土的物理状态指标与黏性土液、塑限联合测定试验

一、工作任务

通过黏性土液、塑限试验知识的学习，学生应能够承担以下工作任务：

（1）掌握黏性土（细粒土）的物理状态指标。

（2）掌握黏性土液、塑限指标的测定办法。

（3）掌握液、塑限试验的操作步骤、数据收集及成果的整理分析。

二、相关配套知识

（一）黏性土（细粒土）的物理状态指标

黏性土在不同含水率时呈现出不同的物理状态，它反映了黏粒与水溶液表面作用的程度，也反映了土粒间联结强度或相对活动的难易程度。因此，黏性土的状态直接影响到它的力学性质。

1.界限含水率

随着含水率的改变，黏性土的物理状态是逐渐变化的，但不同的阶段会呈现出不同的状态特征，故可划分为几种基本的物理状态。黏性土由一种状态向另一种状态转变的界限一般用所对应的含水率表示，称为界限含水率。黏性土的物理状态与含水率的关系如图8-1所示。

图8-1 黏性土的物理状态与含水率的关系

1）液 限

黏性土由流塑状态过渡到可塑状态的界限含水率是塑性上限，称为液性界限，简称液限，用符号 wL表示。测定黏性土液限的方法主要有锥式液限仪法、光电式液塑限联合测定仪和碟式液限仪法。实际上前两种都是采用 76 g 质量的圆锥仪，其区别只是一个用手工放锥，一个是控制仪器的电磁开关自动放锥。美国、日本及欧洲国家均采用第三种方法测定液限，国内大多数单位极少用这种方法。

将 76 g 重的平衡锥放在重塑黏性土的表面中心，靠自重下沉，经 5 s 后的下沉深度为17 mm所对应的含水率为液限；下沉深度为10 mm所对应的含水率为10 mm液限。我国较普遍应用的是锥式液限仪和10 mm液限法。

2）塑 限

黏性土由可塑状态过渡到半固态的界限含水率是塑性下限，称为塑性界限，简称塑限，用符号 wp表示。

传统的测定黏性土塑限的方法是搓条法：取接近塑限的试样 8～10 g，用手搓成椭圆形，然后用手掌在毛玻璃板上搓滚，如被搓滚土条逐渐变细到3 mm时恰好断裂，此时土的含水量即其塑限。搓条法受人为因素影响较大。

用上述光电式液塑限联合测定仪测定塑限的办法比较简便，此法的要点是以电磁放锥法使平衡锥从土表面下沉深度为2 mm所对应的含水率为塑限。液塑限联合测定法可替代搓条法测塑限，但考虑与碟式仪法配套，仍保留搓条法测塑限。同时，当用联合测定测得的塑限如有异常时，可用搓条法进行校正。

3）缩 限

黏性土由半固态转为固态的界限含水率称为收缩界限，简称缩限，用符号 ws表示。当土样含水率减小至缩限后，土体体积不再发生收缩。测定方法为收缩皿法。

2.塑性指数和液性指数

1）塑性指数Ip

塑性指数是指液限与塑限的差值，表示黏性土的可塑性范围。其表达式为

注意： wL、 wp都是用百分率表示的，但是Ip习惯上用不带“%”的数表示，例如某一土样 wL=36%、wp= 21%，则Ip=15。

塑性指数越高，即液限与塑限的差值越大，表示土的黏性和可塑性越好，塑性指数能较全面地反映土中黏粒含量和矿物成分等因素的综合影响：土中黏粒含量多，土中薄膜水含量就多，可塑性就强；黏性矿物成分亲水性越强，可塑性就强。

《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10093—2017）就用它对黏性土进行分类，见表8-1。《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）中黏性土划分见表8-2。《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）中黏性土为塑性指数Ip＞10的土。其划分见表8-3。

2）液性指数IL

液性指数是判别黏性土潮湿程度（软硬程度）的指标，也称为稠度。其表达式为

式中w为天然土的含水率，《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10093—2017）和《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）根据液性指数把黏性土划分为如表8-4所示的各种状态。

表8-4 黏性土潮湿程度划分

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）中黏性土的状态划分见表8-5所示。

表8-5 黏性土的状态

注：当用静力触探探头阻力或标准贯入试验锤击数判定黏性土的状态时，可根据当地经验确定。

因为液限和塑限是用重塑土测定的，用液性指数判别土的软硬程度没有考虑土的结构性的影响。实际上，在含水量相同时，原状土要比重塑土坚硬。因此，用上述标准判别重塑土的软硬状态是合适的，但对于原状土就偏于保守，可能出现将实际坚硬的土判别为硬塑，实际软塑的土判别为流塑之类的错误。为了考虑结构性对土的软硬状态的影响，有人建议直接根据锥式液限仪在原状土样上的贯入深度来判别土的状态。

3.黏性土的灵敏度

天然状态的黏性土，一般都具有一定的结构性，当受到外界扰动时，其强度降低，压缩性增大。黏性土的原状土无侧限抗压强度与相应的重塑土无侧限抗压强度之比称为土的灵敏度，用符号St表示，即

式中 qu——原状试样的无侧限抗压强度（kPa）；

——重塑试样的无侧限抗压强度（kPa）。

灵敏度的大小反映黏性土结构性的强弱，土体灵敏度越高，结构性越强，受扰动后强度降低就越多，所以在这类地基上进行施工时，应特别注意保护基槽，尽量减少来往人员与车辆的践踏对土体的扰动。饱和黏性土的结构受到扰动后（例如进行重锤夯实或打桩）强度降低，但是在静置的时间里，土的强度又逐渐增长，最终有一部分强度不能恢复。(www.xing528.com)

（二）黏性土液、塑限联合测定

1.仪器设备

本试验应采用下列仪器设备：

（1）液塑限联合测定仪，如图8-2所示。

图8-2 光电式液塑限联合测定仪

1—水平调节螺丝；2—控制开关；3—指示灯；4—零线调节螺丝；5—反光镜调节螺丝；6—屏幕；7—机壳；8—物镜调节螺丝；9—电磁装置；10—光源调节螺丝；11—光源；12—圆锥仪；13—升降台；14—水平泡；15—试样杯。

① 圆锥质量76 g，锥角30°。

② 读数显示：宜采用光电式、游标式和百分表式。

③ 试样杯：直径40～50 mm，高30～40 mm。

（2）天平：称量200 g，分度值0.01 g。

（3）其他：烘箱、干燥器、称量盒、调土刀、凡士林等。

2.操作步骤

试验操作应按下列步骤进行：

（1）本试验应采用保持天然含水率的土样制备试样。在无法保持土的天然含水率情况下，也可用风干土制备试样。

（2）当采用天然含水率的土样时，应剔除大于0.5 mm的颗粒，然后分别按下沉深度为3～5 mm、9～11 mm及16～18 mm（或分别按接近液限、塑限和二者的中间状态）制备不同稠度的土膏，静置湿润。静置时间可根据含水率的大小而定。

（3）当采用风干土样时，取过0.5 mm筛的代表性试样约200 g，分成3份，分别放入3个盛土皿中，加入不同数量的纯水，使分别达到第（2）步中所述的3种稠度状态，调成均匀土膏，然后用玻璃和湿毛巾盖住或放在密封的保湿器中，静置24 h。

（4）将制备好的土膏用调土刀加以充分调拌均匀，密实地填入试样杯中，尽量使土中空气逸出。高出试样杯的余土用调土刀刮平，将试样杯安放在仪器升降座上。

（5）在圆锥仪锥体上涂以薄层凡士林。接通电源，使电磁铁吸稳圆锥仪（对于游标式或百分表式，提起锥杆，用旋钮固定）。

（6）调节屏幕准线，使初始读数为零（游标尺或百分表读数调零）。调整升降台，使圆锥仪锥尖刚好接触土面，指示灯亮时圆锥仪在自重作用下沉入试样中（游标式或百分表式用手扭动旋钮，放开锥杆）。约经5 s后立即测读圆锥下沉深度。取出试样杯，取10 g以上的试样2个装入称量盒内，测定其含水率。

（7）重复第（4）～（6）步骤，测试其余2个试样的圆锥下沉深度和含水率。

3.成果整理

试验结果应按下列公式计算及绘图：

（1）试样的含水率按式（8-4）计算。

（2）以含水率为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制如图 8-3所示的关系曲线。3 点应连成一条直线，如图中 A 线所示。当 3 点不在一条直线上，则通过高含水率这一点与其余 2 点连成2条直线，在圆锥下沉深度为2 mm处可查得相应的两个含水率。当这两个含水率的差值小于2%时，应以这2点的含水率平均值与高含水率的点连成一条直线，如图中B线所示。当这2个含水率之差值大于或等于2% 时，则应再补做试验。

（3）在图8-3中，下沉深度为17 mm所对应的含水率为液限；下沉深度为10 mm所对应的含水率为10 mm液限；下沉深度为2 mm所对应的含水率为塑限。取值以百分数表示，准确至0.1%。

图8-3 圆锥下沉深度与含水率关系曲线

（4）计算塑性指数

式中 Ip——塑性指数；

wL——液限（%）；

wp——塑限（%）。

（5）计算液性指数

式中 IL——液性指数，计算至0.01；

w——天然含水率（%）。

（6）含水比

式中 aw——含水比。

4.数据记录

记录格式应符合表8-6的要求。

表8-6 液、塑限联合试验记录