣，特別是對每一土樣均在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上繪制lgw - lgh直線，不僅工作量大，極易造成人為的誤差，而且在試驗過程中可能造成△wP ≥2%，使試驗拖延一個周期。

目前對于液塑限試驗數(shù)據(jù)處理的常用方法有：回歸分析法、最小二乘法和解析法。回歸分析法對應(yīng)于搓條法，通過相關(guān)系數(shù)和顯著性檢驗來控制試驗精度；液限由儀器控制，精度高，直接按照公式由液限計算出塑限。但此法相關(guān)性有地方性，可信度較低，局限性大。最小二乘法的原理是根據(jù)下沉深度與含水率的線性關(guān)系，求得待定系數(shù)，在雙對數(shù)坐標(biāo)中繪出直線，從而得到土樣液塑限值。由于其通過相關(guān)系數(shù)r來控制精度，導(dǎo)致其精度相對較低。

為此，采用解析幾何的直線方程建立其數(shù)學(xué)表達(dá)式對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，并綜合利用Excel強大的數(shù)據(jù)處理功能和Autocad強大的繪圖功能，提出一種方便快捷準(zhǔn)確處理數(shù)據(jù)的新方法，且采用Autolisp、QBASIC進(jìn)行編程，可極大地提高數(shù)據(jù)處理的速度和精度。在此基礎(chǔ)上提出控制錐沉量偏差的基于試驗過程的優(yōu)化設(shè)計（編制快速查找不同含水量的不同土質(zhì)與加水量關(guān)系應(yīng)用圖表），這樣就可有效避免試驗拖延一個周期。解決在不同塑性狀態(tài)下圓錐儀入土深度的量測技術(shù)，提高工效。通過對測試儀器改進(jìn)，使其對土類的適合性廣、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，解決在不同塑性狀態(tài)下圓錐儀入土深度的量測技術(shù)，提高工效。

另外，采用液、塑限聯(lián)合測定法針對部分細(xì)粒土和粉砂進(jìn)行液、塑限測定時，發(fā)現(xiàn)對于部分細(xì)粒土在雙對數(shù)坐標(biāo)上圓錐下沉深度與含水率之間的關(guān)系并非線性關(guān)系，無法依據(jù)線性關(guān)系確定液、塑限：采用規(guī)程建議的三個含水率范圍有時根本無法獲得有效試驗數(shù)據(jù)；采用規(guī)程建議的三個含水率范圍確定得到土的液、塑限試驗結(jié)果的可靠性有待商榷；采用直線段試驗數(shù)據(jù)確定的液、塑限進(jìn)行分類可能出現(xiàn)相互矛盾甚至錯誤的結(jié)果。由于液限和塑限含水率是確定細(xì)粒土的定名和物理狀態(tài)的重要參數(shù)，試驗方法可靠與否直接關(guān)系到這類土的工程應(yīng)用，因此深入探討聯(lián)合測定法對于細(xì)粒土的適用性問題不僅具有一定的理論意義，而且具有重要的實際工程參考價值。

2 試驗儀器設(shè)備

研究所用儀器設(shè)備如下：

外業(yè)地質(zhì)測繪：地質(zhì)錘、地質(zhì)羅盤、手持GPS、放大鏡、溫度計、鋼卷尺、照相機、筆記本等。

鉆探取樣：XY-100型鉆機、麻花鉆，配備薄壁不銹鋼取土器、厚壁取土器、標(biāo)準(zhǔn)貫入器（圖4-1）。

測量：NTS-352全站型電子速測儀；測量采用全站儀和RTK測量系統(tǒng)。

室內(nèi)土工試驗：采用SYS系列數(shù)顯液塑限聯(lián)合測定儀、光電式塑限測定儀、電熱干燥箱、電子天平、土樣分篩、托盤天平、電子秤等。

另外配備汽車、電腦、數(shù)碼相機、打印機等設(shè)備和交通工具。

3 研究步驟、內(nèi)容

（1）在大量收集國內(nèi)外相關(guān)重要文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，針對采用液塑限聯(lián)合測定法，對于部分細(xì)粒土在雙對數(shù)坐標(biāo)上圓錐下沉深度與含水率之間的關(guān)系并非線性關(guān)系，無法依據(jù)線性關(guān)系確定液、塑限，采用規(guī)程建議的三個含水率范圍有時根本無法獲得有效試驗數(shù)據(jù)，采用直線段試驗數(shù)據(jù)確定的液、塑限進(jìn)行分類可能出現(xiàn)相互矛盾甚至錯誤的結(jié)果等試驗現(xiàn)象，從聯(lián)合測定法確定液、塑限的試驗原理探討了該方法的本質(zhì)和適用性，從試驗原理、土微觀結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行綜合研究，認(rèn)為用聯(lián)合測定法所測的結(jié)果只是土抗剪強度的一個反映。只有當(dāng)細(xì)粒土黏粒含量足夠大，土中抗剪強度由凝聚分量主導(dǎo)時，聯(lián)合測定法適用。

（2）本研究依托路基土建工程項目（圖1-1），以選取具有一定代表性剖面的不同稠度狀態(tài)的不同種類細(xì)粒土為研究對象，已獲取準(zhǔn)確可靠的野外樣品及實驗、測試數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行顆粒分析和聯(lián)合測定法確定液、塑限。

通過對試驗數(shù)據(jù)及分類定名結(jié)果的分析比較初步認(rèn)為，12.6%是聯(lián)合測定法適用的最低黏粒含量。對于黏粒含量高于12.6%的粉土，聯(lián)合測定法適用，能夠測量其液、塑限，所確定的塑性指數(shù)值能夠真實反映或接近其真實可塑性。其后為了進(jìn)一步驗證所得結(jié)論，針對三種粉土，分別與一種黏粒含量較大的天然黏土進(jìn)行多種組合的配比試驗，配比后的土樣其黏粒含量均介于原粉土與原黏土之間，并對各種配比后土樣進(jìn)行聯(lián)合測定法確定液、塑限的試驗研究，得出各種土對聯(lián)合測定法適用的最低黏粒含量限值因粒徑組成不同、礦物組成不同等因素，存在微小差異，在12.5%到15.6%之間；當(dāng)圓錐下沉深度在2.5～3.6mm之間的試驗點存在，且與其他試驗點之間能形成良好的雙對數(shù)直線關(guān)系，即認(rèn)為土中黏粒含量超過該土對聯(lián)合測定法適用的最低限值，聯(lián)合測定法適用。在對土樣進(jìn)行分類定名時，如果人為初步判斷為細(xì)粒土，則可以先進(jìn)行聯(lián)合測定法試驗，如果2.5～3.6mm范圍內(nèi)試驗點存在，且與其它三個建議范圍內(nèi)試驗點形成良好的雙對數(shù)直線關(guān)系，則認(rèn)為聯(lián)合測定法對土樣適用，所得液、塑限及IP值為真實值，可不進(jìn)行顆分試驗，直接根據(jù)聯(lián)合測定法試驗結(jié)果按塑性圖分類實現(xiàn)對土的分類定名。否則認(rèn)為聯(lián)合測定法不適用，必須對土樣進(jìn)行顆粒分析試驗。分類定名以顆粒分析試驗結(jié)果為主。

（3）結(jié)合前人的研究成果，采用解析幾何的直線方程建立其數(shù)學(xué)表達(dá)式對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，即

利用解析法、Excel和Autocad對傳統(tǒng)液塑限聯(lián)合試驗作圖法進(jìn)行改進(jìn)，可以直接消除人工計算和繪圖產(chǎn)生的誤差。在改進(jìn)后作圖法的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步利用Autolisp 、QBASIC編程，可方便快捷地運算、作圖，提高數(shù)據(jù)處理的速度和精度，使試驗更加準(zhǔn)確直觀確定細(xì)粒土的液塑限指標(biāo)。

（4）提出控制錐沉量偏差的基于試驗過程的優(yōu)化設(shè)計（編制快速查找不同含水量的不同土質(zhì)與加水量關(guān)系應(yīng)用圖表），這樣就可有效避免試驗拖延一個周期。

（5）通過對測試儀器改進(jìn)，使其對不同細(xì)粒土適合性廣、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，解決在不同稠度狀態(tài)下圓錐儀入土深度的量測技術(shù)，提高工效。

4 工作建議

1、本次試驗由于受時間、地域等條件所限，未能收集大量不同地域、不同成因、不同礦物組成土樣進(jìn)行更多的試驗研究，進(jìn)行更大規(guī)模、更廣泛的試驗研究能夠進(jìn)一步完善所獲得的結(jié)論。

2、粒徑相同但黏土礦物不同，對水的吸附能力也有差異，因此黏土礦物可能是造成對于不同土體聯(lián)合測定法適用與否的黏粒含量的界限值略有不同的主要原因，如果能就此方面展開研究，把土樣的黏土礦物組成因素考慮進(jìn)去，相信能使結(jié)論更完善、實用性更強。

3、控制錐沉量偏差的基于試驗過程的優(yōu)化設(shè)計（編制快速查找不同含水量的不同土質(zhì)與加水量關(guān)系應(yīng)用圖表），需要深入研究多因素影響。對測試儀器改進(jìn)，使其對不同細(xì)粒土適合性廣、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，解決在不同稠度狀態(tài)下圓錐儀入土深度的量測技術(shù)，提高工效。

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Abstract：By choosing a certain representative section of different consistency condition of fine grained soil as the research object， have access to accurate and reliable field samples and test， test data， and combining previous research results， the linear equation set up its mathematical expression of analytic geometry was carried out on the test data calculation， comprehensive utilization of analytical method， Excel the traditional liquid plastic limit joint drawing method to improve test， and to eliminate the error of the artificial calculation and drawing to produce directly. Graphic method on the basis of further improvement in the use of qbasic.the programming， can be convenient and quick operation， construction， improve the speed and precision of data processing， make the experiment more accurate intuition to determine liquid plastic limit indicator of fine grained soils.

Key words： Liquid plastic limit test； Fine grained soils； Analytical method； Qbasic programming； Test optimization； Results to determine.

基金項目：2012年福建省教育廳B類科技項目（JB12363） 、2012年福建省交通運輸廳交通運輸科技發(fā)展重點項目（201209）。

作者簡介：盛海洋（1963-），男，河南南陽人，教授，從事地質(zhì)與巖土工程教學(xué)和研究工作。