薛凱喜,周朝慧，田興華,多會(huì)會(huì)，丁 辰,曹 凱，齊小宏

(1.東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，南昌 330013；2.中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 100001)

1 研究背景

早在1911年,瑞典農(nóng)學(xué)家阿太堡(Atteberg)研究農(nóng)業(yè)用土的物理狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為細(xì)粒土按照含水量的不同將分別處于不同的物理狀態(tài)，由此提出土從固態(tài)到液態(tài)的5個(gè)階段[1]。后來經(jīng)過太沙基(Karl Terzaghi)將其引入土力學(xué)，直至進(jìn)一步發(fā)展后，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 237—1999),現(xiàn)今在土木工程建設(shè)領(lǐng)域?qū)Υ艘呀?jīng)形成共識(shí)，即 “細(xì)粒土由于含水率不同，分別處于流動(dòng)狀態(tài)、可塑狀態(tài)、半固體狀態(tài)和固體狀態(tài),上述稠度狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)的分界含水率被定義為界限含水率，分別為液限、塑限和縮限，我國(guó)現(xiàn)行《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50145—2007)中進(jìn)一步定義液限和塑限之間的差值為塑性指數(shù)，同時(shí)通過繪制以塑性指數(shù)IP為縱坐標(biāo)、液限wL為橫坐標(biāo)的塑性圖來進(jìn)行細(xì)粒土的分類。因此，在工程實(shí)踐中，準(zhǔn)確測(cè)定土體的界限含水率對(duì)實(shí)施細(xì)粒土分類、計(jì)算地基承載力等意義重大。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于界限含水率測(cè)定的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，采用塑限滾搓法測(cè)定塑限，采用液限蝶式儀法測(cè)定液限。其中，塑限滾搓法最早由太沙基在1926年修正阿太堡方法后提出，各國(guó)規(guī)程將該方法一直沿用至今。但這種方法人為影響因素太大，如作用于土條上的壓力、手掌與土條接觸的寬度及摩擦力、搓滾的速度等因素因人而異，故試驗(yàn)結(jié)果差異性很大。各國(guó)對(duì)液限的測(cè)定最初采用液限蝶式儀法，由奧地利學(xué)者阿瑟·卡薩格蘭德教授(Arthur Casagrande)在1932年設(shè)計(jì)并給出具體試驗(yàn)操作方法，至今仍然是美國(guó)等一些西方國(guó)家廣泛使用的較為精確的液限測(cè)試方法。雖然應(yīng)用該方法測(cè)定液限被一些國(guó)家的規(guī)程所接納，并作為各國(guó)學(xué)者改革液限測(cè)試方法的比較基礎(chǔ)，但測(cè)定低液限土的液限時(shí)會(huì)不可避免地產(chǎn)生“振動(dòng)液化”現(xiàn)象，也就不符合土的黏滯流動(dòng)狀態(tài)，從而使得測(cè)定的液限值偏低、液限強(qiáng)度偏高，進(jìn)一步試驗(yàn)也表明液限在20%以下的土采用蝶式儀法是不可靠的[2]。

巖土工程實(shí)踐中，一般通過測(cè)定黏性土的液塑性指數(shù)來確定其具體分類，并據(jù)此判斷土體的基本工程性質(zhì)。但目前《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)中推薦的液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)法存在一定的缺陷：圓錐入土深度與含水量在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上不能呈現(xiàn)較好的直線關(guān)系，以此測(cè)定的液塑限缺少一定的可靠性[2]。

對(duì)上述缺陷存在的原因進(jìn)行分析：首先，調(diào)制土膏前試驗(yàn)人員需配置含水率分別接近土體液限和塑限，以及處于液塑限中位含水率的土樣，這對(duì)于非專業(yè)試驗(yàn)操作人員來說必然存在困難；其次，調(diào)制土膏和后期裝樣工作均需試驗(yàn)人員手動(dòng)操作完成，過程中很難保證不同含水率的土膏具有相同的干密度，由此則造成錐入深度與含水率在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的三點(diǎn)(高、中、低含水率)不在一條直線上，通常誤差較大，需要多次重復(fù)試驗(yàn)后才能取得令人滿意的試驗(yàn)效果；再次，不同試驗(yàn)操作人員對(duì)同一土樣的液塑限進(jìn)行測(cè)定時(shí)，因調(diào)土力度不同，所配土樣含水率、干密度等指標(biāo)存在差異，最終也會(huì)造成測(cè)定結(jié)果不一致的現(xiàn)象。

正囿于現(xiàn)行液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)技術(shù)仍存在部分缺陷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者盛海洋[3]、張懷仁等[4]、Sharma[5]、彭意等[6]、趙秀紹等[7-8]分別從數(shù)據(jù)處理和試驗(yàn)技術(shù)優(yōu)化的角度提高其測(cè)試精度，張洪濤等[9]提出了一種更為簡(jiǎn)單易行的多皿法用于改進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)。但上述方法并未從本質(zhì)上解決制樣過程中可能出現(xiàn)的干密度不一致的現(xiàn)象。鑒于此，本文提出一種改進(jìn)的制樣方法，擬通過一次滲透、分層取樣來調(diào)制含水率層次豐富、干密度相對(duì)統(tǒng)一的土樣，進(jìn)而實(shí)施錐式儀液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)。該方法具有試驗(yàn)效率高、三點(diǎn)成線率大幅度提升、試驗(yàn)結(jié)果可重復(fù)性強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。

2 試樣制備和試驗(yàn)設(shè)備

2.1 試樣制備

本試驗(yàn)選取4種土樣，分別選自江西南昌、河南濮陽(yáng)、寧夏銀川、福建福州。4種試驗(yàn)土樣的一般統(tǒng)計(jì)性物理特性參數(shù)和力學(xué)參數(shù)如表 1所示。將4種具有不同含水率的土樣進(jìn)行錐入實(shí)驗(yàn)，得到含水率與錐入深度的關(guān)系曲線，擬合該關(guān)系曲線，得到錐入深度分別為2 mm和17 mm的含水率，將它作為土的液限、塑限，進(jìn)而計(jì)算土體的塑性指數(shù)及液性指數(shù)。

表1 土樣的一般統(tǒng)計(jì)性物理特性參數(shù)和力學(xué)參數(shù)Table 1 General statistical and physical parameters of soil samples

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

為確保試樣杯內(nèi)的試樣具有相同的高度，并且在不同含水率下保持相對(duì)統(tǒng)一的干密度，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套輔助試驗(yàn)裝置，包括制樣工具、預(yù)留透氣孔的試樣杯和壓實(shí)工具，如圖1所示。其中，制樣工具為內(nèi)徑200 mm、內(nèi)部畫有等高刻度的PV管；壓實(shí)工具直徑180 mm、厚20 mm、重4.11 kg；試樣杯為不銹鋼材質(zhì)，直徑50 mm、高40 mm、底部預(yù)留2 mm直徑的透氣孔。試驗(yàn)設(shè)備采用浙江中科儀器廠生產(chǎn)的GYS-Ⅲ型液塑限聯(lián)合測(cè)定儀。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test devices

2.3 改進(jìn)的試驗(yàn)流程

水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)規(guī)程—界限含水率試驗(yàn)》(SL 237-007—1999)液限塑限聯(lián)合測(cè)定法中土樣制備和取樣的技術(shù)要點(diǎn)如下：當(dāng)采用風(fēng)干土樣時(shí)，取過0.5 mm篩的代表性土樣約200 g，分成3份，分別放入3個(gè)盛土皿中，加入不同數(shù)量的純水，使試樣含水率分別達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)所述，調(diào)成均勻土膏，然后放入密封的保濕缸內(nèi)，靜置24 h；將制備好的土膏用調(diào)土刀充分?jǐn)嚢杈鶆?，密?shí)地填入試樣杯中，使空氣溢出，高出試樣杯的余土用刮土刀刮平，隨即將試樣杯放在儀器底座上。上述技術(shù)要點(diǎn)中，一次試驗(yàn)須分3次制備土膏，且土膏制備過程中需人工攪拌并填入試樣杯，因此3種不同含水率的土膏干密度必然存在差異，最終導(dǎo)致圓錐下沉深度與含水率之間呈非線性關(guān)系。

考慮到試驗(yàn)過程中出現(xiàn)上述非線性關(guān)系的概率較高，規(guī)范中給出了校正方案，即“當(dāng)三點(diǎn)不在一條直線上，通過高含水率的一點(diǎn)與其余兩點(diǎn)連成2條直線，在圓錐下沉深度為2 mm處查得相應(yīng)的含水率，當(dāng)2個(gè)含水率的差值<2%時(shí)，應(yīng)以該兩點(diǎn)含水率的平均值與高含水率的點(diǎn)連成一線，反之重復(fù)試驗(yàn)。然而，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，要想滿足規(guī)范中的試驗(yàn)誤差要求，一方面需要較高的試驗(yàn)操作技術(shù)水平，另一方面同一土樣分批次測(cè)試時(shí)不能更換操作技術(shù)人員。否則，要么需要多次補(bǔ)做試驗(yàn)，要么試驗(yàn)結(jié)果離散型較大。

要想克服現(xiàn)有技術(shù)規(guī)程中土膏制備時(shí)產(chǎn)生的原始缺陷，并確保3種不同含水率的土膏具有相同的干密度，則必須通過改進(jìn)試樣制備方法才能從根本上解決問題?，F(xiàn)給出改進(jìn)的試樣流程如下：

(1)通過自然豎向滲透確保試樣具有同一干密度。將土樣調(diào)制工具內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，風(fēng)干后將經(jīng)0.5 mm篩的土樣分層填入土樣調(diào)制工具，并經(jīng)壓實(shí)器自然壓實(shí)，土樣高度不低于400 mm；向土樣調(diào)制工具內(nèi)注入適量的純水，初始液面高度約為50 mm，經(jīng)自然滲透并覆膜靜置24 h，待土樣上方滯水完全滲入即制樣完畢。

(2)試樣杯分層壓入式取樣獲取3種不同含水率的土膏。試樣制備完畢后，將底部預(yù)留透氣孔的試樣杯壓入表層土樣獲取近飽和狀態(tài)的土膏，并經(jīng)刮土刀刮平試樣杯內(nèi)土膏后待用，即為高含水率試樣；表層土樣可取3試樣杯，進(jìn)而用刮土刀刮除土樣調(diào)制工具內(nèi)表層土約50 mm，重復(fù)對(duì)下層土膏取樣3試樣杯，即為中含水率試樣；再次刮除第二層土樣50 mm，重復(fù)對(duì)第三層土膏取樣，即為低含水率試樣。取樣完畢后即可將試樣杯放入液塑限聯(lián)合測(cè)定儀開展錐入測(cè)定試驗(yàn)。

(3)錐入試驗(yàn)結(jié)束后，當(dāng)即測(cè)定試樣杯內(nèi)錐尖附近土樣的含水率，進(jìn)而按照國(guó)標(biāo)推薦方法繪制錐入深度與土樣含水率關(guān)系曲線，并計(jì)算液塑限值。

本文以南昌網(wǎng)紋土、銀川棕鈣土、濮陽(yáng)潮土和福州淤泥質(zhì)土為研究對(duì)象，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，初步確定土的界限含水率，選擇不定量注入2 000～3 200 ml的水量，進(jìn)行豎向滲透分層取樣試驗(yàn)，利用直接剪切試驗(yàn)對(duì)聯(lián)合液塑限測(cè)定的數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)其豎向滲透試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性。

3 干密度對(duì)液塑限聯(lián)合測(cè)定結(jié)果的影響

錐入深度與黏性土的顆粒級(jí)配、礦物成分、黏粒含量、干密度、含水率等因素有著密切關(guān)系。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)論顯示，各影響因素中干密度和含水率對(duì)錐入深度的影響最明顯[10-12]，這也是液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)的直接理論基礎(chǔ)。干密度能夠反映土的孔隙比，也就是固體顆粒質(zhì)量與土的總體積之比，可以反映土樣的緊密程度。在液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)中，要充分把氣體排出土體，使得土體密實(shí)。試樣的密實(shí)度影響著試驗(yàn)的精度，所以在裝樣過程中，確保土樣中的氣體被排出，即在裝樣過程中壓實(shí)試樣，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度有著至關(guān)重要的作用。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)論，本文選取9組含水率為15%、20%和25%(各3組)的土樣，研究其干密度和錐入深度的關(guān)系，如圖2所示，錐入深度和含水率、干密度顯著相關(guān)，隨著含水率的增加而增加，隨著干密度的增加而降低。不同種類的土在不同含水率條件下干密度和錐入深度的響應(yīng)程度亦有差異。由此可知，利用液塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)定土體界限含水率時(shí)，所測(cè)試樣在試驗(yàn)過程中保持同一干密度是確保試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確的先決條件。

圖2 干密度與錐入深度的關(guān)系曲線Fig.2 Curves of dry density versus conepenetration depth

4 豎向滲透分層取樣對(duì)液、塑限聯(lián)合測(cè)定結(jié)果的優(yōu)化和改良

4.1 國(guó)標(biāo)推薦法試驗(yàn)結(jié)果

4.1.1 試驗(yàn)方案

取0.5 mm篩下的代表性土樣600 g，各分成3份，分別放入盛土皿中。根據(jù)3名試驗(yàn)員對(duì)該土樣可塑狀態(tài)下含水率的理解，依次調(diào)配接近液限、中間狀態(tài)和塑限含水率的土膏,共調(diào)配3份平行土膏，密封并靜置24 h后，3名試驗(yàn)員從每份土膏中各取2個(gè)平行土體試樣，依次裝樣進(jìn)行錐入試驗(yàn)。錐入試驗(yàn)結(jié)束后，當(dāng)即測(cè)定試樣杯內(nèi)錐尖附近土樣的含水率，進(jìn)而按照國(guó)標(biāo)推薦方法繪制錐入深度與土樣含水率關(guān)系曲線，并計(jì)算液塑限值。

4.1.2 試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)果分析

如圖3所示，3次圓錐下沉深度與含水率的線性擬合中，前兩次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)線性擬合效果不佳，第三次的試驗(yàn)結(jié)果雖然經(jīng)過高含水率數(shù)據(jù)點(diǎn)與其余低含水率兩點(diǎn)的線性擬合，但在2條直線上所查得2 mm所對(duì)應(yīng)的2個(gè)含水率的差值為3.26%，>2%，還需重做試驗(yàn)。

注：縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)。圖3 國(guó)標(biāo)推薦法圓錐下沉深度與含水率關(guān)系曲線Fig.3 Curves of conical settling depth versus moisturecontent by national standard recommended method

經(jīng)過國(guó)標(biāo)推薦法液塑限聯(lián)合測(cè)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)還是未達(dá)到試驗(yàn)要求，試驗(yàn)員對(duì)界限含水率上都有自己的理解，試驗(yàn)習(xí)慣、制樣的力度、試驗(yàn)測(cè)定的不同等都會(huì)影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果及試驗(yàn)結(jié)果精度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度結(jié)果差距大，很難驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確度。

為進(jìn)一步探求試驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因，本文對(duì)前述試驗(yàn)過程中的試樣開展了干密度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果的散點(diǎn)圖如圖4所示。由圖4可見，同一土樣在不同含水率下干密度具有顯著的離散性。

圖4 3種試樣的干密度散點(diǎn)圖Fig.4 Scatterplots of dry density of three samples

4.2 豎向滲透分層取樣試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 試驗(yàn)方案

本文通過對(duì)南昌網(wǎng)紋紅土、濮陽(yáng)潮土、銀川棕鈣土和福州淤泥質(zhì)土進(jìn)行豎向滲透的制樣分層取樣，再進(jìn)行液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定錐入深度，通過含水率與錐入深度的關(guān)系曲線(w-hp曲線)的線性擬合效果，得出土樣從可塑狀態(tài)過渡到流動(dòng)狀態(tài)、半固體狀態(tài)時(shí)的界限含水率。根據(jù)線性擬合效果的程度可分析豎向滲透制樣試驗(yàn)的可靠性。試驗(yàn)流程如下：

取0.5 mm篩下的代表性土樣15 kg。將土樣調(diào)制工具內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，風(fēng)干后將經(jīng)0.5 mm篩的土樣分層填入土樣調(diào)制工具，每填土4 cm需經(jīng)4 110 g的壓實(shí)器進(jìn)行自然壓實(shí)，土樣高度≥400 mm；向土樣調(diào)制工具內(nèi)注入2 000～3 200 mL純水，初始液面高度約為50 mm，經(jīng)自然滲透并覆膜靜置24 h以上，待土樣上方滯水完全滲入即制樣完畢。試樣制備完畢后，將底部預(yù)留透氣孔的試樣杯垂直壓入表層土樣獲取近飽和狀態(tài)的土膏，并經(jīng)刮土刀刮平試樣杯內(nèi)土膏后待用。表層土樣約50 mm可取3試樣杯，每50 mm厚的土樣取3試樣杯，重復(fù)取土層50 mm以下的土膏進(jìn)行垂直取樣；取樣完畢后即可將試樣杯放入液塑限聯(lián)合測(cè)定儀開展錐入測(cè)定試驗(yàn)。錐入試驗(yàn)結(jié)束后，當(dāng)即測(cè)定試樣杯內(nèi)錐尖附近土樣的含水率，進(jìn)而按照國(guó)標(biāo)推薦方法繪制錐入深度與土樣含水率關(guān)系曲線，并計(jì)算液塑限值。

4.2.2 含水率分析

在加入不同純水量和靜置時(shí)間不同的情況下，通過對(duì)南昌網(wǎng)紋紅土、濮陽(yáng)潮土、銀川棕鈣土和福州淤泥質(zhì)土進(jìn)行豎向滲透試驗(yàn)，得到了不同深度下4次豎向滲透試驗(yàn)含水率的變化規(guī)律，并由此繪制出有關(guān)含水率的標(biāo)準(zhǔn)誤差關(guān)系曲線，如圖5所示。將土樣分6層進(jìn)行含水率測(cè)定，結(jié)果表明：4種土樣在經(jīng)豎向滲透制樣后具有豐富的含水率，每種土樣的最大和最小含水率差距均在10%以上，說明該優(yōu)化方案提高了試驗(yàn)的精確度。

圖5 不同深度下豎向滲透試驗(yàn)含水率的標(biāo)準(zhǔn)誤差關(guān)系曲線Fig.5 Curves of standard error of moisture content invertical permeability test at different depths

4.2.3 干密度均勻性檢驗(yàn)

土膏制備完畢后，刮除表層5 cm范圍內(nèi)土樣，按照每5 cm一層自上而下取樣，取樣時(shí)將試樣杯壓入土膏，每層土膏平行取樣3杯，然后分別測(cè)定所取土膏干密度。經(jīng)測(cè)定不同深度處所制備土膏的干密度分布情況如圖6所示?？梢钥闯錾鲜?次試驗(yàn)的干密度變化與土樣深度并無直接關(guān)系，可判定為制樣過程中的隨機(jī)現(xiàn)象或操作誤差；最大誤差未超過2.3%，該誤差對(duì)錐入深度的影響可以近似忽略。綜上，可認(rèn)為經(jīng)優(yōu)化后的土膏制備技術(shù)能夠確保試驗(yàn)過程中進(jìn)行土膏多次取樣時(shí)干密度具有同一性。

圖6 干密度隨土層深度變化曲線Fig.6 Curves of dry density varying with soil depth

4.2.4 數(shù)據(jù)擬合結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果

按照本文給出的試驗(yàn)技術(shù)優(yōu)化方法對(duì)南昌網(wǎng)紋紅土、濮陽(yáng)潮土、銀川棕鈣土和福州淤泥質(zhì)土實(shí)施液塑限測(cè)定后，一次試驗(yàn)即可繪制具有理想效果的錐入深度與含水率關(guān)系曲線,如圖7所示。根據(jù)線性擬合效果的程度可分析豎向滲透制樣試驗(yàn)的可靠性，并根據(jù)擬合曲線，找出錐入深度分別為2 mm和17 mm的含水率作為土的液塑限，計(jì)算液塑限指數(shù)，其線性擬合方程及找出的液塑限指數(shù)如表2所示。

圖7 豎向滲透分層取樣法錐入深度與含水率的關(guān)系曲線Fig.7 Curves of coning depth versus moisture contentin vertical penetration stratified sampling method

表2 豎向滲透分層取樣法試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Result of vertical penetration stratified sampling test

4種土樣錐入深度與含水率的關(guān)系曲線線性擬合相關(guān)性R2最優(yōu)分別為0.966 8、0.978 4、0.960 3、0.974 4，R2>0.96，驗(yàn)證豎向滲透試樣測(cè)得的含水率與錐入深度有較好的相關(guān)性，減少重做試驗(yàn)次數(shù)，優(yōu)化試驗(yàn)過程，增加了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

4.3 對(duì)比分析及不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證

通過《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)國(guó)標(biāo)推薦法測(cè)定的4種土樣界限含水率及塑性指數(shù)如表3所示。

表3 4種土樣的界限含水率及塑性指數(shù)Table 3 Limit moisture content of four soil samples

豎向滲透取樣和國(guó)標(biāo)推薦法取樣對(duì)土樣所測(cè)得液塑限的數(shù)據(jù)偏差見圖8。在4個(gè)地區(qū)的土樣塑限和液限偏差中，取自福州的淤泥質(zhì)土的偏差分別為3.67%和1.84%。潮土試樣的塑限偏差最大，可知在制樣過程中靜置試樣的時(shí)間長(zhǎng)短，可直接影響潮土的塑限狀態(tài)。其余的偏差都<4%?？傮w上講，2種取樣方法所測(cè)得的液塑限都在合理的范圍內(nèi)。

圖8 液塑限在2種方法下的數(shù)據(jù)偏差Fig.8 Data deviation of liquid-plastic limitbetween two methods

根據(jù)塑性圖來區(qū)分細(xì)粒土的分類，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程—界限含水率試驗(yàn)》(SL 237-007—1999)提供的塑性圖，可通過土樣的IP和wL數(shù)據(jù)點(diǎn)在塑性圖的位置來劃分細(xì)粒土。根據(jù)豎向滲透取樣和國(guó)標(biāo)推薦法所測(cè)得的IP和wL數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置，大致的土樣分類為：南昌網(wǎng)紋紅土(37.37%，15.37%)、(36.97%，14.76%)，為低液限黏土；濮陽(yáng)潮土(32.31%，14.68%)、(33.09%，16.72%)，為低液限黏土；銀川棕鈣土，(26.82%，12.19%)、(27.83%，12.77%)，為低液限粉土；福州淤泥質(zhì)土，(44.12%，18.8%)、(43.93%，17.68%)，為高液限黏土。2種取樣方法測(cè)得的細(xì)粒土的分類相同，也間接說明該豎向滲透試驗(yàn)方法的可行性。

針對(duì)液、塑限與不排水抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了很多基礎(chǔ)性工作，亦取得了很多有價(jià)值的成果。Hansbo[13]早在1957年給出了不同錐角和質(zhì)量情況下錐入深度與土體的不排水剪切強(qiáng)度關(guān)系，并得出了土的不排水剪切強(qiáng)度與圓錐錐入深度之間的關(guān)系式；聶守智[14]提出了錐入深度和土的不排水抗剪強(qiáng)度存在直線關(guān)系；Sherwood和Ryley[15]提出土體在界限含水量時(shí)剪切強(qiáng)度具有唯一性；Skemption 和Northey[16]表明塑限狀態(tài)對(duì)應(yīng)土的不排水剪切強(qiáng)度約是液限狀態(tài)對(duì)應(yīng)不排水剪切強(qiáng)度的100 倍，基于該結(jié)論我們可以通過液限對(duì)應(yīng)的不排水抗剪強(qiáng)度快速求出塑限對(duì)應(yīng)的不排水抗剪強(qiáng)度；Ter-Stepanian 和kopek[17]認(rèn)為 Casagrande 液限儀確定某種土液限所對(duì)應(yīng)剪切強(qiáng)度為 1～3 kPa;Wroth 和 Wood[18]通過分析不同種類土液限對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值，得出重塑土不排水強(qiáng)度值約為1.7 kPa;Youssef 等[19]得到大量不同液限重塑黏土的剪切強(qiáng)度平均值約為1.7 kPa;Skemption 和Northey[16]等利用十字板剪切試驗(yàn)得出 4 種不同塑性指數(shù)土的液限對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度為0.70～1.75 kPa；聶守智[14]通過大量試驗(yàn)得出重塑土液限不排水抗剪強(qiáng)度約為1.64～1.919 kPa。

根據(jù)前人在對(duì)重塑黏土液限所對(duì)應(yīng)的不排水抗剪強(qiáng)度方面所產(chǎn)生的成果，可以進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化改進(jìn)后所測(cè)定黏土液限的準(zhǔn)確性。本文依據(jù)國(guó)標(biāo)推薦法和豎向分層滲透法分別測(cè)定的液限指標(biāo)重新配置試樣后，對(duì)4種土樣在液限、塑限狀態(tài)下的不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)定，給出了4種試樣排水抗剪強(qiáng)度，如圖9所示。其中液限對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度相差的幅度分別為2.12%、8.28%、4.35%和6%，測(cè)定塑限對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度相差幅度分別為2.27%、3.74%、4.99%和1.55%，相差的幅度比例均<5%，差異不大。這從根本上說明國(guó)標(biāo)推薦錐式液塑限聯(lián)合測(cè)定法和豎向滲透分層取樣液塑限聯(lián)合測(cè)定法是相通的。

圖9 不同土樣在2種方法下的液、塑限抗剪強(qiáng)度Fig.9 Liquid-plastic limit shear strengths of differentsoil samples obtained by two methods

5 結(jié)論與建議

本文通過研發(fā)新的試驗(yàn)輔助裝置來改進(jìn)界限含水率測(cè)定時(shí)的制樣流程，以4種不同地區(qū)的土樣為例驗(yàn)證了所制備試樣的干密度均勻性、含水率的分布層次的豐富性，并最終對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了討論，主要得到如下結(jié)論：

(1)豎向滲透分層取樣液塑限聯(lián)合測(cè)定法能夠確保多次取樣時(shí)土膏干密度具有很好的同一性，由此消除了干密度對(duì)最終試驗(yàn)結(jié)果的不利影響，使得各點(diǎn)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸上呈很好的線性關(guān)系，避免了國(guó)標(biāo)推薦法實(shí)施過程中需要多次補(bǔ)充試驗(yàn)的缺點(diǎn)，極大提高了工作效率。

(2)通過豎向自然滲透得到的試樣，其整體含水率分布在17%～45%之間，這一數(shù)據(jù)范圍較大，既有高含水率，也有低含水率，能夠基本覆蓋大多數(shù)黏性土的液塑限指標(biāo)，這樣就為進(jìn)一步試驗(yàn)測(cè)定創(chuàng)造了基本條件。

(3)界限含水率測(cè)定過程中保持多次制樣時(shí)干密度的同一性對(duì)確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有決定性影響，在實(shí)施改進(jìn)方法和國(guó)標(biāo)推薦方法對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，通過十字板剪切試驗(yàn)測(cè)定液限狀態(tài)下土樣的不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)果的合理性。

國(guó)標(biāo)推薦的錐式液塑限聯(lián)合測(cè)定法對(duì)試驗(yàn)操作者的經(jīng)驗(yàn)要求非常高，而對(duì)于新手來說，配置的試樣很難一次成功，需要反復(fù)調(diào)制，可靠性不大，效率不高。而豎向滲透分層取樣液塑限聯(lián)合測(cè)定法由于控制了制樣的干密度，消除了干密度對(duì)錐入深度的影響，保證了試驗(yàn)精度，提高了試驗(yàn)的成功率。