土的塑限試驗對比及算法優(yōu)化分析

于大鵬 綦建峰

(1.貴州省地礦局 103地質隊，貴州 銅仁 554300;2.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008)

0 引言

土的塑限和液限指標是指粘性土處于可塑狀態(tài)的上、下界限含水量。根據(jù)土的界限含水量可計算液塑性指數(shù)[1，2]。在巖土工程中，液塑限指標的準確性涉及土壤分類及定名的準確確性，影響土樣狀態(tài)的確定，進而影響到土的承載能力的計算公式和設計樁基參數(shù)等[3]。所以正確地確定土的液塑限指標對工程建設具有很重要的意義。

目前對于土的塑限試驗研究相對成熟，我國常用土的塑限的確定方法有搓滾法和液塑限聯(lián)合測定法，數(shù)據(jù)處理常用公式法，規(guī)范作圖方法，此外還有基于最小二乘法和EXCEL的曲線擬合法。[4，5]

由于各試驗方法的操作規(guī)范性，不可避免的人為和環(huán)境因素影響，數(shù)據(jù)處理方法的不同等，往往會導致同一種土樣得到塑限指標差別很大。針對此問題，本文對3種性質不同土樣分別用搓滾法和液塑限聯(lián)合測定法室內進行了塑限指標的對比試驗，并結合文獻資料和試驗計算結果討論了兩種方法的影響因素，優(yōu)缺點及實驗過程中改進事項，并對試驗數(shù)據(jù)的計算方法進行了優(yōu)化分析。

1 搓滾法測塑限試驗

1.1 試驗方法

(1)準備3種土樣，測定土樣天然含水量，然后取有代表性、保持天然含水量的試樣各l00g，剔出粒徑大于0.5mm的顆粒后放入調土碗內，加蒸餾水浸潤，調拌，使其含水量接近塑限，用玻璃片或濕布覆蓋，靜止24h。

圖1 土樣的選取及制備

(2)將制備好的試樣，在手中捏揉至不粘手，或用吹風機稍微吹干，然后將試樣捏扁，如出現(xiàn)裂縫，表示含水量接近塑限。

(3)取接近塑限含水量土樣，用手搓成橢圓形，然后用手掌在毛玻璃上搓滾，搓條時手掌的壓力要均勻地施加在土條上。

(4)土條搓成直徑3mm時未產生裂縫及斷裂，表示試樣含水量高于塑限含水量;若土條過早斷裂，表示試樣含水量低于塑限含水量，則應丟棄，重新取較濕潤的試樣進行搓滾。直至當土條直徑3mm時產生裂縫并開始斷裂為達到標準。

圖2 土樣搓條及判定

(5)取合格的斷裂土條放入土盒內，蓋緊盒蓋，待收集足夠后測定其含水量。

圖3 標準土條測含水量

1.2 試驗數(shù)據(jù)及計算

根據(jù)《規(guī)范》試驗要求進行平行測定，當wp＜40%時，平行差值不大于l%;當wp≥40%，平行差值不大于2%，取其算術平均值。計算公式如下:

式中:wp——土樣塑限，%。

m，ms——分別為土樣的濕土質量和干土質量，g。

根據(jù)1.1得試驗原始數(shù)據(jù)及計算結果如表1所示。

表1 搓條法試驗數(shù)據(jù)及塑限值

2 液塑限聯(lián)合測定儀測塑限試驗

2.1 試驗方法

試驗采用南京土壤儀器廠有限公司生產的GYS－2型光電式液塑限測定儀，如圖4示。

(1)取同樣3種土樣，測定土樣天然含水量，然后分別取有代表性、保持天然含水量的試樣各600g，剔出粒徑大于0.5mm的顆粒后分組編號放入9個盛土皿中，分開加不同量的水，用調土刀調勻，蓋上濕布，靜置18h以上。

(2)將制備的土樣充分攪拌均勻，分層裝入盛土杯，用調土刀不斷插搗，使之密實試杯裝滿后，并與杯邊刮平。

(3)調平儀器，拿下錐頭在其上涂少許凡士林。取一種濕度的土樣，將裝好土樣的試杯放在聯(lián)合測定儀的升降座上，轉動升降旋鈕，待錐尖與土樣表面剛好接觸時停止，錐體自動下落，同時開動秒表，經5s后，此時游標讀數(shù)為第一個含水量試樣入土深度，重復上述試驗步驟，做其他含水量試樣入土深度，如圖4所示。

圖4 光電式液塑限測定儀及錐體下落讀數(shù)

(4)含水量測定:按照土工試驗規(guī)程方法測定錐入深度所對應的含水量。

2.2 試驗數(shù)據(jù)及計算

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)整理是在雙對數(shù)坐標紙上，以含水率為橫坐標，錐入土深度為縱坐標將點實測錐入土深度和對應的實測含水量繪入圖中連接成直線，從圖上查得下沉深度為2mm所對應含水率為塑限，以百分數(shù)表示，準確至0.1%[1]。

傳統(tǒng)的手工作圖誤差大、精度低，無法準確地從圖上確定所需要的參數(shù)。特別是在對數(shù)坐標系中，人為因素帶來的誤差更為顯著[5]。所以本文在計算時自編程序基于EXCE通過曲線擬合的方法對試驗數(shù)據(jù)進行公式化處理，借助計算機編制相應的程序不僅可以方便地實現(xiàn)了作圖的自動化，而且提高了計算精度。表2以土樣A為例，基于EXCEL軟件的計算機曲線擬合自動計算程序表格。

同理，分別得到3種土樣液塑限聯(lián)合測定法塑限WP、液限WL及塑性指數(shù)Ip值，如表3所示。

表2 A土樣液塑限聯(lián)合測定EXCEL自動計算表

表3 液塑限聯(lián)合測定法塑限試驗數(shù)據(jù)及結果

3 兩種試驗方法對比分析

3.1 試驗對比與影響因素分析

從表1和表3試驗結果對比知，搓滾法由于純手工操作，標準不易掌控，同一種土樣測得的實驗結果波動較大，而且測得的塑限指標普遍比液塑限聯(lián)合測定法得到的結果偏大。

從試驗方法對比知，用搓滾法測定塑限受人為因素影響較大，如手掌搓條時作用在土條上的壓力大小，手掌或手指與土條之間的摩擦寬度，以及搓滾速度、體溫等都對測試結果有很大影響[6]。用液塑限聯(lián)合測定法測定塑限，其影響因素主要是試驗操作的規(guī)范性和細節(jié)，如圓錐面粗糙度、錐尖磨損程度，樣杯中土樣的密實程度以及土樣表面的刮平效果等。

從數(shù)據(jù)處理方法知，搓滾法用公式最基本的數(shù)據(jù)計算，相對簡單易懂，易操作。傳統(tǒng)的液塑限試驗數(shù)據(jù)處理采用雙對數(shù)坐標畫圖法，存在人為因素和紙張脹縮的影響，且其步驟繁瑣，數(shù)據(jù)處理速度慢，精度低[7]。而本文采用基于EXCEL的曲線擬合法避免了這些問題，提高了計算精度與效率。

3.2 試驗與計算方法優(yōu)化

根據(jù)影響試驗結果的因素，為減小試驗誤差提出了以下優(yōu)化措施:

搓滾法測塑限:①對同一種土樣盡量有一個人獨立完成，避免不同人操作標準的差異引起的誤差;②搓條過程中要細心均勻用力，手型標準，并一定要拿3mm直徑鐵絲或其他參照物作對比，避免土條不均性;③建議同一種土樣多做幾組試驗根據(jù)實際情況舍棄結果中的最大、最小極值，取其他組數(shù)據(jù)平均值為結果，盡最大程度減小誤差。

塑液限聯(lián)合測定法測塑限:①盡量使用同一盛土容器和同一套聯(lián)合測定儀，使操作更具代表性;②應根據(jù)土的特性來選取錐入土深度點，最小錐尖人土深度點以土樣不出現(xiàn)裂紋為宜，另兩點的分布應盡量均勻，應盡量保持等間距并拉開間距;③錐體入土后5s后讀數(shù)時間間隔要嚴格控制;④建議同一種土樣多做幾組試驗根據(jù)實際情況舍棄結果中的最大、最小極值，取其他組數(shù)據(jù)平均值為結果，盡最大程度減小誤差。

數(shù)據(jù)計算方法優(yōu)化:對于液塑限聯(lián)合測定法數(shù)據(jù)處理用本文表2所示的基于EXCEL的曲線擬合法，不僅可以滿足液塑限試驗精度的要求，而且提升了數(shù)據(jù)處理的速度，避免了手工作圖所帶來的人為誤差;EXCEL電子表格既簡單又直觀，操作簡單，生產中使用方便，提高了生產效率，極大地方便了廣大的土工試驗者，解決了數(shù)據(jù)處理的繁瑣問題[4，7]。

4 結論

本文通過搓滾法和液塑限聯(lián)合儀測塑限試驗對比，以及數(shù)據(jù)處理方法的討論，得到以下結論:

(1)試驗受人為因素影響較大，試驗過程中要嚴格按規(guī)范要求操作。

(2)搓滾法較液塑限聯(lián)合測定儀測得塑限值略微偏大，建議兩種方法均多做幾組試驗，舍棄數(shù)據(jù)中的極值后取均值。

(3)對同一土樣，建議搓滾法土條有同一人獨立完成搓條，液塑限聯(lián)合測定儀法用同一套盛土容器和儀器。

(4)液塑限聯(lián)合測定儀法數(shù)據(jù)計算，編程基于EXCEL的曲線擬合法方便實用，避免了手工作圖缺點，提高了精度，有很大推廣價值。

[1]中華人民共和國國家標準.土工試驗方法標準(GB/T50123 －1999)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[2]高大釗，袁聚云.土質學與土力學[M].北京:人民交通出版社，2006.

[3]彭意，李鈾，彭強.提高液塑限聯(lián)合測定試驗精度的方法[J].土工基礎，2007，21(4):81 －84.

[4]劉家順，鄭永和.基于Excel的曲線擬合法在液塑限試驗數(shù)據(jù)處理中的應用[J].中國科技論文在線，1－4.

[5]徐彩云，馮子珍.曲線擬合在液塑限試驗數(shù)據(jù)處理中的應用[J].內蒙古石油化工，2006，(12):66.

[6]王麗麗.測定土塑限的試驗方法比較[J].2010，20(25):209－210.

[7]莊宇，王靜，張玫.對比分析不同規(guī)范下粘性土的液塑限測定方法[J].山西建筑，2010，36(30):78 －79.