圓錐質量與細粒土界限含水率關系的探討

薛春梅

（山西省交通建設工程質量檢測中心（有限公司），山西 太原 030032）

0 引言

工程上將細粒組（即顆粒直徑小于0.075 mm）土粒質量大于或等于總質量50%的土稱為細粒土。根據含水率的不同，其稠度狀態可分為流動狀態、可塑狀態、半固體狀態、固體狀態。為了判別土的稠度狀態,須確定土從某一狀態過渡到另一狀態的界限含水率。其中，液限、塑限和塑性指數是工程上經常遇到的表示界限含水率的指標。液限(ωL)相當于土從塑性狀態轉變為流動狀態時的含水率，這時，土中水的形態除結合水外，已有一定數量的自由水。塑限(ωP)是相當于從半固體狀態轉變為塑性狀態時的含水率，這時，土中水的形態大約是強結合水含量的上限。而塑性指數(IP)可綜合反映二者之間的關系，就物理概念而言，它大體上表示土所吸著的弱結合水質量與土粒質量之比。吸著結合水的能力是土的黏性大小的標志；同時，弱結合水是使土有可塑性的原因。黏性和可塑性是黏性土的一種重要屬性，因此，塑性指數IP是對土進行分類和評價的依據[1]。

舒玉等[2]通過測試76 g圓錐下不同深度處土樣塑性指數，給出了17 mm和10 mm液限標準下細粒土塑性指數之間的回歸線性關系。胡雪梅[3]對新修訂的土工試驗規程中液塑限聯合測定法的試驗標準、控制方法、結果應用進行了相關研究。但目前《公路土工試驗規程》（JTG E40—2007）[4]液限和塑限聯合測定法中，界限含水率的確定采用76 g或100 g圓錐儀法，兩種檢測結果之間關系的研究較少。采用不同圓錐質量進行判定和評價的方法容易出現同種土指標不同的差異。為此，本文采用76 g與100 g圓錐測試細粒土界限含水率之間的差異及相關性進行分析，為工程應用提供一定的理論依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

從某高速公路路基施工現場選取了15個有代表性的土樣，其有機質含量均不大于試樣總質量的5%，土樣風干后過0.5 mm篩，取0.5 mm篩下的土樣進行試驗。試樣的制備以及試驗步驟嚴格按照《公路土工試驗規程》（JTG E40—2007）進行。

1.2 試驗方法

界限含水率試驗選用液限和塑限聯合測定法，儀器采用上海路達實驗儀器有限公司的LG-100D數顯式液塑限聯合測定儀。

采用三點測試，將3種不同稠度的土膏調拌均勻，悶料后開始試驗。將測得的含水率與相應的錐入深度繪制在錐深（h）-含水率（ω）雙對數關系圖上，數據處理依照JTG E40—2007《公路土工試驗規程》[4]執行。

1為錐體，2為配重塊，3為錐尖。m1+m2+m3=100 g；m1+m3=76 g。

2 試驗結果與數據分析

表1 不同條件測定的液限、塑限及計算的塑性指數統計分析表%

圖1 不同土樣液限的變化

表1中數據①⑤分別為76 g圓錐和100 g圓錐對應測得的液限含水率，兩種圓錐質量下測得液限含水率的關系見圖1，可見：對于細粒土存在ωL76g＜ωL100g的關系，差值大部分處于（0.5～1）%范圍內，且隨著液限的增大二者之間的差別越來越小。

圖2 不同土樣塑限的變化

76 g圓錐和100 g圓錐測得的塑限含水率如圖2。可見：細粒土存在ωp76g＜ωp100g的關系，當ωp小于20時，二者差異較大，當ωp大于20時，二者差異基本保持不變。隨著塑限值的增大，76 g錐和100 g錐塑限之間的差距有逐漸減小的趨勢。

圖3和圖4分別為兩種圓錐質量條件下所測液限和塑限的擬合關系圖，從圖3中可看出：ωL76g與ωL100g滿足y=1.048+0.984x的線性關系，相關系數為0.999，說明二者具備優良的線性對應關系，即同一個土樣在不同的試驗條件下ωL76g≈ωL100g（ωL100g略高于ωL76g，兩者之差小于1）。這一點在JTG E40—2007《公路土工試驗規程》不同標準下液限強度（不排水抗剪強度）中也有證實：76 g錐入土17 mm時的液限等效于100 g錐入土20 mm深度時液限。圖4表明：ωP76g與ωP100g滿足y=6.428+0.755x的線性關系，相關系數為0.936，二者同樣具有良好的線性關系。

圖3 ωL76g與ωL100g擬合關系

圖4 ωP76g與ωP100g擬合關系

圖5 液限與塑性指數關系

依圖5可見，在液限ωL76g、ωL100g均大于35%時，液限越大，塑限ωp76g與ωp100g的差距越小，這樣計算得到的塑性指數Ip76g與Ip100g也趨于一致。這是因為隨著液限的增大，利用回歸公式hp=ωL/(0.524×ωL-7.606)計算所得塑限錐深hp100g會越小，這樣使得同一個土樣的ωp76g與ωp100g也更接近，所以Ip76g與Ip100g更接近，此時兩種試驗方法的差異就很小。這與JTG E40—2007《公路土工試驗規程》條文的研究結果基本一致，哈爾濱建筑工程學院對砂類土、粉質土、黏質土3種土按錐質量475 g正應力計算，在不同含水率和密度下進行了500余組剪切試驗，結果表明液限ωL＞35%的點比較集中，hp值基本在2～3 mm范圍內波動，而ωL＜35%的點則相當分散，hp值變化較大。低塑性黏土和砂類土屬于或共存于ωL＜35%范圍內。因此，對于低塑性黏土和砂類土，兩種方法得到的結果也相差較大。

3 結論與討論

a）76 g圓錐與100 g圓錐對液限試驗結果影響較小，但是對塑限值影響較大。

b）對同一細粒土而言，液限和塑限在不同質量圓錐條件下所測值具有良好的線性關系。

c）對細粒土而言，塑性指數在不同圓錐條件下隨土樣液限的增大而增大。此外，當土樣ωL＜35%時，圓錐質量對其塑性指數影響較大；當土樣ωL＞35%時，圓錐質量對其塑性指數影響較小。