細(xì)粒土界限含水率液、塑限聯(lián)合測(cè)定自動(dòng)化方案的分析與探討

王清海， 楊貴林， 李 友， 付建海， 劉 云， 馬貴波

(中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650200)

0 引言

在巖土工程中，常用的界限含水率指標(biāo)有液限ωL和塑限ωP。液限是土體從黏滯液體狀態(tài)變成黏滯塑性狀態(tài)時(shí)的界限含水率，在該界限時(shí)，試樣抗剪強(qiáng)度最小；塑限是土體從塑性狀態(tài)變成半固體狀態(tài)時(shí)的界限含水率。液限ωL和塑限ωP指標(biāo)是進(jìn)行細(xì)粒土分類、定名的基礎(chǔ)，也是細(xì)粒土特定含水率狀態(tài)下細(xì)觀力學(xué)特性的綜合表現(xiàn)。

對(duì)于細(xì)粒土界限含水率指標(biāo)的測(cè)試，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范均推薦了液、塑限聯(lián)合測(cè)定法，盡管相較于搓條法已經(jīng)在很大程度上減小了人為因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果不確定性的影響，但其實(shí)際應(yīng)用效率依舊較低，是控制土工試驗(yàn)整體進(jìn)度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。彭意等[1]對(duì)如何提高液、塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)精度進(jìn)行了探討，提出了數(shù)值計(jì)算在液、塑限試驗(yàn)結(jié)果處理上的應(yīng)用優(yōu)化。趙秀紹等[2]探討了回歸分析在界限含水率試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用。李建軍[3]對(duì)比分析了不同性質(zhì)土的液、塑限聯(lián)合測(cè)定法與搓條法試驗(yàn)結(jié)果的偏差。楊三興[4]探討了多土樣法在液、塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)中的改進(jìn)效果?？梢钥闯?，近年來土工試驗(yàn)從業(yè)人員對(duì)細(xì)粒土界限含水率試驗(yàn)的探索，主要集中在數(shù)據(jù)的處理方法及不同試驗(yàn)方法的對(duì)比分析上，對(duì)于試驗(yàn)方法優(yōu)化和自動(dòng)化探索近乎空白。

和試驗(yàn)方法相比，對(duì)細(xì)粒土界限含水率試驗(yàn)影響因素的研究，近年來確有不少有意義的探索，為試驗(yàn)方法應(yīng)用條件界定的研究奠定了良好基礎(chǔ)。何建新等[5]運(yùn)用投影尋蹤回歸分析法(PPR)研究了含鹽量、顆粒級(jí)配對(duì)土的稠度界限的影響，發(fā)現(xiàn)隨黏粒含量的增加,土的稠度界限有增加的趨勢(shì)。諶文武等[6]探討了鹽分對(duì)土體顆粒級(jí)配和界限含水率的影響。韓琳[7]通過顆粒分析、滲透試驗(yàn)和界限含水率試驗(yàn)，建立了細(xì)粒土粒度分形維數(shù)與不均勻系數(shù)、滲透系數(shù)及界限含水率的相關(guān)關(guān)系。湯連生等[8]進(jìn)一步探究了黏粒間作用力與土的力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系。莊雅婷等[9]對(duì)崩崗紅土層土壤液、塑限特性及影響因素進(jìn)行了研究。李善梅等[10]從機(jī)制上分析了pH值對(duì)桂林紅黏土界限含水率的影響?？梢哉f，界限含水率的影響因素向微觀領(lǐng)域不斷深入是近年來界限含水率研究的典型特征，隨著相關(guān)認(rèn)識(shí)和理論的進(jìn)一步完善，必將拓寬高界限含水率試驗(yàn)結(jié)果在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

試驗(yàn)方法研究相對(duì)滯后，限制了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠度，實(shí)際上也限制了試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用拓展。就界限含水率試驗(yàn)而言，測(cè)試方法低效且難以自動(dòng)化是現(xiàn)階段的典型現(xiàn)狀。本文以昆明軌道交通4號(hào)線大量的細(xì)粒土界限含水率試驗(yàn)為背景，開展現(xiàn)行界限含水率測(cè)試方法的進(jìn)化探索性研究，以期為提高界限含水率試驗(yàn)效率和結(jié)果準(zhǔn)確性，拓寬試驗(yàn)結(jié)果在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用提供參考。

1 液、塑限聯(lián)合測(cè)定法試驗(yàn)原理

對(duì)于液限的測(cè)定，《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]列出了(液、塑限)聯(lián)合測(cè)定法、碟式儀法； 英國(guó)BS規(guī)范液限試驗(yàn)首推方法是圓錐儀法； 美國(guó)ASTM規(guī)范推薦采用碟式儀法。對(duì)于塑限的測(cè)試，國(guó)外至今仍多采用搓條法測(cè)定。

從大量的應(yīng)用效果來看，塑限試驗(yàn)采用的搓條法因人為因素的影響，不確定性較大，測(cè)試結(jié)果復(fù)現(xiàn)性差。在圓錐儀法液限試驗(yàn)過程中，我國(guó)土工試驗(yàn)工作者發(fā)現(xiàn)[12]： 將一定尺寸和質(zhì)量的圓錐以自由下沉的方式錐測(cè)土膏時(shí)，錐沉深度與含水率值在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中有直線相關(guān)段，如圖1所示。在采用錐角30°、質(zhì)量76 g錐進(jìn)行測(cè)量時(shí)，17、2 mm錐測(cè)深度對(duì)應(yīng)土膏含水率分別與土的液限、塑限有較好的一致性。據(jù)此原理，我國(guó)由圓錐儀法發(fā)展了液、塑限聯(lián)合測(cè)定法，因其大幅度減少了人為因素的影響，測(cè)量結(jié)果可復(fù)現(xiàn)性增強(qiáng)，是目前首推的測(cè)試方法。

圖1 圓錐下沉深度與含水率關(guān)系曲線

Fig. 1 Ourve of relationship between conical subsidence depth and water content

在采用液、塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)量液、塑限含水率時(shí)，首先求取的是錐入深度-含水率的線性方程，再求取2、10 mm(或17 mm)特征解。顯然，兩點(diǎn)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)直線關(guān)系的求解; 測(cè)點(diǎn)越多，則線性方程解精度越高，特征解越準(zhǔn)確，結(jié)果越可靠。在線性方程求解過程中，考慮到土膏調(diào)制的均勻性、人為誤差、操作過程中的質(zhì)量損失等因素和人工工作強(qiáng)度的限制，在確保結(jié)果準(zhǔn)確性可控前提下，現(xiàn)行規(guī)范[11，13]都采用了三點(diǎn)構(gòu)線的做法，并對(duì)步長(zhǎng)、平行差做了限定。

2 試驗(yàn)原理擴(kuò)展應(yīng)用的探討

一方面，在對(duì)現(xiàn)階段液、塑限聯(lián)合測(cè)定法自動(dòng)化的探索過程中注意到，采用分級(jí)測(cè)量土膏錐入深度、含水率時(shí)，其試驗(yàn)流程中包含較多取土、填實(shí)、刮平、錐測(cè)、清凈等不利于自動(dòng)化的操作，簡(jiǎn)化操作流程無疑是一個(gè)較好的探索方向；另一方面，確保試驗(yàn)結(jié)果可溯源性是自動(dòng)化方案能否推廣應(yīng)用的基本前提。因此，無論是流程簡(jiǎn)化還是確保方法的可溯源性，都需要對(duì)液、塑限聯(lián)合測(cè)定法試驗(yàn)原理的應(yīng)用做進(jìn)一步探討。

在液、塑限聯(lián)合測(cè)定法試驗(yàn)過程中，如果在封閉環(huán)境中調(diào)制土膏，試樣干土質(zhì)量md不變(沒有試樣損失)，土膏總質(zhì)量(干土+水質(zhì)量)的增加實(shí)為水質(zhì)量的增量，可以通過對(duì)土膏總質(zhì)量的監(jiān)測(cè)獲得加水量Δmwi，則各級(jí)含水率wi可用下式計(jì)算：

wi=(wi-1+Δmwi/md)。

(1)

如果取定量烘干試樣調(diào)制土膏，則采用式(1)可以直接求得各級(jí)土膏含水率，而無需烘干土膏測(cè)分級(jí)含水率。

按現(xiàn)行規(guī)范[11，13]液、塑限聯(lián)合測(cè)定法開展界限含水率試驗(yàn)時(shí)，一般會(huì)遇到2種情況： 1)試樣含有粒徑大于0.5 mm的粗顆粒，需先風(fēng)干篩除，取200 g干試樣調(diào)制土膏進(jìn)行測(cè)試； 2)試樣沒有粒徑大于0.5 mm的粗顆粒，取300 g試樣調(diào)制土膏進(jìn)行測(cè)試。無論是第1種情況還是第2種情況，因未采用烘干法實(shí)測(cè)初始含水率，則試樣干土質(zhì)量md、初始含水率w0均未知，但可以通過測(cè)試最后一級(jí)土膏含水率w3求解。在圖1中測(cè)得w3，則：

md=m3/(0.01×w3+1)。

(2)

式中：m3為第3級(jí)土膏質(zhì)量，g；w3為第3級(jí)土膏含水率，%。

因Δmw2、Δmw1、Δmw0為土膏調(diào)制過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)量，為已知量，則1、2級(jí)含水率可按下式計(jì)算：

w2=w3-100×Δmw3/md;

(3)

w1=w2-100×Δmw2/md。

(4)

式中：Δmw3為第3級(jí)土膏主調(diào)制時(shí)的加水質(zhì)量，g；Δmw2為第2級(jí)土膏主調(diào)制時(shí)的加水質(zhì)量，g；w1、w2、w3分別為第1、2、3級(jí)土膏含水率，%。

因此，無論是采用烘干土還是天然土試樣進(jìn)行液、塑限聯(lián)合測(cè)定，都可以通過監(jiān)測(cè)土膏調(diào)制過程中水的增量，按式(3)—(4)求得各級(jí)含水率，無需采用烘干法逐級(jí)測(cè)試。這說明，現(xiàn)階段的試驗(yàn)方法具有進(jìn)一步優(yōu)化的條件。

液、塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)中，除分級(jí)含水率wi外，還需測(cè)量分級(jí)錐入深度hi。在利用液、塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)量土膏分級(jí)錐入深度hi時(shí)，人工操作主要有： 取土、填實(shí)、刮平、錐測(cè)、清凈。這些操作現(xiàn)階段難以在較小的封閉空間實(shí)現(xiàn)，不易達(dá)到“沒有試樣損失”的要求。聶守智[14]通過對(duì)圓錐儀錐測(cè)過程中的靜力平衡分析與試驗(yàn)研究，將圓錐儀錐入深度測(cè)量過程的變形與錐入阻力聯(lián)系起來，并將界限含水率試驗(yàn)結(jié)果在土的靈敏度、變形、強(qiáng)度等方向上拓寬了應(yīng)用。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，錐入深度的測(cè)量過程是圓錐儀在重力和錐入阻力作用下在土膏中低速運(yùn)動(dòng)的平衡過程，錐入深度的大小與土膏對(duì)圓錐儀產(chǎn)生的阻力大小成反比，這說明： 在液、塑限聯(lián)合測(cè)定的試驗(yàn)過程中，錐入深度測(cè)量也可以通過監(jiān)測(cè)錐入阻力來實(shí)現(xiàn)。這是在微小封閉空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)“無試樣損失”錐入深度測(cè)量的較好思路。

3 液、塑限聯(lián)合測(cè)定法流程優(yōu)化

通過前述討論可知： 一方面，通過監(jiān)測(cè)土膏調(diào)制過程中水的增量求得各級(jí)含水率，可以簡(jiǎn)化現(xiàn)行液、塑限聯(lián)合測(cè)定法試驗(yàn)流程；另一方面，通過對(duì)錐入阻力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也可以實(shí)現(xiàn)在微小封閉空間內(nèi)對(duì)錐入深度進(jìn)行等效替代測(cè)量，從而可以按現(xiàn)行規(guī)范[11，13]的推薦方法，求解液、塑限含水率特征值。顯然，這為進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)階段液、塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)方法創(chuàng)造了必要的前提和基礎(chǔ)，也降低了液、塑限聯(lián)合測(cè)定實(shí)現(xiàn)的難度。

3.1 液、塑限聯(lián)合測(cè)定系統(tǒng)FAST功能分析

根據(jù)對(duì)昆明軌道交通4號(hào)線大量的細(xì)粒土界限含水率試驗(yàn)過程分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段液、塑限聯(lián)合測(cè)定法的技術(shù)成熟度在阿奇舒勒進(jìn)化模式[15]S曲線上具有明顯的第1階段特征： 具備功能性原理，但流程冗余，應(yīng)用范圍狹小，具有較寬的技術(shù)優(yōu)化空間。為了求解液、塑限聯(lián)合測(cè)定法功能節(jié)點(diǎn)操作數(shù)和操作時(shí)長(zhǎng)的最優(yōu)組合解，在本次系統(tǒng)功能分析過程中，將常規(guī)功能節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展為帶編號(hào)、操作數(shù)和操作時(shí)長(zhǎng)的信息功能節(jié)點(diǎn)(見圖2)，節(jié)點(diǎn)操作數(shù)和操作時(shí)長(zhǎng)取值為記時(shí)、觀察結(jié)果平均值。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]、《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》[13]中液、塑限聯(lián)合測(cè)定法的試驗(yàn)流程，進(jìn)行液、塑限聯(lián)合測(cè)定系統(tǒng)的FAST功能分析，如圖2所示。

在圖2中，依據(jù)液、塑限聯(lián)合測(cè)定法試驗(yàn)的操作特點(diǎn)，將試驗(yàn)流程劃分為制樣、分級(jí)土膏調(diào)制-錐入深度測(cè)量、分級(jí)土膏含水率測(cè)量、成果計(jì)算4個(gè)階段。分級(jí)土膏調(diào)制-錐入深度測(cè)量、分級(jí)土膏含水率測(cè)量為3個(gè)平行流程： A2—A9、A26、A27、A28(1級(jí)土膏調(diào)制、測(cè)量)A10—A17、A26、A29、A30(2級(jí)土膏調(diào)制、測(cè)量)及A18—A25、A26、A31、A32(3級(jí)土膏調(diào)制、測(cè)量)，節(jié)點(diǎn)功能組合相似。本文僅對(duì)A1、A2—A9、A26、A27、A28、A33典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功能優(yōu)化分析(見表1)，其余平行節(jié)點(diǎn)段方法類似，不再贅述。

3.2 A1節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

根據(jù)表1的分析結(jié)果，A1節(jié)點(diǎn)操作時(shí)長(zhǎng)與A26節(jié)點(diǎn)相同，且占比大。因節(jié)點(diǎn)功能圖分解程度不足以判斷其優(yōu)化的可能性，需要根據(jù)不同的試樣狀態(tài)，依據(jù)其操作類型將其流程展開，其FAST功能分析如圖3所示。

圖2 液、塑限聯(lián)合測(cè)定系統(tǒng)的FAST功能分析

圖3 A1節(jié)點(diǎn)優(yōu)化FAST功能分析

對(duì)于含粗顆粒的濕細(xì)粒土，現(xiàn)行規(guī)范[11，13]均推薦風(fēng)干過篩的方法。因自然風(fēng)干效率取決于環(huán)境條件，實(shí)際應(yīng)用不多； 而采用烘干法制樣的影響研究不足，未納入規(guī)范中。實(shí)際工作中，大多試樣達(dá)不到可以直接篩析的程度,考慮到需要避免高溫烘干、碎散兩過程對(duì)土組構(gòu)的影響，歐洲標(biāo)準(zhǔn)采用洗篩—沉析—濾干的辦法，但所需時(shí)間仍舊較長(zhǎng)。實(shí)際上，無論是浸潤(rùn)過夜、沉析—濾干，其目的就是構(gòu)造適宜的含水率，并易于土膏調(diào)制，要求土膏含水率小于液限含水率是為了將其限定在可測(cè)試范圍內(nèi)。因此，在試樣含水率過大時(shí)需降低含水量，含水率過小時(shí)則需增加含水量。在采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)洗篩法制樣時(shí)，篩下為懸液，達(dá)不到含水率小于液限含水率這一要求，需要沉析—濾干過程。在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，錐入度為6 mm的土比較容易擠過0.5 mm篩眼，因此，加水初調(diào)試樣使其錐入度在6～10 mm，再以少量水洗凈篩上余土，制成土膏。如初測(cè)錐入度大于20 mm，采用低溫膏化措施(鼓風(fēng)干燥箱以40 ℃低溫蒸發(fā)去水)，將土膏含水量降至適宜范圍。因在加水初調(diào)—低溫膏化的過程中，實(shí)際已起到傳統(tǒng)悶土操作相同的效果，因此，可以裁剪“浸潤(rùn)過夜”這一功能節(jié)點(diǎn)。據(jù)此可將A1節(jié)點(diǎn)操作數(shù)由5優(yōu)化為4，操作最短時(shí)長(zhǎng)由大于31 min優(yōu)化為17 min。A1節(jié)點(diǎn)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)流程見圖4。

圖4 A1節(jié)點(diǎn)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)流程

Fig. 4 Standard flow of A1 node optimization

3.3 液、塑限聯(lián)合測(cè)定系統(tǒng)優(yōu)化

對(duì)于A33節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)階段已實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化，操作數(shù)、操作時(shí)長(zhǎng)已趨近于0，優(yōu)化的空間已比較狹小，無需做進(jìn)一步的優(yōu)化分析。

由圖2、表1可知，分級(jí)土膏調(diào)制、錐入深度測(cè)量、含水率測(cè)量是系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，也是冗余最大的節(jié)點(diǎn)段。通過前述試驗(yàn)原理擴(kuò)展應(yīng)用的討論可知： 如果有效監(jiān)測(cè)土膏調(diào)制過程中水的增減量，將傳統(tǒng)流程中的未知量變?yōu)橐阎?，則在A2—A9、A26、A27、A28功能節(jié)點(diǎn)組合中，A6—A9、A26、A27、A28節(jié)點(diǎn)均可裁剪，節(jié)點(diǎn)裁剪率可達(dá)60%。同理，在A10—A17、A26、A29、A30功能節(jié)點(diǎn)組合中，A14—A17和A26、A29、A30節(jié)點(diǎn)可裁剪；在A18—A25、A26、A31、A32功能節(jié)點(diǎn)組合中，A22—A25和A26、A31、A32節(jié)點(diǎn)可裁剪。在裁剪這些節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，需增加系統(tǒng)錐入阻力、土膏水增減量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。綜上，得出優(yōu)化后液、塑限聯(lián)合測(cè)定的FAST功能系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后液、塑限聯(lián)合測(cè)定的FAST系統(tǒng)功能圖

Fig. 5 Function diagram of FAST system for optimized combined determination of liquid and plastic limits

對(duì)比功能系統(tǒng)優(yōu)化前后操作數(shù)、操作時(shí)長(zhǎng)可知： 系統(tǒng)操作數(shù)∑n由205優(yōu)化為110，優(yōu)減約46%；人工操作時(shí)長(zhǎng)由1 710 s優(yōu)化為420 s，優(yōu)減約75%，見表2。完成單組試樣界限含水率測(cè)試所需時(shí)長(zhǎng)∑t由16.5 h縮減為6.5 h。

表2 系統(tǒng)功能優(yōu)化前后對(duì)比

4 優(yōu)化系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)及液、塑限閉式聯(lián)測(cè)法的界定

在實(shí)際試驗(yàn)生產(chǎn)過程中，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的優(yōu)化目標(biāo)，避免聯(lián)測(cè)過程中水、土粒損失是關(guān)鍵。為達(dá)到這一目的，最優(yōu)的方法便是在實(shí)現(xiàn)土膏調(diào)制過程封閉化和自動(dòng)化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)錐入阻力F、土膏質(zhì)量m的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖5示出的系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方案和試驗(yàn)流程如下：

1)按圖4優(yōu)化流程制取試樣(人工)。

2)將制好的試樣放入封閉的調(diào)制系統(tǒng)中按預(yù)設(shè)步長(zhǎng)、采樣數(shù)量調(diào)制，在調(diào)制過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)錐入阻力iF1、iF2和土膏質(zhì)量mi，求解各級(jí)錐入阻力差ΔiF。當(dāng)ΔiF小于限定值時(shí)，將土膏判為均勻狀態(tài)，采集錐入阻力iF1、iF2和土膏質(zhì)量mi。

3)當(dāng)最后一級(jí)數(shù)據(jù)采集結(jié)束時(shí)，采用烘干法測(cè)量土膏含水率，按式(2)—(4)求解各級(jí)土膏含水率。如試樣干質(zhì)量已知，則可按式(1)計(jì)算實(shí)時(shí)含水率wi，無需測(cè)量最后一級(jí)土膏含水率。

4)用插值法在錐入阻力-錐入深度標(biāo)準(zhǔn)曲線中求解各級(jí)土膏錐入深度特征值，據(jù)規(guī)范方法求解液限ωL和塑限ωP。

在前述系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方案和試驗(yàn)流程中，土膏調(diào)制過程是自動(dòng)封閉的，隔離了人工操作的影響，確保土粒、水質(zhì)量不損失。通過錐入阻力F、土膏質(zhì)量m的實(shí)時(shí)聯(lián)測(cè)，以錐入阻力差ΔiF代替人為感觀對(duì)土膏均勻性的判斷，實(shí)現(xiàn)土膏量化分級(jí)。測(cè)試過程中以各級(jí)土膏質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和最后一級(jí)土膏含水率測(cè)試代替分級(jí)土膏含水率測(cè)試，整個(gè)試驗(yàn)過程只需應(yīng)用1次烘干法，有效裁剪了傳統(tǒng)流程中多個(gè)冗余操作，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)流程?？梢哉f，封閉、不間斷多級(jí)多指標(biāo)聯(lián)測(cè)是其顯著特征，與現(xiàn)行液、塑限聯(lián)合測(cè)定有明顯區(qū)別。本文以試驗(yàn)原理擴(kuò)展討論結(jié)果為基礎(chǔ)，將封閉式土膏調(diào)制和錐入阻力與含水量多級(jí)聯(lián)測(cè)為實(shí)現(xiàn)前提的試驗(yàn)方法稱為液、塑限閉式聯(lián)測(cè)法。

因液、塑限閉式聯(lián)測(cè)法本質(zhì)上仍屬廣義液、塑限聯(lián)合測(cè)定法范疇，目前沒有開展粗粒土適用性研究，適用范圍也限于細(xì)粒土。同時(shí)，因缺少對(duì)直接采用錐入阻力F、含水率計(jì)算液限ωL和塑限ωP的相關(guān)研究，實(shí)際應(yīng)用中，需要建立錐入阻力-錐入深度標(biāo)準(zhǔn)曲線。

5 連續(xù)調(diào)制模式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的驗(yàn)證分析

液、塑限閉式聯(lián)測(cè)法與傳統(tǒng)液、塑限聯(lián)測(cè)法的明顯區(qū)別在于封閉和土膏的連續(xù)調(diào)制2方面。封閉是土膏調(diào)制過程中以調(diào)制水增量計(jì)算各級(jí)土膏含水率準(zhǔn)確性的前提，連續(xù)調(diào)制則是實(shí)現(xiàn)封閉試驗(yàn)的有效手段，這種連續(xù)調(diào)制的方式與傳統(tǒng)液、塑限聯(lián)測(cè)法分級(jí)調(diào)制的方式存在明顯的區(qū)別。從車洪成等[16]對(duì)粒度成分與液限、塑限含水率關(guān)系的分析結(jié)果來看，土的粒徑組成對(duì)液、塑限存在明顯影響。因此，連續(xù)調(diào)制對(duì)試樣組構(gòu)的改變程度是否會(huì)造成液、塑限測(cè)試結(jié)果的偏離，需要進(jìn)一步驗(yàn)證分析。

為分析在實(shí)際應(yīng)用中連續(xù)調(diào)制方式對(duì)液、塑限試驗(yàn)結(jié)果的影響，選取昆明軌道交通4號(hào)線詳勘階段代表性土樣進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)。在對(duì)比試驗(yàn)中，各組平行對(duì)比試驗(yàn)試樣采用了四分法均樣，減小試樣組構(gòu)差異對(duì)界限含水率測(cè)試結(jié)果的影響。考慮到試驗(yàn)的可追塑性，在液、塑限閉式聯(lián)測(cè)法驗(yàn)證試驗(yàn)過程中，分級(jí)土膏仍采用液、塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)量錐入深度，然后回土重調(diào)，再測(cè)量下級(jí)土膏錐入深度，其余系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方案按現(xiàn)行試驗(yàn)流程實(shí)施，平行對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4。

由表3、表4可知： 采用連續(xù)調(diào)制方式(閉式聯(lián)測(cè)試驗(yàn)法)與分級(jí)調(diào)制方式(傳統(tǒng)的液、塑限聯(lián)合測(cè)定法)試驗(yàn)結(jié)果一致。因存在人為誤差及試樣細(xì)微差異，試驗(yàn)結(jié)果仍存在一定的差異，最大偏差為1.54%，小于2%的規(guī)范[11]限定值。

表3 連續(xù)調(diào)制方式對(duì)液、塑限測(cè)試結(jié)果的影響平行對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果(第1組)

表4連續(xù)調(diào)制方式對(duì)液、塑限測(cè)試結(jié)果的影響平行對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果(第2組)

Table 4 Parallel comparison test results of closed-type combined determination of liquid and plastic limits(group 2)

序號(hào)試樣編號(hào)試樣類別液、塑限聯(lián)合測(cè)定法塑限/%液限/%閉式聯(lián)測(cè)試驗(yàn)法塑限/%液限/%試驗(yàn)結(jié)果偏差 塑限/% 液限/%5FN-245粉質(zhì)黏土21.0233.9919.9633.231.060.766FN-246粉質(zhì)黏土21.1534.1020.8933.830.260.277FN-247粉質(zhì)黏土20.1834.0919.4933.850.690.248FN-146粉質(zhì)黏土21.8134.4220.2733.531.540.89平均值21.0434.1520.1533.610.890.54標(biāo)準(zhǔn)偏差0.670.180.590.290.540.33

6 影響因素分析

為提高液、塑限閉式聯(lián)測(cè)法試驗(yàn)結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性，進(jìn)一步探討試驗(yàn)結(jié)果的影響因素是非常必要的。結(jié)合長(zhǎng)期界限含水率試驗(yàn)工作的經(jīng)驗(yàn)分析，界限含水率試驗(yàn)過程可能的影響因素主要有溫度、水的鹽分、土顆粒組構(gòu)的改變程度等。

根據(jù)溫度與液、塑限測(cè)試結(jié)果關(guān)系的平行對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果(見圖6)可知，溫度影響較小，加上自然條件下測(cè)試周期內(nèi)溫度變化幅度不大，可以不考慮。

在鹽分對(duì)界限含水率的影響方面，諶文武等[6]對(duì)鹽分、土體顆粒級(jí)配對(duì)界限含水率影響進(jìn)行了探討，其結(jié)果為： 試驗(yàn)用水(土膏調(diào)制水)的鹽分對(duì)液限影響大于塑限，極端情況下引起的偏差可達(dá)4.4%，一般情況下多小于1%。因此，只需限定試驗(yàn)用水電導(dǎo)率值，液、塑限閉式聯(lián)測(cè)法試驗(yàn)結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性可以有效控制。

圖6 溫度對(duì)液限、塑限測(cè)試結(jié)果影響

Fig. 6 Influence of temperature on test results of liquid and plastic limits

土顆粒組構(gòu)對(duì)界限含水率的影響相對(duì)復(fù)雜，主要表現(xiàn)在： 1)現(xiàn)階段普遍采用的過篩直接導(dǎo)致原土部份粒組缺失； 2)土膏調(diào)制過程中對(duì)粒徑的改變。從車洪成等[16]對(duì)粒度成分與液、塑限含水率關(guān)系(見圖7)的分析結(jié)果來看，隨著粒徑d>0.05 mm的土顆粒含量增多，土的液、塑限均呈減小趨勢(shì); 而隨粒徑d≤0.5 mm的土顆粒含量增多，土的液、塑限則呈增大趨勢(shì)，且其影響值較大。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范與歐洲標(biāo)準(zhǔn)界限含水率試驗(yàn)過程中均要求過篩，但在結(jié)果處理中均沒有對(duì)這一影響進(jìn)行修正處理。既然顆粒組構(gòu)對(duì)液限、塑限存在明顯影響，過篩后的土因組構(gòu)與原土不同，液限、塑限測(cè)試結(jié)果與原土真值間的差異應(yīng)是客觀存在的，需進(jìn)一步研究探討。

(a) 細(xì)砂含量-液限關(guān)系

(b) 粉砂含量-液限關(guān)系

(c) 粉粒含量-液限關(guān)系

(d) 黏粒含量-液限關(guān)系

7 結(jié)論與討論

1)根據(jù)對(duì)現(xiàn)行液、塑限聯(lián)合測(cè)定法試驗(yàn)原理的擴(kuò)展分析和系統(tǒng)功能分析結(jié)果可知，無論是采用烘干土還是天然土試樣進(jìn)行液、塑限聯(lián)合測(cè)定，都可以通過監(jiān)測(cè)土膏調(diào)制過程中水的增量求得各級(jí)含水率，而無需對(duì)各級(jí)土膏采用烘干法逐級(jí)測(cè)試含水率。

2)據(jù)系統(tǒng)功能分析的結(jié)果可知，現(xiàn)行液、塑限聯(lián)合測(cè)定法系統(tǒng)操作數(shù)∑n可由205優(yōu)化為110，優(yōu)減46%；人工操作時(shí)長(zhǎng)可由1 710 s優(yōu)化為420 s，優(yōu)減75%；完成單組試樣界限含水率測(cè)試所需時(shí)長(zhǎng)∑t可由16.5 h縮減為6.5 h。

3)根據(jù)封閉、土膏連續(xù)調(diào)制和不間斷多級(jí)多指標(biāo)聯(lián)測(cè)的特征，本文提出了液、塑限閉式聯(lián)測(cè)法這一液、塑限聯(lián)合測(cè)定自動(dòng)化解決方案。封閉調(diào)制和多指標(biāo)聯(lián)測(cè)是其顯著特征，也是其實(shí)現(xiàn)的前提，雖試驗(yàn)方法與現(xiàn)行液、塑限聯(lián)合測(cè)定有明顯區(qū)別，但試驗(yàn)原理是相同的。

4)連續(xù)調(diào)制模式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的驗(yàn)證分析結(jié)果表明： 液、塑限閉式聯(lián)測(cè)法與現(xiàn)行液、塑限聯(lián)合測(cè)定法試驗(yàn)結(jié)果最大偏差1.54%，小于2%的規(guī)范限定值。

試驗(yàn)方法的提出，不僅需要可追溯性試驗(yàn)原理為基礎(chǔ)，還需科學(xué)的試驗(yàn)條件界定。本文提出的液、塑限閉式聯(lián)測(cè)法與現(xiàn)行液、塑限聯(lián)合測(cè)定法雖然試驗(yàn)原理相同，但試驗(yàn)測(cè)試方法已有明顯區(qū)別，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和近年來相關(guān)研究成果，本文對(duì)溫度、試驗(yàn)用水鹽分等影響因素進(jìn)行了初步探討分析，但過篩操作對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響和修正方法仍需進(jìn)一步研究。