圆锥质量与细粒土界限含水率关系的探讨

薛春梅

（山西省交通建设工程质量检测中心（有限公司），山西 太原 030032）

0 引言

工程上将细粒组（即颗粒直径小于0.075 mm）土粒质量大于或等于总质量50%的土称为细粒土。根据含水率的不同，其稠度状态可分为流动状态、可塑状态、半固体状态、固体状态。为了判别土的稠度状态,须确定土从某一状态过渡到另一状态的界限含水率。其中，液限、塑限和塑性指数是工程上经常遇到的表示界限含水率的指标。液限(ωL)相当于土从塑性状态转变为流动状态时的含水率，这时，土中水的形态除结合水外，已有一定数量的自由水。塑限(ωP)是相当于从半固体状态转变为塑性状态时的含水率，这时，土中水的形态大约是强结合水含量的上限。而塑性指数(IP)可综合反映二者之间的关系，就物理概念而言，它大体上表示土所吸着的弱结合水质量与土粒质量之比。吸着结合水的能力是土的黏性大小的标志；同时，弱结合水是使土有可塑性的原因。黏性和可塑性是黏性土的一种重要属性，因此，塑性指数IP是对土进行分类和评价的依据[1]。

舒玉等[2]通过测试76 g圆锥下不同深度处土样塑性指数，给出了17 mm和10 mm液限标准下细粒土塑性指数之间的回归线性关系。胡雪梅[3]对新修订的土工试验规程中液塑限联合测定法的试验标准、控制方法、结果应用进行了相关研究。但目前《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）[4]液限和塑限联合测定法中，界限含水率的确定采用76 g或100 g圆锥仪法，两种检测结果之间关系的研究较少。采用不同圆锥质量进行判定和评价的方法容易出现同种土指标不同的差异。为此，本文采用76 g与100 g圆锥测试细粒土界限含水率之间的差异及相关性进行分析，为工程应用提供一定的理论依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

从某高速公路路基施工现场选取了15个有代表性的土样，其有机质含量均不大于试样总质量的5%，土样风干后过0.5 mm筛，取0.5 mm筛下的土样进行试验。试样的制备以及试验步骤严格按照《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）进行。

1.2 试验方法

界限含水率试验选用液限和塑限联合测定法，仪器采用上海路达实验仪器有限公司的LG-100D数显式液塑限联合测定仪。

采用三点测试，将3种不同稠度的土膏调拌均匀，闷料后开始试验。将测得的含水率与相应的锥入深度绘制在锥深（h）-含水率（ω）双对数关系图上，数据处理依照JTG E40—2007《公路土工试验规程》[4]执行。

1为锥体，2为配重块，3为锥尖。m1+m2+m3=100 g；m1+m3=76 g。

2 试验结果与数据分析

表1 不同条件测定的液限、塑限及计算的塑性指数统计分析表%

图1 不同土样液限的变化

表1中数据①⑤分别为76 g圆锥和100 g圆锥对应测得的液限含水率，两种圆锥质量下测得液限含水率的关系见图1，可见：对于细粒土存在ωL76g＜ωL100g的关系，差值大部分处于（0.5～1）%范围内，且随着液限的增大二者之间的差别越来越小。

图2 不同土样塑限的变化

76 g圆锥和100 g圆锥测得的塑限含水率如图2。可见：细粒土存在ωp76g＜ωp100g的关系，当ωp小于20时，二者差异较大，当ωp大于20时，二者差异基本保持不变。随着塑限值的增大，76 g锥和100 g锥塑限之间的差距有逐渐减小的趋势。

图3和图4分别为两种圆锥质量条件下所测液限和塑限的拟合关系图，从图3中可看出：ωL76g与ωL100g满足y=1.048+0.984x的线性关系，相关系数为0.999，说明二者具备优良的线性对应关系，即同一个土样在不同的试验条件下ωL76g≈ωL100g（ωL100g略高于ωL76g，两者之差小于1）。这一点在JTG E40—2007《公路土工试验规程》不同标准下液限强度（不排水抗剪强度）中也有证实：76 g锥入土17 mm时的液限等效于100 g锥入土20 mm深度时液限。图4表明：ωP76g与ωP100g满足y=6.428+0.755x的线性关系，相关系数为0.936，二者同样具有良好的线性关系。

图3 ωL76g与ωL100g拟合关系

图4 ωP76g与ωP100g拟合关系

图5 液限与塑性指数关系

依图5可见，在液限ωL76g、ωL100g均大于35%时，液限越大，塑限ωp76g与ωp100g的差距越小，这样计算得到的塑性指数Ip76g与Ip100g也趋于一致。这是因为随着液限的增大，利用回归公式hp=ωL/(0.524×ωL-7.606)计算所得塑限锥深hp100g会越小，这样使得同一个土样的ωp76g与ωp100g也更接近，所以Ip76g与Ip100g更接近，此时两种试验方法的差异就很小。这与JTG E40—2007《公路土工试验规程》条文的研究结果基本一致，哈尔滨建筑工程学院对砂类土、粉质土、黏质土3种土按锥质量475 g正应力计算，在不同含水率和密度下进行了500余组剪切试验，结果表明液限ωL＞35%的点比较集中，hp值基本在2～3 mm范围内波动，而ωL＜35%的点则相当分散，hp值变化较大。低塑性黏土和砂类土属于或共存于ωL＜35%范围内。因此，对于低塑性黏土和砂类土，两种方法得到的结果也相差较大。

3 结论与讨论

a）76 g圆锥与100 g圆锥对液限试验结果影响较小，但是对塑限值影响较大。

b）对同一细粒土而言，液限和塑限在不同质量圆锥条件下所测值具有良好的线性关系。

c）对细粒土而言，塑性指数在不同圆锥条件下随土样液限的增大而增大。此外，当土样ωL＜35%时，圆锥质量对其塑性指数影响较大；当土样ωL＞35%时，圆锥质量对其塑性指数影响较小。