圓錐質(zhì)量與細(xì)粒土界限含水率關(guān)系的探討

薛春梅

（山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心（有限公司），山西 太原 030032）

0 引言

工程上將細(xì)粒組（即顆粒直徑小于0.075 mm）土粒質(zhì)量大于或等于總質(zhì)量50%的土稱為細(xì)粒土。根據(jù)含水率的不同，其稠度狀態(tài)可分為流動(dòng)狀態(tài)、可塑狀態(tài)、半固體狀態(tài)、固體狀態(tài)。為了判別土的稠度狀態(tài),須確定土從某一狀態(tài)過渡到另一狀態(tài)的界限含水率。其中，液限、塑限和塑性指數(shù)是工程上經(jīng)常遇到的表示界限含水率的指標(biāo)。液限(ωL)相當(dāng)于土從塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)狀態(tài)時(shí)的含水率，這時(shí)，土中水的形態(tài)除結(jié)合水外，已有一定數(shù)量的自由水。塑限(ωP)是相當(dāng)于從半固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)時(shí)的含水率，這時(shí)，土中水的形態(tài)大約是強(qiáng)結(jié)合水含量的上限。而塑性指數(shù)(IP)可綜合反映二者之間的關(guān)系，就物理概念而言，它大體上表示土所吸著的弱結(jié)合水質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比。吸著結(jié)合水的能力是土的黏性大小的標(biāo)志；同時(shí)，弱結(jié)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(shù)IP是對(duì)土進(jìn)行分類和評(píng)價(jià)的依據(jù)[1]。

舒玉等[2]通過測(cè)試76 g圓錐下不同深度處土樣塑性指數(shù)，給出了17 mm和10 mm液限標(biāo)準(zhǔn)下細(xì)粒土塑性指數(shù)之間的回歸線性關(guān)系。胡雪梅[3]對(duì)新修訂的土工試驗(yàn)規(guī)程中液塑限聯(lián)合測(cè)定法的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、控制方法、結(jié)果應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。但目前《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）[4]液限和塑限聯(lián)合測(cè)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(cè)結(jié)果之間關(guān)系的研究較少。采用不同圓錐質(zhì)量進(jìn)行判定和評(píng)價(jià)的方法容易出現(xiàn)同種土指標(biāo)不同的差異。為此，本文采用76 g與100 g圓錐測(cè)試細(xì)粒土界限含水率之間的差異及相關(guān)性進(jìn)行分析，為工程應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

從某高速公路路基施工現(xiàn)場(chǎng)選取了15個(gè)有代表性的土樣，其有機(jī)質(zhì)含量均不大于試樣總質(zhì)量的5%，土樣風(fēng)干后過0.5 mm篩，取0.5 mm篩下的土樣進(jìn)行試驗(yàn)。試樣的制備以及試驗(yàn)步驟嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方法

界限含水率試驗(yàn)選用液限和塑限聯(lián)合測(cè)定法，儀器采用上海路達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司的LG-100D數(shù)顯式液塑限聯(lián)合測(cè)定儀。

采用三點(diǎn)測(cè)試，將3種不同稠度的土膏調(diào)拌均勻，悶料后開始試驗(yàn)。將測(cè)得的含水率與相應(yīng)的錐入深度繪制在錐深（h）-含水率（ω）雙對(duì)數(shù)關(guān)系圖上，數(shù)據(jù)處理依照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[4]執(zhí)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(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

表1 不同條件測(cè)定的液限、塑限及計(jì)算的塑性指數(shù)統(tǒng)計(jì)分析表%

圖1 不同土樣液限的變化

表1中數(shù)據(jù)①⑤分別為76 g圓錐和100 g圓錐對(duì)應(yīng)測(cè)得的液限含水率，兩種圓錐質(zhì)量下測(cè)得液限含水率的關(guān)系見圖1，可見：對(duì)于細(xì)粒土存在ωL76g＜ωL100g的關(guān)系，差值大部分處于（0.5～1）%范圍內(nèi)，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(cè)得的塑限含水率如圖2?？梢姡杭?xì)粒土存在ωp76g＜ωp100g的關(guān)系，當(dāng)ωp小于20時(shí)，二者差異較大，當(dāng)ωp大于20時(shí)，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(shì)。

圖3和圖4分別為兩種圓錐質(zhì)量條件下所測(cè)液限和塑限的擬合關(guān)系圖，從圖3中可看出：ωL76g與ωL100g滿足y=1.048+0.984x的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.999，說明二者具備優(yōu)良的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，即同一個(gè)土樣在不同的試驗(yàn)條件下ωL76g≈ωL100g（ωL100g略高于ωL76g，兩者之差小于1）。這一點(diǎn)在JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》不同標(biāo)準(zhǔn)下液限強(qiáng)度（不排水抗剪強(qiáng)度）中也有證實(shí)：76 g錐入土17 mm時(shí)的液限等效于100 g錐入土20 mm深度時(shí)液限。圖4表明：ωP76g與ωP100g滿足y=6.428+0.755x的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.936，二者同樣具有良好的線性關(guān)系。

圖3 ωL76g與ωL100g擬合關(guān)系

圖4 ωP76g與ωP100g擬合關(guān)系

圖5 液限與塑性指數(shù)關(guān)系

依圖5可見，在液限ωL76g、ωL100g均大于35%時(shí)，液限越大，塑限ωp76g與ωp100g的差距越小，這樣計(jì)算得到的塑性指數(shù)Ip76g與Ip100g也趨于一致。這是因?yàn)殡S著液限的增大，利用回歸公式hp=ωL/(0.524×ωL-7.606)計(jì)算所得塑限錐深hp100g會(huì)越小，這樣使得同一個(gè)土樣的ωp76g與ωp100g也更接近，所以Ip76g與Ip100g更接近，此時(shí)兩種試驗(yàn)方法的差異就很小。這與JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》條文的研究結(jié)果基本一致，哈爾濱建筑工程學(xué)院對(duì)砂類土、粉質(zhì)土、黏質(zhì)土3種土按錐質(zhì)量475 g正應(yīng)力計(jì)算，在不同含水率和密度下進(jìn)行了500余組剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明液限ωL＞35%的點(diǎn)比較集中，hp值基本在2～3 mm范圍內(nèi)波動(dòng)，而ωL＜35%的點(diǎn)則相當(dāng)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(nèi)。因此，對(duì)于低塑性黏土和砂類土，兩種方法得到的結(jié)果也相差較大。

3 結(jié)論與討論

a）76 g圓錐與100 g圓錐對(duì)液限試驗(yàn)結(jié)果影響較小，但是對(duì)塑限值影響較大。

b）對(duì)同一細(xì)粒土而言，液限和塑限在不同質(zhì)量圓錐條件下所測(cè)值具有良好的線性關(guān)系。

c）對(duì)細(xì)粒土而言，塑性指數(shù)在不同圓錐條件下隨土樣液限的增大而增大。此外，當(dāng)土樣ωL＜35%時(shí)，圓錐質(zhì)量對(duì)其塑性指數(shù)影響較大；當(dāng)土樣ωL＞35%時(shí)，圓錐質(zhì)量對(duì)其塑性指數(shù)影響較小。