渤海近海口軟黏土液塑限試驗研究

畢慶濤 曹世超 吳琦 吳家琦 丁柄棟

摘要：液塑限是為細粒土定名分類、評價工程性質的重要參數，通過對渤海近海口沉積的軟黏土進行液塑限聯合測定試驗和顆粒分析試驗，研究了該地區細粒土的液塑限影響因素，并提出了一些建議。研究結果顯示，土體中膠粒含量影響著土體的塑性指數，并且在反映土樣可塑性時有一定的界限和范圍，渤海近海口軟黏土膠粒臨界含量為7.5%。對不同規范所取的測點入土深度區間進行試驗研究發現，《土工試驗規程》與《土工試驗方法標準》測得的土體液塑限指標不同，其原因可能是測點入土深度和對應的含水率并非理想的線性關系，建議在進行液塑限聯合測定時考慮此因素，從而使結果更加準確。

關鍵詞：液塑限聯合測定法：塑性指數;可塑性;膠粒;測點入土深度

中圖分類號：TV41

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000-1379.2019.05.032

液塑限是土工試驗中不可缺少的一項基本試驗，通過測定液限和塑性指數可初步對細粒土進行分類定名[1-2]。細粒土包括粉土和黏土，粉土是一種介于黏土和砂土之間的具有特殊工程性質的過渡性土[3]。現階段對細粒土的分類定名一般有兩種方法：一種是根據塑性圖利用塑性指數和液限分類定名：另一種是結合顆粒分析結果和土的塑性指數共同對其進行分類定名[4-5]。因此，液塑限指標的正確性影響到土體的劃分和評價，準確測定土體的液塑限指標具有重要意義。

影響液塑限指標的因素主要有測定方法、測點人土深度、不同粒徑土體含量等，國內外學者關于液塑限試驗的研究取得了很多成果。液塑限的測定方法通常有液塑限聯合測定法（落錐法）、標準圓錐法、碟式液限儀法、搓條法等，碟式液限儀法、搓條法不容易控制，人為因素影響較大且耗時長，聯合測定法操作簡單、數據容易處理、效率高，因此液塑限試驗常用聯合測定方法[2]。Feng等[6]分別用落錐法和滾搓法測定土體的液塑限，并建議使用落錐法測定土體的液塑限。蔣佰坤等[7]通過大量試驗說明了利用聯合測定法取代搓條法在液塑限試驗中的可行性。有很多文獻提出圓錐測定人土深度可能影響土體的液塑限指標。由于不同規范對液塑限試驗所取的測點人土深度范圍不同，因此導致同一種土可能有不同的液塑限指標[5]。楊三興[8]建議在規范規定選取的3個深度范圍外增加2個測點深度，這樣可使測得的結果更加準確。周曉杰[9]用液塑限聯合測定儀對陜西黃土進行了一系列液塑限影響因素試驗，建議將規定的圓錐下沉深度由原來的20 mm改為12 mm。曹學禹[1O]通過研究不同材料土體的圓錐人土深度與其液塑限的相關性，建議黏性土測點人土深度取3 mm以上，而粉煤灰選深度4 mm以上的點進行試驗。郭瑩等[5]用液塑限聯合測定法測定了大連地區粉土和粉砂的液限和塑限，得出若黏粒含量低于13%，則認為測得的塑性指數不能完全反映該土樣真實的塑性的結論。董均貴等[11]研究了粒徑和比表面積對土體液塑限和塑性指數的影響規律，建議在進行液塑限試驗時考慮粒徑對土體液塑限的影響。

可見，液塑限的影響因素主要是測點人土深度和土體顆粒級配。筆者通過對渤海近海口軟土進行液塑限試驗，在獲得該區域土樣基本性質的基礎上，研究了粉土分類定名過程中液塑限試驗的重要性及液塑限試驗中測點人土深度對試驗結果的影響，并對細粒土的分類定名提出了一些建議。

1 研究對象和試驗方案

1.1 研究對象

本次試驗土樣取自渤海近海口工程地基土層，包含黏土、壤土、砂壤土、淤泥質黏土、淤泥質壤土5類，其中淤泥質土層含水量較高，處于軟塑一流塑狀態.土質不均勻，含有貝殼碎片，鑒于液塑限試驗的性質，本次重點研究黏土和淤泥質黏土。

1.2 試驗方案

分別對所取土樣進行顆粒分析試驗和液塑限試驗，重點研究液塑限試驗。顆粒分析試驗采用密度計法，操作步驟嚴格執行《土工試驗規程》[4]和《土工試驗方法標準》[12]的規定。液塑限試驗采用聯合測定法，所用儀器為南京土壤儀器有限公司生產的GYS-2型液塑限聯合測定儀，落錐質量為76g，錐角為30°，盛土杯直徑為50 mm.高度為40-50 mm;電子天平最大量程為300g，最小感量為0.01g。

用木棒在橡皮板上將風干土樣壓碎，過孔徑0.5mm的土工篩，每種土樣取800 g分成5份，對各土樣加入適量蒸餾水攪拌均勻放置24 h以上。試驗時取出均勻土樣，置于盛土杯中，利用儀器進行測量。根據不同規范[4，12]規定的液塑限圓錐下落深度取值范圍，本次試驗的錐人深度分別取3-4、4-5、7-9、9- 11、15 -17 mm，對14個土樣進行液塑限試驗，測出符合要求的錐入深度后，立即改變測試點的位置重新測定，且兩次測試點深度允許誤差為0.5 mm，否則需要重新測定。試驗中需要反復調整水土含量才能達到要求的錐人深度，取兩次測定的平均值作為該點的錐人深度。分別取得滿足上述錐人深度要求的土樣，采用烘干法測定其含水量，然后將其放人烘箱稱量并計算對應的含水率。對試驗數據進行處理并繪制曲線圖，取液限深度10 mm對應的含水率為土樣的液限值，塑限深度2 mm（通過數據處理作圖確定的）對應的含水率為土樣的塑限值，當深度2 mm處對應的兩個含水率值大于2%時重新進行試驗。

2 試驗結果

根據《土工試驗規程》《土工試驗方法標準》（以下分級簡稱規程和標準）查得14個土樣的液限和塑限并計算塑性指數，結合顆粒分析得到的顆粒級配結果對土樣進行分類，結果見表1。

（1）結合顆粒分析結果和液塑限試驗結果按《建筑地基基礎設計規范》為土分類和只依據液塑限試驗按塑性圖為對某些土樣進行分類存在差異。一般來講，土體的塑性指數取決于土的黏聚力，即由土中膠粒、黏粒含量決定[5]，膠粒含量越大，土體黏聚力越大，從而塑性指數越大，故膠粒含量越大的土樣塑性指數越大，但由表1可知一些土樣并不遵從這種規律，最終導致分類不同。以膠粒含量為4..9%的①號土樣和膠粒含量為16.1%的②號土樣為例，兩者砂粒含量相差不大，但后者膠粒含量比前者大，但塑性指數前者較大，顯然前者的塑性指數存在問題，故只根據塑性圖分類與結合顆粒分析結果分類存在矛盾。

（2）同一土樣在不同規范下測得的液塑限指標并不相同，即土樣的液塑限指標隨所取的測點人土深度范圍的不同而不同。盡管大部分土體液塑限值偏差很小，基本不影響土樣分類結果，但由表1發現部分土樣的分類受液塑限指標影響較大，測點人土深度范圍的選取會影響土體的分類結果。

3 分析與討論

粉土是一類特殊性質的土，兼具砂土和黏土的特點[3]，而液塑限試驗主要測定和評價細粒土的液塑限指標，當土中所含膠、黏粒含量過少（如①、（11）號土樣等）或者砂粒含量過大（如③號土樣等）時所測得的液塑限實際上不能用來評價土樣，并且當砂粒含量過多而膠黏粒含量只占砂顆粒空隙的一小部分[14]時，進行液塑限試驗會出現圖1所示表面泛水的“溢杯”和“彎盆”[10]液化現象，并且圓錐落人后一直下沉，長時間不穩定，測得的液限偏大，造成試驗結果參考價值不大，所以不建議利用塑性圖對土進行分類，應充分結合顆粒分析試驗進行分類，并且考慮土樣為非塑性土[15]。

另外，土樣中顆粒粒徑分布不同，從膠、黏粒含量來看，土中膠、黏粒含量越多顆粒的比表面積越大，土體產生的黏聚力越大，塑性越高，可認為測得的塑性指數是土體可塑性的反映。但當膠、黏粒含量較少時，粉粒和砂粒占多數，則土體變為粉砂或者砂土，盡管可以通過液塑限聯合測定法得到塑性指數，但并不具有參考價值，即土體可塑性很差或基本無可塑性，因此膠、黏粒含量是否可準確反映土體的可塑性是需要考慮的問題。而膠粒含量可通過土體的塑性指數反映出來[5]。從表1可看出：④號土樣及⑩號土樣除膠粒含量不同外，其他顆粒含量分布大致相同，前者比后者膠粒含量多，其塑性指數較后者小，因此后者的塑性指數并沒有真實反映土體的可塑性。⑨號土樣和⑩號土樣粒徑分布大致相同，前者膠粒含量稍大于后者，從塑性指數來看，前者稍大于后者，較真實地反映了土體的可塑性。其他膠粒含量高于7.5%的土樣可塑性較好。而③號土樣膠粒含量僅為4.6%.但塑性指數卻高達16.7，原因可能是顆粒表面毛細現象嚴重，毛細壓力將土粒凝聚在一起，而不是內部黏聚力使其凝聚在一起，是“假塑性”[1O]，這不是土樣真實可塑性的體現，所以所測得的塑性指數偏大，進而影響對土樣工程性質的正確評估。因此，筆者認為在反映土樣可塑性時有一定的界限和范圍，綜合其他學者的研究發現，膠粒含量是影響其可塑性的重要因素，可能存在膠粒含量臨界值，對于本次研究的14個土樣來說膠粒含量臨界值為7.5%，當土體的膠粒含量低于該值時，用測得的液塑限值對該土體進行分類并不適用。

圓錐不同下沉深度對土樣塑性指數的影響原因分析如下：從數據處理角度來看，規范對于液塑限試驗數據的處理依據為測點人土深度與對應的含水率在對數坐標上應為一條直線，查得深度10 mm對應的含水率為該土的液限，深度2 mm對應的含水率為該土的塑限，塑性指數為兩者之差。但從上述試驗結果來看，同一種土在不同人土深度下的液塑限指標不相同，因此筆者猜想各測點人土深度和對應的含水率之間并非理想的線性關系，從而造成同一種土樣對應不同的液塑限指標。此外，規范要求數據處理時圓錐下沉深度2mm處對應兩個含水率之差小于2%時試驗結果有效，大于2%時試驗結果無效，因此不同數據對應的深度2mm處含水率差值在小于2%的范圍內即可認為有效可取，但并不一定兩次測得的深度2 mm處兩個含水率的差值都相等，即可能出現一個為0.1%，一個為1 .g%的情況。另外，液塑限指標要求僅保留一位小數也會造成分類結果有一定的偏差[16]。由于本次所研究的圓錐下落深度范圍相差很小，因此從最終結果來看，土樣的液塑限指標不大，但仍需要考慮下沉深度的影響問題。

4 結論

利用液塑限聯合測定儀對渤海近海口地區14個土樣運用液塑限聯合測定法進行了不同測點人土深度范圍的液塑限試驗，并與密度計法測得的顆粒分析試驗結果結合對土樣進行分類，得到如下結論：

（1）作為劃分土的類別和評價土的工程性質的重要指標，膠、黏粒含量對土體的塑性指數影響較大，膠、黏粒含量越高，土體的塑性指數越大。聯合測定法測得的土體液塑限及塑性指數在反映土樣可塑性時有一定的界限和范圍，本次所研究地區膠粒含量高于7.5%的土樣能夠真實反映其可塑性，而低于該值的土樣試驗結果并不能真實反映其可塑性。

（2）對于土樣分類，首先應對其進行顆粒分析試驗，若測得的膠粒含量超過7.5%則有必要進行液塑限試驗：若測得的膠粒含量小于該值則無需進行液塑限試驗，考慮該土為非塑性土，直接按顆粒分析試驗結果進行分類。

（3）每種規范都有其適用性，存在偏差。本次針對《土工試驗規程》和《土工試驗方法標準》所采用的不同測點人土深度范圍進行試驗發現，同一土樣在不同規范要求下得到的液塑限指標并不相同，原因可能是所選的人土深度范圍與對應的含水率之間并非簡單的線性關系，建議增加幾個測點人土深度范圍并充分結合工程經驗測出更準確的結果。

以上結論是根據渤海近海口地區部分土樣試驗初步得到的，對于其他不同地區、不同特征土樣的適用性還需進一步研究。

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【責任編輯張華巖】