任务1.5 土的界限含水率试验
【任务描述】
黏性土的状态随着含水率的变化而变化，当含水率不同时，黏性土可分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态，黏性土从一种状态转到另一种状态的分界含水率称为界限含水率。土从流动状态转到可塑状态的界限含水率称为液限ωL；土从可塑状态转到半固体状态的界限含水率称为塑限ωP；土由半固体状态不断蒸发水分，则体积逐渐缩小，直到体积不再缩小时的界限含水率称为缩限ωs。土的界限含水率是计算土的塑性指数和液性指数不可缺少的指标，还是估算地基土承载力等的一个重要依据。然而如何正确得到土的界限含水率指标？我们来学习土的界限含水率测试方法。
【任务分析】
本任务首先学习土的界限含水率测试方法、适用范围、仪器配备、步骤、数据的记录整理。掌握了土的界限含水率测试方法，再结合具体的工程实例进行实践操作和数据的分析整理，最后把成果运用于项目工程当中。
本任务主要介绍液塑限联合测定法，当然也有采用的圆锥仪和碟式仪和滚搓法来测液塑限的，界限含水率试验要求土的颗粒粒径小于0.5mm，且有机质含量不超过5%，并宜采用天然含水率的试样，但也可采用风干试样。当试样中含有粒径大于0.5mm的土粒或杂质时，应过0.5mm的筛。
【任务实施】
11.5.1 液塑限联合测定法
液塑限联合测定法是根据圆锥仪的圆锥入土深度与其相应的含水率在双对数坐标上具有线性关系的特性来进行的。利用圆锥质量为76g的液限和塑限联合测定仪测得土在不同含水率时的圆锥在自重作用下5s时的入土深度，并绘制其关系直线图。在图上查得圆锥下沉深度为10mm（或17mm）所对应的含水率即为液限，查得圆锥下沉深度为2mm所对应的含水率即为塑限。
图1.6 液塑限联合测定仪示意图
1—显示屏；2—电磁铁；3—带标尺的圆锥仪；4—试样杯；5—升降座；6—控制开关
1.适用范围
液塑限联合测定试验方法适用于粒径小于0.5mm，且有机质含量不大于试样总质量5%的土。
2.仪器设备
（1）液塑限联合测定仪。包括带标尺的圆锥仪、电磁铁、显示屏、控制开关和试样杯。圆锥质量为76g，锥角为30°；读数显示宜采用光电式、数码式、游标式和百分表式；试样杯内径为40～50mm，高度为30～40mm。图1.6所示的为光电式液塑限联合测定仪。
（2）天平。称量200g，最小分度值0.01g。
（3）其他。孔径0.5mm的筛、烘箱、干燥器、称量盒、调土刀、研钵、凡士林等。
3.操作步骤
（1）为了尽量减少人为因素影响，使试样更能反映实际情况，原则上采用天然含水率土样。若土样在采取和运输过程中湿度可能已发生变化，或者由于土质不均，选取代表性的土样有困难，则允许采用风干土样（特别适用于试样不均匀时）。当试样中含有粒径大于0.5mm的土粒和杂物时，应将风干土样用带橡皮头的研杵或用木棒在橡皮板上压碎，过0.5mm的筛。某些试样有机质含量超过相关规定时，应在记录中注明，以便分析。
（2）当采用天然含水率土样时，取代表性试样250g；采用风干土样时，取过0.5mm筛的代表性试样200g，将试样放在橡皮板上用纯水调制成均匀膏状，放入调土皿，盖上湿布，静置浸润过夜（一般要求浸润时间在18h以上）。对某些高液限土，试样静置时间对液限、塑限有较大影响时，也可根据经验，适当延长静置时间。
（3）一般应制备3个试样，1个要求含水率接近液限，1个要求含水率接近塑限，还有1个含水率则居中。试样制备好坏对液限和塑限联合测定的精度具有重要意义，制备试样应均匀、密实。对于联合测定精度最有影响的是靠近塑限的那个试样，但此时试样较难制备，必须充分揉搓，使土的断面上无孔隙存在。
（4）将制备好的试样用调土刀充分调拌均匀后，分层装入试样杯中，并注意填样时土中不能留有空隙，对较干的试样应先充分搓揉后密实地填入试样杯中，装满试杯后刮去余土并刮平表面，使土样与杯口齐平，并将试样杯放在联合测定仪的升降座上。
（5）将圆锥仪擦拭干净，并在锥尖上抹一薄层凡士林，然后接通电源，使电磁铁吸住圆锥。
（6）调节零点，使屏幕上的标尺调在零位，然后转动升降旋钮，试样杯则徐徐上升，当锥尖刚好接触试样表面时，指示灯亮，立即停止转动旋钮。
（7）按动控制开关，同时开动秒表，圆锥则在自重下沉入试样，经5s后，测读显示在屏幕上的圆锥下沉深度。试验表明，对于黏性土，圆锥下沉深度随时间变化不明显；对低塑性土，在5～30s之间圆锥下沉深度随时间有加大的趋势，其对应的液限和塑限值也随之减小，但总体变化幅度不大，不致影响土的定名。因此，我国相关土工试验规范均规定放锥时间为5s，且对于土面变形的误差不另校正，统一计入读数内。
（8）改变锥尖与土样接触位置（锥尖两次锥入位置距离不小于1cm），重复上面试验步骤（5）～（7），两侧测定圆锥下沉深度的允许平行误差为0.5mm，否则应重做。取两次测定结果的平均值最为该点的锥入深度。
（9）取出试样杯，挖去锥尖入土处的凡士林，取锥体附近不少于10g的试样两个，放入称量盒内，测定其含水率，计算含水率平均值。
图1.7 圆锥下沉深度与含水率关系曲线
（10）将试样从试样杯中全部挖出，再加水或吹干并调匀，或采用步骤（3）制备好的另一个试样，重复上面试验步骤（4）～（8）分别测定第二点、第三点试样的圆锥下沉深度及相应的含水率。液塑限联合测定至少在三点以上，其圆锥入土深度宜分别控制在3～4mm、7～9mm和15～17mm。
4.结果整理
（1）计算和绘图：
1）含水率按式（1.30）计算，计算至0.1%：
2）液限和塑限确定。以含水率为横坐标、以圆锥入土深度为纵坐标在双对数坐标纸上绘制含水率与圆锥入土深度关系曲线，如图1.7所示。三点应在一直线上，如图中A线。当三点不在一直线上时，通过高含水率的点与其余两点连成两条直线，在圆锥下沉深度为2mm处查得相应的2个含水率。当所查得的两个含水率差值小于2%时，以该两个含水率平均值的点（仍在圆锥下沉深度为2mm处）与高含水率的点再连一直线，如图中B线。若两个含水率的差值不小于2%时，则应重做试验。
在含水率与圆锥下沉深度的关系图（图1.7）上，查得圆锥下沉深度17mm所对应的含水率为17mm液限；查得圆锥下沉深度10mm所对应的含水率为10mm液限；查得圆锥下沉深度2mm所对应的含水率为塑限，取值以百分数表示，准确至0.1%。
当采用100g圆锥液限塑限联合测定仪时，按《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）规定，在含水率与圆锥下沉深度的关系图（图1.7）上查得圆锥下沉深度20mm所对应的含水率，即为土样的液限；然后通过液限与塑限时入土深度hP的关系曲线（图1.8）查得hP，再由图1.7求得入土深度为hP时所对应的含水率，即为该土样的塑限。在查hP－ωL关系图时，须先把细粒土与砂类土区分开来：对于细粒土，用双曲线确定下沉深度hP值；对砂类土用正交三次多项式曲线确定hP值（图1.8）。
图1.8 hP－ωL关系曲线
液限是试样从流动状态转到可塑状态时的界限含水率，实际上，按76g锥入土10mm对应的试样含水率没能反映土此时真正的物理状态，并不是土真正的液限。试验表明，76g锥入土深度17mm液限和100g锥入土深度20mm液限时与美国ASTM碟式仪液限相当，因此，《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）将76g锥入土17mm含水率作为液限标准，但同时还保留采用下沉深度10mm时含水率作为液限标准；《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）将76g锥入土17mm含水率和100g锥入土20mm含水率同时作为液限标准；《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）进行黏性土分类和确定黏性土承载力修正系数时，则按76g锥入土10mm液限计算塑性指数和液性指数。
而当使用圆锥仪测定塑限，是以滚搓法作为比较的。试验表明，76g圆锥下沉深度约为1.8mm时，与滚搓法强度比较接近，认为该点的含水率即为塑限，因此我国土工试验规范多采用76g锥下深度2mm时含水率定为塑限标准。而《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）规定当采用100g圆锥液限塑限联合测定仪时，则考虑了土质对锥入土深度的影响，将细粒土与砂类土区分开来分别确定。
3）塑性指数计算：
4）液性指数计算：
（2）试验记录。液、塑限联合测定试验记录见表1.19。
表1.19 界限含水率试验记录表（液、塑限联合测定法）
（3）允许差值。液限和塑限联合测定法试验应进行两次平行测定，取其算术平均值，两次平行测定的允许差值为：高液限土小于或等于2%，低液限土小于或等于1%。
11.5.2 滚搓法塑限试验
滚搓法塑限试验就是用手在毛玻璃板上滚搓土条，当土条直径达3mm时产生裂缝并断裂，此时试样的含水率即为塑限。长期以来，国内外多采用滚搓法测定塑限，但滚搓法塑限试验方法受人为因素影响较大，试验结果的精确度主要取决于操作者的经验和技巧，特别是对于低塑性土，往往得出偏大的结果，目前已可用液塑限联合测定法替代滚搓法。
1.适用范围
滚搓法塑限试验方法适用于粒径小于0.5mm且有机质含量不大于试样总质量5%的土。
2.仪器设备
（1）毛玻璃板。尺寸为200mm×300mm。
（2）卡尺。分度值0.02mm，或直径3mm的金属丝。
（3）天平。称量200g，最小分度值0.01g。
（4）其他。烘箱、干燥器、铝制称量盒、滴管、吹风机、孔径0.5mm筛、研钵等。
3.操作步骤
（1）取代表性天然含水率试样或过0.5mm筛的代表性风干试样100g，放在盛土皿中加纯水拌匀，盖上湿布，湿润过夜。
（2）将制备好的试样在手中揉捏至不黏手，然后将试样捏扁，若出现裂缝，则表示其含水率已接近塑限。
（3）取接近塑限含水率的试样8～10g，先用手捏成手指大小的土团（椭圆形或球形），然后再放在毛玻璃板上用手掌轻轻滚搓，滚搓时手掌的压力要均匀施压在土条上，不得使土条在毛玻璃板上无法滚动，在任何情况下土条不得有空心现象，土条长度不宜大于手掌宽度，在滚搓时不得从手掌下任一边脱出。
（4）当土条搓至3mm直径时，表面产生裂缝，并开始断裂，此时试样的含水率即为塑限。若土条搓至3mm直径时，仍未产生裂缝或断裂，表示试样的含水率高于塑限，则将其重新捏成一团，重新搓滚；如土条直径在大于3mm时已开始断裂，表示试样的含水率低于塑限，应弃去此土样，重新取土加适量纯水调匀后再搓，直至合格。对于某些低液限粉质土，若土条在任何含水率下始终搓不到3mm即开始断裂，可认为塑性极低或无塑性，可按细砂处理。
（5）取直径3mm且有裂缝的土条3～5g，放入称量盒内，随即盖紧盒盖，测定土条的含水率。
4.结果整理
（1）计算。按式（1.33）计算液限，计算至0.1%：
（2）试验记录。滚搓法塑限试验记录见表1.20。
表1.20 滚搓法塑限试验记录表
（3）允许差值。滚搓法塑限试验应进行两次平行测定，并取其算术平均值。两次平行测定的允许差值为：高液限土小于或等于2%，低液限土小于或等于1%。
11.5.3 圆锥仪液限试验
圆锥仪液限试验就是将质量为76g的圆锥仪轻放在试样的表面，使其在自重作用下沉入土中，若圆锥体经过5s恰好沉入土中10mm深度，此时试样的含水率就是液限。
图1.9 圆锥液限仪（单位：mm）
1—锥身；2—手柄；3—平衡装置；4—试杯；5—底座
1.适用范围
圆锥仪液限试验方法适用于粒径小于0.5mm且有机质含量不大于试样总质量5%的土。
2.仪器设备
（1）圆锥液限仪（图1.9）。主要有三个部分：①质量为76g且带有平衡装置的圆锥，锥角30°，高25mm，距锥尖10mm处有环状刻度；②用金属材料或有机玻璃制成的试样杯，直径不小于40mm，高度不小于20mm；③硬木或金属制成的平稳底座。
（2）天平。称量200g、最小分度值0.01g。
（3）其他。烘箱、干燥器、铝制称量盒、调土刀、小刀、毛玻璃板、滴管、吹风机、孔径为0.5mm的标准筛、研钵等。
3.操作步骤
（1）选取具有代表性的天然含水率土样或风干土样，若土中含有较多大于0.5mm的颗粒或夹有多量的杂物时，应将土样风干后用带橡皮头的研杵研碎或用木棒在橡皮板上压碎，然后再过0.5mm的筛。
（2）当采用天然含水率土样时，取代表性土样250g，将试样放在橡皮板或毛玻璃板上搅拌均匀；当采用风干土样时，取过0.5mm筛的代表性土样200g，将试样放在橡皮板上用纯水将土样调成均匀膏状，然后放入调土皿中，盖上湿布，浸润过夜。
（3）将土样用调土刀充分调拌均匀后，分层装入试样杯中，并注意土中不能留有空隙，装满试杯后刮去余土使土样与杯口齐平，并将试样杯放在底座上。
（4）将圆锥仪擦拭干净，并在锥尖上抹一薄层凡士林，两指捏住圆锥仪手柄，保持锥体垂直，当圆锥仪锥尖与试样表面正好接触时，轻轻松手让锥体自由沉入土中。
（5）放锥后约经5s，锥体入土深度恰好为10mm的圆锥环状刻度线处，此时土的含水率即为液限。
（6）若锥体入土深度超过或小于10mm时，表示试样的含水率高于或低于液限，应该用小刀挖去沾有凡士林的土，然后将试样全部取出，放在橡皮板或毛玻璃板上，根据试样的干、湿情况重新拌和：适当加纯水或边调拌边风干，然后重复试验步骤（3）～（5）。
图1.10 锥式液限仪沉入土体中的几种情况
（7）取出锥体，用小刀挖去沾有凡士林的土，然后取锥孔附近土样约10～15g，放入称量盒内，测定其含水率。
锥式液限仪沉入土体中的几种情况如图1.10所示。
4.结果整理
（1）计算。按式（1.34）计算液限，计算至0.1%：
（2）试验记录。圆锥仪液限试验记录见表1.21。
表1.21 圆锥仪液限试验记录表
（3）允许差值。圆锥仪法试验应进行两次平行测定，取其算术平均值，两次平行测定的允许差值为：高液限土小于或等于2%，低液限土小于或等于1%。
11.5.4 碟式仪液限试验
碟式仪液限试验就是将土碟中的土膏用开槽器分成两半，以每秒2次的速率将土碟由10mm高度下落，当土碟下落击数为25次时，两半土膏在碟底的合拢长度恰好达到13mm，此时试样的含水率即为液限。
1.适用范围
碟式仪液限试验方法适用于粒径小于0.5mm，且有机质含量不大于试样总质量5%的土。
2.仪器设备
（1）碟式液限仪（图1.11）。主要由铜碟、支架及底座组成的机械设备以及调整板、摇柄、偏心轮、开槽器等构成。底座应为硬橡胶制成，开槽器应具有特定的形状和尺寸，且带有量规，划刀尖端宽度应为2mm，如磨损应加以更换。碟式仪测定液限时，底座材料和划刀规格不同，所测得的液限值也是不同的，我国相关土工试验规范一般都建议使用美国ASTM D423所采用的碟式仪规格。
图1.11 碟式液限仪
A—开槽器；B—销子；C—土碟；D—支架：E—涡轮；F—摇柄；G—底座：H—调整板：I—螺丝
（2）天平。称量200g，最小分度值0.01g。
（3）其他。烘箱、干燥器、铝制称量盒、调土刀、毛玻璃板、滴管、吹风机、孔径0.5mm筛、研钵等设备。
3.操作步骤
（1）碟式仪校准步骤：
1）松开调整板的定位螺钉，将开槽器上的量规垫在铜碟与底座之间，用调整螺钉将铜碟底与底座之间的落高调整到10mm。
2）保持量规位置不变，迅速转动铜碟摇柄以检验调整是否正确。当涡轮碰击从动器时，铜碟不动，并能听到轻微的声音，表明调整正确。然后拧紧定位螺钉，固定调整板。
（2）碟式仪试验步骤：
1）试样的制备同液塑限联合测定法试验中的操作步骤（1）、（2）。
2）将制备好的试样充分调拌均匀后，平铺于碟式仪铜碟的前半部。铺土时应防止试样中混入气泡。用调土刀将位于铜碟前半部的试样刮成水平，使试样中心厚度为10mm，多余试样放回到调土皿中。以涡形轮为中心，用开槽器从后至前沿铜碟直径将试样划成槽缝清晰的两半，形成V形槽，如图1.12所示。为避免槽缝边扯裂或试样在铜碟中滑动，允许从前至后，再从后至前多划几次，将槽逐步加深，以代替一次划槽，最后一次从后至前的划槽能明显地接触碟底。但应尽量减少划槽的次数。
图1.12 碟式液限仪试验划槽及合拢情况
（a）试验前将试样划成两半；（b）试验后的合拢情况
3）以每秒两转的速度转动摇柄，使铜碟反复起落，其落高为10mm，坠击于硬橡胶底座上，直至槽底两边试样的合拢长度为13mm时，记录其击数，并在槽的两边取不少于10g的试样，放入称量盒内，测定含水率。槽底试样的合拢长度可用划刀的一端量测，若合拢处不连续有中断现象，则要求摇至连续合拢长度达13mm为止，产生这种现象，很可能是由于试验未拌匀或碟磨损严重所造成的。
4）将铜碟中的剩余试样移至调土皿中，加入不同水量拌匀后，重复步骤2）～3），测定槽底两边试样合拢长度为13mm时所需击数及相应的含水率，试样宜为4～5个，槽底试样合拢所需要的击数宜控制在15～35击之间（其中在25击上下至少各有1次），并分别测定在各种击数下相应的含水率。
4.结果整理
（1）计算和绘图：
1）按式（1.35）计算各击次下槽底试样合拢时相应的含水率，计算至0.1%：
2）液限的确定。以含水率为纵坐标，以击次的对数为横坐标，在半对数坐标纸上绘制含水率与击次的关系曲线，如图1.13所示，然后在曲线上查得击数为25所对应的含水率即为试样的液限。
图1.13 液限曲线
（2）试验记录。碟式仪液限试验记录见表1.22。
表1.22 碟式仪液限试验记录表
（3）允许差值。碟式仪法试验应进行两次平行测定，并取其算术平均值。两次平行测定的允许差值为：高液限土小于或等于2%，低液限土小于或等于1%。