摘要:由土的界限含水率得出的塑性图是划分细粒土土质的一种重要方法、决定土质能否直接用于填筑路基。目前在工地试验室确定界限含水率普遍使用的是液限和塑限联合测定法测定。本文以延崇高速公路路基用低液限黏土为研究对象,探究此方法关于试验结果处理按照试验规程规定的作图法和使用excel表格解析法的对比分析,通过对同一种土样采用两种不同的数据分析方法分析表明,解析法不仅方便简单,而且效率更高,可以完全的消除作图法人为误差带来的结果误差累计,给土质的分类带来更加精确的定义。
关键词:液限和塑限联合测定法;界限含水量;确定方法;解析法
一、绪论
土的塑限、液限本质上为一种过渡状态含水率,塑限代表细粒土从半固态变为可塑状态的含水率;液限代表细粒土从可塑状态变为流动状态的含水率。这两种状态含水率对细粒土的工程性质的评价和分类有着重要意义。塑液限的测定可采用塑限滚搓法、液限和塑限联合测定法,也可采用液限蝶式仪法。不过就使用范围和精确度来讲液限和塑限联合测定法在工地试验室使用更加普及,其他方法在操作方法上人为因素影响更大而且只能求得单一的界限含水率。本工地试验室采用液限和塑限联合测定法。
二、试验中存在的问题
试验规程上的液限和塑限联合测定试验,对于原始记录数据整理时采用作图法,在双对数坐标米格纸上绘制锥入沉深度和含水率的关系直线,费时费力,步骤繁琐,精度难以保证。试验员在坐标纸上描点和连线后,点估读不准,线性就不准确,原始记录坐标图也显得不够整洁。此外,试验所得的三组数据并非随机产生,而是有一定要求的,三组数据要求圆锥体下沉深度在液限(a点)20mm±0.2mm,塑限(c点)5mm以下,b点中间状态。将三个数据点落在坐标纸上后,三点共线,也经常不共线。不共线时需要,a点分别与其余两点连线,然后根据hp-wl关系公式计算出hp,分别查hp对应两条直线上的含水率,如差值不超过2%,再两个含水率平均值的点与a点再做一直线。若含水率误差不小于2%,应重做实验。这意味着试验员花费时间将数据点描在坐标纸上并绘制成直线后,却不能保证数据一定可用,若超过误差,还需重新实验。为减少作图过程带来的偏差和事倍功半,建议采用excel解析法求解液塑限,利用excel强大的函数功能及逻辑运算。
2.1解析法工作步骤
根据试验数据得到的三点a点b点c点,以及对应(w含水率,h圆锥下沉深度)数据三点形成坐标值分别为a(w1,h1),b(w2,h2),c(w3,h3)点,分别建立ab,ac两条直线,对应的方程组为y=k1x+t1,y=k2x+t2,k1、k2分别为直线斜率,t1、t2为直线的截距。判断斜率是否相等,如果相等直接计算wl(液限)和wp(塑限);如果不相等,需判断,若在误差允许范围内则定义均值点d,连线ad求斜率,若不在误差允许范围,则重做试验。
三、试验分析
3.1试验方法
本试验室采用的是LP-100D数显式液塑限联合测定仪,生产厂家为上海路达试验仪器有限公司。取烘干或者风干土样过0.5mm土工筛,取有代表性约200g土样,分别加适量蒸馏水,使含水率控制在经验估计的液限,塑限和中间状态。调匀后盖上湿布静置18小时以上。分层装入盛土杯中,在锥尖涂抹少许凡士林,升降至锥尖与土样表面刚好接触,开启自动测试,测出符合要求的锥入深度后,立即改变测试点的位置重新测定,且间距和深度允许误差符合要求。若试验结果锥入深度超过要求规定值,可在常温下自然风干来减小锥入深度,而不应通过对土样烘干使水份快速蒸发,因为这样会使得土的表面水分蒸发,虽然也能达到降低锥入深度的效果,可是造成土样不均匀,对试验最终结果影响很大。
在同一试验中,应由同一试验员操作完成,不同的试验员试验的力道等手法不尽相同,会造成试验结果相差较大,造成试验失败。此试验中最难测定的是a点液限土样的锥入深度,需要反复测试才能找到土样状态。
3.2以一组实例数据处理及应用
根据我工地试验室一份土样做出来的一组试验数据,a(26.7,20.0),b(22.4,10.1),c(18.6,4.9),
四、试验结果处理方法
4.1绘图法
行标《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)给出的计算方法是,在以含水率w为横坐标,锥入土深度h为纵坐标的双对数坐标纸上分别描出abc三点,然后将这三点连成一条直线。当三点无法绘制成一直线上时,分别将ab、ac做两条直线,然后根据hp-wl关系曲线查的hp点对应ab、ac两条直线查的2个含水率,计算这两个含水率的差值,如果小于2%,取这两个含水率的平均值与hp形成新的一点,与a点再作一条直线。而当这两个含水率的差值≥2%时,应重做试验。
4.2解析法
在excel单元格对abc三点的坐标值求得相应对的对数坐标值,使用函数log10(),则结果为a(1.426,1.301),b(1.350,1.004),c(1.269,0.690)。ab直线斜率k1=(h1-h2)/(w1-w2)=(1.301-1.004)/(1.426-1.350)=3.890,截距t1=y-k1x=1.301-3.890*1.426=-4.249,由此ab直线的对数坐标方程组为y=3.890x-4.249。同理,ac直线的斜率k2=(h1-h3)/(w1-w3)=(1.301-0.690)/(1.426-1.269)=3.890,截距t2=y -k2x=1.301-3.890*1.426=-4.249,由此ac直线的对数方程组为y=3.890x-4.249。依据hp-wl关系曲线细粒土采用双曲线确定hp=wl/(0.524w1-7.606)=26.7/(0.524*26.7-7.606)=4.2,取log10(4.2)=0.623则依据ab与ac直线方程求得两点含水率分别为:ab直线为w3=(0.623+4.249)/3.890=1.252,则使用函数POWER(10,1.252)对数值返回含水率为17.9%,同理,ac直线为w4=(0.623+4.249)/3.890=1.252,则使用函数POWER(10,1.252)对数值返回含水率为17.9%,则w3-w4=0,未超过规定2%的偏差,试验结果有效。因为计算德w3=w4,所以,ab与ac线是同线,因此不需要引入ad线。此组试验的结果为液限为26.7%,塑限为17.9%,塑性指数为8.8%。
结论
图解法的难度在于试验员对于对原始记录处理时,作图法受到图例大小,精度的估读造成的画图误差,这种误差无法通过认真来消除,对最终试验结果造成不准确,偏差大的影响,而采用的双对数坐标纸在描点过程中会因环境温度变化纸张发生收缩也可产生误差,而且在作图过程中完全依靠试验员的感觉,估读去确定点的位置,因为坐标纸毕竟精度没有那么精确,人为操作的影响太大,因此作图法的准确度对人和环境因素的关系很大。而采用excel表格解析法确定界限含水量的方法,依据计算公式,虽然推导过程较复杂,可是在excel表格中中将函数设置好,计算只需要输入原始记录数据后,程序可以自动计算,自动求解,对于数据是否超误差,自动提示,既减轻了试验员作图求解的工作量,又增加了数据的精度,使得试验结果可信度更高,对施工土质的确定更加准确。通过工地试验室前期对解析法函数的不断完善,后期进行液塑限的结果处理时,不仅操作简单、结果准确,而且效率很高,是值得在试验中多推广应用的好办法。
参考文献:
[1]郭莹,王琦．落锥法确定粉土液限和塑限的试验研究［J］．岩土力学,2009,30(9):2569－2574．