土的塑限试验对比及算法优化分析

2013-10-19于大鹏綦建峰

河南科技 2013年12期

于大鹏綦建峰

(1.贵州省地矿局 103地质队，贵州铜仁 554300;2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221008)

0 引言

土的塑限和液限指标是指粘性土处于可塑状态的上、下界限含水量。根据土的界限含水量可计算液塑性指数[1，2]。在岩土工程中，液塑限指标的准确性涉及土壤分类及定名的准确确性，影响土样状态的确定，进而影响到土的承载能力的计算公式和设计桩基参数等[3]。所以正确地确定土的液塑限指标对工程建设具有很重要的意义。

目前对于土的塑限试验研究相对成熟，我国常用土的塑限的确定方法有搓滚法和液塑限联合测定法，数据处理常用公式法，规范作图方法，此外还有基于最小二乘法和EXCEL的曲线拟合法。[4，5]

由于各试验方法的操作规范性，不可避免的人为和环境因素影响，数据处理方法的不同等，往往会导致同一种土样得到塑限指标差别很大。针对此问题，本文对3种性质不同土样分别用搓滚法和液塑限联合测定法室内进行了塑限指标的对比试验，并结合文献资料和试验计算结果讨论了两种方法的影响因素，优缺点及实验过程中改进事项，并对试验数据的计算方法进行了优化分析。

1 搓滚法测塑限试验

1.1 试验方法

(1)准备3种土样，测定土样天然含水量，然后取有代表性、保持天然含水量的试样各l00g，剔出粒径大于0.5mm的颗粒后放入调土碗内，加蒸馏水浸润，调拌，使其含水量接近塑限，用玻璃片或湿布覆盖，静止24h。

图1 土样的选取及制备

(2)将制备好的试样，在手中捏揉至不粘手，或用吹风机稍微吹干，然后将试样捏扁，如出现裂缝，表示含水量接近塑限。

(3)取接近塑限含水量土样，用手搓成椭圆形，然后用手掌在毛玻璃上搓滚，搓条时手掌的压力要均匀地施加在土条上。

(4)土条搓成直径3mm时未产生裂缝及断裂，表示试样含水量高于塑限含水量;若土条过早断裂，表示试样含水量低于塑限含水量，则应丢弃，重新取较湿润的试样进行搓滚。直至当土条直径3mm时产生裂缝并开始断裂为达到标准。

图2 土样搓条及判定

(5)取合格的断裂土条放入土盒内，盖紧盒盖，待收集足够后测定其含水量。

图3 标准土条测含水量

1.2 试验数据及计算

根据《规范》试验要求进行平行测定，当wp＜40%时，平行差值不大于l%;当wp≥40%，平行差值不大于2%，取其算术平均值。计算公式如下:

式中:wp——土样塑限，%。

m，ms——分别为土样的湿土质量和干土质量，g。

根据1.1得试验原始数据及计算结果如表1所示。

表1 搓条法试验数据及塑限值

2 液塑限联合测定仪测塑限试验

2.1 试验方法

试验采用南京土壤仪器厂有限公司生产的GYS－2型光电式液塑限测定仪，如图4示。

(1)取同样3种土样，测定土样天然含水量，然后分别取有代表性、保持天然含水量的试样各600g，剔出粒径大于0.5mm的颗粒后分组编号放入9个盛土皿中，分开加不同量的水，用调土刀调匀，盖上湿布，静置18h以上。

(2)将制备的土样充分搅拌均匀，分层装入盛土杯，用调土刀不断插捣，使之密实试杯装满后，并与杯边刮平。

(3)调平仪器，拿下锥头在其上涂少许凡士林。取一种湿度的土样，将装好土样的试杯放在联合测定仪的升降座上，转动升降旋钮，待锥尖与土样表面刚好接触时停止，锥体自动下落，同时开动秒表，经5s后，此时游标读数为第一个含水量试样入土深度，重复上述试验步骤，做其他含水量试样入土深度，如图4所示。

图4 光电式液塑限测定仪及锥体下落读数

(4)含水量测定:按照土工试验规程方法测定锥入深度所对应的含水量。

2.2 试验数据及计算

传统数据整理是在双对数坐标纸上，以含水率为横坐标，锥入土深度为纵坐标将点实测锥入土深度和对应的实测含水量绘入图中连接成直线，从图上查得下沉深度为2mm所对应含水率为塑限，以百分数表示，准确至0.1%[1]。

传统的手工作图误差大、精度低，无法准确地从图上确定所需要的参数。特别是在对数坐标系中，人为因素带来的误差更为显著[5]。所以本文在计算时自编程序基于EXCE通过曲线拟合的方法对试验数据进行公式化处理，借助计算机编制相应的程序不仅可以方便地实现了作图的自动化，而且提高了计算精度。表2以土样A为例，基于EXCEL软件的计算机曲线拟合自动计算程序表格。

同理，分别得到3种土样液塑限联合测定法塑限WP、液限WL及塑性指数Ip值，如表3所示。

表2 A土样液塑限联合测定EXCEL自动计算表

表3 液塑限联合测定法塑限试验数据及结果

3 两种试验方法对比分析

3.1 试验对比与影响因素分析

从表1和表3试验结果对比知，搓滚法由于纯手工操作，标准不易掌控，同一种土样测得的实验结果波动较大，而且测得的塑限指标普遍比液塑限联合测定法得到的结果偏大。

从试验方法对比知，用搓滚法测定塑限受人为因素影响较大，如手掌搓条时作用在土条上的压力大小，手掌或手指与土条之间的摩擦宽度，以及搓滚速度、体温等都对测试结果有很大影响[6]。用液塑限联合测定法测定塑限，其影响因素主要是试验操作的规范性和细节，如圆锥面粗糙度、锥尖磨损程度，样杯中土样的密实程度以及土样表面的刮平效果等。

从数据处理方法知，搓滚法用公式最基本的数据计算，相对简单易懂，易操作。传统的液塑限试验数据处理采用双对数坐标画图法，存在人为因素和纸张胀缩的影响，且其步骤繁琐，数据处理速度慢，精度低[7]。而本文采用基于EXCEL的曲线拟合法避免了这些问题，提高了计算精度与效率。

3.2 试验与计算方法优化

根据影响试验结果的因素，为减小试验误差提出了以下优化措施:

搓滚法测塑限:①对同一种土样尽量有一个人独立完成，避免不同人操作标准的差异引起的误差;②搓条过程中要细心均匀用力，手型标准，并一定要拿3mm直径铁丝或其他参照物作对比，避免土条不均性;③建议同一种土样多做几组试验根据实际情况舍弃结果中的最大、最小极值，取其他组数据平均值为结果，尽最大程度减小误差。

塑液限联合测定法测塑限:①尽量使用同一盛土容器和同一套联合测定仪，使操作更具代表性;②应根据土的特性来选取锥入土深度点，最小锥尖人土深度点以土样不出现裂纹为宜，另两点的分布应尽量均匀，应尽量保持等间距并拉开间距;③锥体入土后5s后读数时间间隔要严格控制;④建议同一种土样多做几组试验根据实际情况舍弃结果中的最大、最小极值，取其他组数据平均值为结果，尽最大程度减小误差。

数据计算方法优化:对于液塑限联合测定法数据处理用本文表2所示的基于EXCEL的曲线拟合法，不仅可以满足液塑限试验精度的要求，而且提升了数据处理的速度，避免了手工作图所带来的人为误差;EXCEL电子表格既简单又直观，操作简单，生产中使用方便，提高了生产效率，极大地方便了广大的土工试验者，解决了数据处理的繁琐问题[4，7]。