CN110220812B - 一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法 - Google Patents

一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法，包括以下步骤：1)选取含粗颗粒粘性土试样，分为常规土工子样和干筛子样；2)将常规土工子样用烘干法测定含水率，再进行颗分，得到常规土工子样的含水率和各级颗分比例；3)将干筛子样用孔径为5mm的工具切条，取出未通过的颗粒；4)将切条的干筛子样依次用2mm筛、0.5mm筛进行筛分，分别得到初筛子样；5)将两种初筛子样分别用烘干法测定含水率，再分别进行颗分，得到各初筛子样的含水率和各级颗分比例；6)计算得到试样粗颗粒的分级含水率。本发明的测定方法保持了试样粗颗粒的天然湿度，使测得的含粗颗粒粘性土中的各级粗颗粒的含水率接近其真实含水率。

Description

一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法
技术领域
本发明属于土壤水分检测技术领域，具体涉及一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法。
背景技术
液性指数是表征一般黏性土状态的标准指标。国标《岩土工程勘察规范(2009版)》GB 50021-2001第3.3.11条规定：黏性土的状态应根据液性指数IL划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑。根据国标GB/T 50123-1999《土工试验方法标准》第8.1.7和8.1.8条，液性指数由试样含水率ω0和液限ωL、塑限ωP算得，是含水率与塑限的差除以液限与塑限的差；同时根据8.1.1条，液限、塑限测定法只适用于粒径小于0.5mm以及有机质含量不大于试样总质量5％的土。为便于表述，习惯上将满足这一粒径要求的颗粒称为细颗粒，而大于0.5mm粒径的颗粒称为粗颗粒。
以花岗岩残积土为代表的含粗颗粒粘性土，在测定液限、塑限时，必须首先将试样水洗过筛，剔除粗颗粒。这时，液性指数计算式中就存在含水率应当与液限、塑限的测试对象匹配的问题，即：含水率必须也是细颗粒的含水率，算式才成立。
但是，由于粘性土的粗、细颗粒之间有粘结力，很难分开分别测含水率。因此，当前国标《岩土工程勘察规范(2009版)》建议未实测时，取粗颗粒的含水率为5％，依此测算细颗粒含水率，然后计算液性指数。然而，粗颗粒的实际含水率应当和其颗粒组成有关，而且工程实践也表明，粗颗粒的含水率取值5％得到的液性指数严重偏离正常值。
为此，行内研究者对此开展了相关的研究。目前，对花岗岩残积土中的粗颗粒的含水率开展的研究思路都是采用水洗法，也就是将试样当作砂土进行水洗筛分，一般根据《土工试验方法标准》GB/T 50123-1999第7.1.2条的标准孔径级别及花岗岩残积土的颗粒组成特点，将粗颗粒筛分成0.5～2mm、2～5mm、>5mm三个粒径级别。筛分后，用湿布、纸巾等将各级粗颗粒表面的水分吸干，然后分级测定各自的含水率；最后用三级颗粒的含水率及各自的含量计算出粗颗粒的含水率。代表性的研究成果有谢邦优、陈志伟发表的《准确测定花岗岩残积土中细粒含水率的探讨》以及郑丽君发表的《花岗岩残积土颗粒吸着含水率对液性指数影响》。但郑丽君的文章中也指出，水洗法的结果明显受试验人员的个人因素影响很大，每个人对湿度的掌握都不同，悬殊很大，与实际含水率的相关性存在较大疑问。事实上，水洗法除了可以有效地将各级粒径的颗粒分开这一有点外，问题非常明显，那就是其湿度状态已经完全是人为“再造”的湿度状态，而非天然湿度状态，结果的可信度自然就是可疑的。
发明内容
为了克服现有技术存在的问题，本发明以尽可能保持颗粒的天然湿度为前提，测定含粗颗粒粘性土中的各级粗颗粒的含水率，从而为含粗颗粒粘性土的液性指数测定提供有效的基本数据。因此，本发明的目的在于提供一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法。
本发明主要采用干筛法及筛后水洗颗分，并结合常规筛分试验数据，通过计算获得试样粗颗粒的含水率。干筛法试验操作主要分两大步：第一步是将样品在自然状态下切碎、初筛成粒径不同的分级子样，分别测各子样的含水率；第二步是将各子样水洗颗分，得到各子样的颗粒组成。然后建立各子样的含水量方程式，与常规试验建立的方程式联立成方程组，求解各级颗粒的含水率。
为了实现上述的目的，本发明所采取的技术方案是：
一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法，包括以下步骤：
1)选取含粗颗粒粘性土试样，分为常规土工子样和干筛子样；其中，粗颗粒是指粒径>0.5mm的颗粒；
2)将常规土工子样用烘干法测定含水率，再将常规土工子样进行颗分，得到常规土工子样的含水率和各级颗分比例；
3)将干筛子样用孔径为5mm的工具切条，取出未通过的颗粒，即为粒径>5mm的初筛子样；
4)将切条的干筛子样依次用2mm筛、0.5mm筛进行筛分，分别得到粒径为2mm～5mm的初筛子样和粒径为0.5mm～2mm的初筛子样；
5)将粒径为2mm～5mm的初筛子样和粒径为0.5mm～2mm的初筛子样分别用烘干法测定含水率，再分别将两种初筛子样进行颗分，得到各初筛子样的含水率和各级颗分比例；
6)计算得到试样粗颗粒的分级含水率，具体如下：
根据步骤2)颗分得到的常规土工子样颗分曲线，拟合得到粒径小于某粒径ds的颗粒质量百分比P的函数式如式(1)所示：
P＝f(ds) (1)
分别记粒径为0.5mm～2mm、2mm～5mm、>5mm粗颗粒的平均粒径为
Figure BDA0002092810560000021
平均含水率为ωA1、ωA2、ωA3，质量百分比为PA1、PA2、PA3；对式(1)进行积分，可以分别得到
Figure BDA0002092810560000022
不同粒径范围颗粒的平均含水率之比可表示为式(2)：
Figure BDA0002092810560000031
将常规土工子样记为子样a，粒径为2mm～5mm的初筛子样记为子样b，粒径为0.5mm～2mm的初筛子样记为子样c；子样a、b、c各自的含水率ω(a)、ω(b)、ω(c)可建立式(3)所示的方程组：
Figure BDA0002092810560000032
式(3)中，ωf表示粒径≤0.5mm的细颗粒含水率；Pf表示细颗粒的质量百分比；t表示试样的细颗粒每经过一道干筛散失的水分比例；
将步骤2)和步骤5)得到的试验数据，代入式(2)和式(3)进行计算，得到粗颗粒的分级含水率。
下面对测试方法作进一步说明：
常规土工子样含水率的计算公式如式(Ⅰ)所示：
ωAPA+ωfPf＝ω (Ⅰ)
式(Ⅰ)中，ωA：粒径>0.5mm的粗颗粒含水率；PA：粗颗粒的质量百分比；ωf：粒径≤0.5mm的细颗粒含水率；Pf：细颗粒的质量百分比；ω：常规土工子样的含水率。
根据步骤2)颗分得到的常规土工子样颗分曲线，拟合得到粒径小于某粒径ds的颗粒质量百分比P的函数式如式(1)所示：
P＝f(ds) (1)
对式(1)进行积分，得到不同粒径范围样品的平均粒径
Figure BDA0002092810560000033
分别记粒径为0.5mm～2mm、2mm～5mm、>5mm粗颗粒的平均粒径为
Figure BDA0002092810560000034
平均含水率为ωA1、ωA2、ωA3，质量百分比为PA1、PA2、PA3；对式(1)进行积分，可以分别得到0.5mm～2mm、2mm～5mm、>5mm粒径范围粗颗粒的平均粒径
Figure BDA0002092810560000035
由于粗颗粒对水的粘附能力主要与比表面积相关，而粒径与颗粒的比表面积成反比，由此可以得到不同粒径范围颗粒的平均含水率之比，即式(2)：
Figure BDA0002092810560000036
因此，求ωAPA就转化为求
Figure BDA0002092810560000041
即式(Ⅰ)中的ωAPA可表示为式(Ⅱ)：
Figure BDA0002092810560000042
对于同一类土工试样，其粗颗粒含水率主要由0.5～2mm和2～5mm粒径部分决定，>5mm部分影响很小；而由于具有基本相似的颗分曲线，因此各试样的
Figure BDA0002092810560000043
基本相同。因此，按上述思路分级获得含水率的好处是：若能测得部分试样的
Figure BDA0002092810560000044
进而根据式(2)以及上述试验方法测得若干组试样的平均含水率ωA1、ωA2、ωA3，那么，对于其它试样，只要根据常规土工实验所得的颗分数据就可以求得
Figure BDA0002092810560000045
而不需要每个试样都进行下述较为特殊、繁琐的干筛试验以及数据计算过程。
将常规土工子样记为子样a，粒径为2mm～5mm的初筛子样记为子样b，粒径为0.5mm～2mm的初筛子样记为子样c；子样a、b、c各自的含水率ω(a)、ω(b)、ω(c)可建立式(3)所示的方程组；
Figure BDA0002092810560000046
式(3)中，t表示试样的细颗粒每经过一道干筛散失的水分比例。
对式(3)进一步说明如下：干筛法初筛过程中，样品破碎、过筛使得样品较长时间暴露于空气，会散失部分表层相对自由的水分，这部分相对富余的水分可认为属于细颗粒。因此，应假设每经过一道干筛散失一定比例的水分。假设该比例为t，则经过一道干筛，细颗粒含水率应乘以(1-t)；经过两道干筛的，细颗粒含水率应乘以(1-t)2。
将步骤2)和步骤5)得到的试验数据，代入式(2)和式(3)进行计算，得到粗颗粒的分级含水率。
对于步骤6)的计算方法进一步说明如下：根据式(2)，ωA1、ωA2、ωA3三者之间由任一个即可求出另外两个，因此，式(3)的中可看成只有3个未知量：ωA1、ωf、t，联立三个方程，就可以求解出这三个值，因而也就得到了ωA1、ωA2、ωA3三个值。
ωA1、ωA2、ωA3这三个值确定后，其它试样就可以根据常规试验数据，由式(Ⅰ)得到细颗粒含水率ωf，进而求得试样的液性指数。
优选的，步骤1)中，对于干筛试验，在同一批含粗颗粒粘性土中选取6～10组作为试样，各组均分为常规土工子样和干筛子样进行测试。考虑到试验过程存在的误差，宜将这些组试样所得的同级子样的数据求平均值，再代入式(3)建立方程组，以尽可能消除系统误差。
优选的，步骤1)中，含粗颗粒粘性土为花岗岩类风化土，包括花岗岩类残积土、风化呈土状的全风化、强风化花岗岩类岩石。
优选的，步骤2)和步骤5)中，用烘干法测定含水率是指按《土工试验方法标准》的含水率试验方法进行测定。《土工试验方法标准》是指GB/T 50123-1999《土工试验方法标准》，其第4条提及含水率试验。
优选的，步骤2)和步骤5)中，颗分是指将子样颗分为粒径分别是≤0.5mm、0.5mm～2mm、2mm～5mm、>5mm的颗粒。颗分的粒径是参照GB/T 50123-1999《土工试验方法标准》第7.1.2条的标准孔径级别以及花岗岩残积土的颗粒组成特点进行分级的。
优选的，步骤2)和步骤5)中所述颗分为水洗颗分。
优选的，步骤3)中，切条所用的工具为手摇式切丝机。
优选的，步骤6)中，对式(1)进行积分得到不同粒径范围样品的平均粒径
Figure BDA0002092810560000051
具体是：
粒径为0.5mm～2mm粗颗粒，其平均粒径
Figure BDA0002092810560000052
的计算公式如式(4)所示：
Figure BDA0002092810560000053
粒径为2mm～5mm粗颗粒，其平均粒径
Figure BDA0002092810560000054
的计算公式如式(5)所示：
Figure BDA0002092810560000055
粒径>5mm粗颗粒，其平均粒径
Figure BDA0002092810560000056
的计算公式如式(6)所示：
Figure BDA0002092810560000057
优选的，步骤(6)中，式(1)可表示为式(7)：
P＝a·lnds+b (7)
式(7)中，a表示拟合颗分曲线的斜率，b表示拟合颗分曲线的截距。
步骤(6)中，根据所得粗颗粒的分级含水率及各级的质量百分比，算得试样粗颗粒的含水率；即根据式(Ⅱ)，可以得到试样中粗颗粒的含水率。
在本发明中，粒径为0.5mm～2mm是指0.5mm<ds≤2mm；粒径为2mm～5mm是指2<ds≤5mm。
本发明的有益效果是：
本发明的测定方法保持了试样粗颗粒的天然湿度，使测得的含粗颗粒粘性土中的各级粗颗粒的含水率接近其真实含水率。
具体而言，与现有技术相比，本发明具有以下的优点：
1、尽量保持了样品的自然湿度状态，而非人为模拟，试验数据更可靠。
2、避免了每个试样做繁琐的干筛试验。
附图说明
图1是干筛后的颗粒情况示意图。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例中所用的装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到。实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为本领域的常规方法。
一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法，包括以下步骤：
步骤一：在同一批含粗颗粒粘性土中选取6～10组试样，记录样号，并将每组试样分为两部分，一部分为常规土工子样，另一部分为干筛子样。
步骤二：将常规土工子样按《土工试验方法标准》称重、装样盒烘干、称干重，然后颗分，记录数据，并算得常规子样的含水率和各级颗分比例。
步骤三：将干筛子样用孔径5mm的手摇式切丝机切条，未通过的颗粒取出，即为ds>5mm部分初筛子样。
步骤四：将切条的样品再过一遍切条机碎样，然后依次用2mm筛、0.5mm筛在自然状态下进行筛分，得到2～5mm初筛子样和0.5～2mm初筛子样。筛分时用一小细棍对粘连在一起的颗粒进行拨动，使较细颗粒分离过筛。
步骤五：把2～5mm初筛子样和0.5～2mm初筛子样分别称重、装样盒烘干、称干重，然后颗分，记录数据，并算得子样的含水率和各级颗分比例。
步骤六：完成所有试样后，依次求取全部试样的常规子样的含水率、各级颗分比例的平均值，再依次求取2～5mm初筛子样和0.5～2mm初筛子样的相关数据平均值，代入式(2)和式(3)求解ωA1、ωA2、ωA3，即得到各级粗颗粒的含水率。
具体实例如下：
本发明人根据对广州地区花岗岩风化土1272组试样的统计，得到其小于某粒径ds的颗粒含量百分比P的函数式如式(8)所示：
P＝11.8·lnds+78.8(8)
按照式(4)～(6)进行积分，得到式(9)：
Figure BDA0002092810560000071
将式(9)代入式(2)中，得到式(10)：
ωA1:ωA2:ωA3＝1:1/3:1/5＝5:5/3:1 (10)。
本发明人做了63组干筛试样，表1所示为部分试样的数据。
表1部分干筛法试验统计数据
Figure BDA0002092810560000072
Figure BDA0002092810560000081
试样干筛后的颗粒情况可见附图1。
将干筛试样得到的数据代入式(3)方程组中计算，可得到表2所示的分级颗粒含水率。
表2各试样的分级颗粒含水率
Figure BDA0002092810560000082
根据所做的63组干筛试样，测得各自子样的数据，并求同级子样数据的平均值，代入式(3)得到式(11)：
Figure BDA0002092810560000083
联立式(10)和式(11)求解可得，(ωA1、ωA2、ωA3)＝(15.640,5.213,3.128)。
将以上算得的三级含水率代入上述广州地区1270组花岗岩风化土试样的颗分数据，可以算得含粗颗粒的1270组试样的粗颗粒含水率。其统计数据如表3所示。表3所示的含水率为质量百分比。
表3试样粗颗粒含水率统计结果
统计个数 平均值(％) 最大值(％) 最小值(％) 标准差(％) 变异系数
1270 11.85 15.64 5.00 2.17 0.183
从表3可见，广州地区花岗岩风化土粗颗粒含水率变化范围为5.00％～15.64％，平均值为11.85％。
作为比较，广东省标准《建筑地基基础设计规范》DBJ 15-31-2016第4.4.5条及其条文说明认为，国标《岩土工程勘察规范(2009版)》GB 50021-2001建议的5％使液性指数计算偏大，宜取12％。需要说明的是，作为最新的行业规范，所给出的该值是经验值，而非实测值。按本发明公开的方法可进行实测，测试所得数值与试样的粗颗粒粒径组成情况相关，有比较大的变化幅度；而平均值与广东省标准《建筑地基基础设计规范》DBJ 15-31-2016提出的经验值基本相当。由于本发明采用的是试验实测的方法，应更为可靠、准确。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)选取含粗颗粒粘性土试样，分为常规土工子样和干筛子样；所述粗颗粒是指粒径>0.5mm的颗粒；
2)将常规土工子样用烘干法测定含水率，再将常规土工子样进行颗分，得到常规土工子样的含水率和各级颗分比例；
3)将干筛子样用孔径为5mm的工具切条，取出未通过的颗粒，即为粒径>5mm的初筛子样；
4)将切条的干筛子样依次用2mm筛、0.5mm筛进行筛分，分别得到粒径为2mm～5mm的初筛子样和粒径为0.5mm～2mm的初筛子样；
5)将粒径为2mm～5mm的初筛子样和粒径为0.5mm～2mm的初筛子样分别用烘干法测定含水率，再分别将两种初筛子样进行颗分，得到各初筛子样的含水率和各级颗分比例；
6)计算得到试样粗颗粒的分级含水率，具体如下：
根据步骤2)颗分得到的常规土工子样颗分曲线，拟合得到粒径小于某粒径ds的颗粒质量百分比P的函数式如式(1)所示：
P＝f(ds) (1)
分别记粒径为0.5mm～2mm、2mm～5mm、>5mm粗颗粒的平均粒径为
Figure FDA0003070258640000011
平均含水率为ωA1、ωA2、ωA3，质量百分比为PA1、PA2、PA3；对式(1)进行积分，分别得到
Figure FDA0003070258640000012
不同粒径范围颗粒的平均含水率之比表示为式(2)：
Figure FDA0003070258640000013
将常规土工子样记为子样a，粒径为2mm～5mm的初筛子样记为子样b，粒径为0.5mm～2mm的初筛子样记为子样c；子样a、b、c各自的含水率ω(a)、ω(b)、ω(c)建立式(3)所示的方程组：
Figure FDA0003070258640000014
式(3)中，ωf表示粒径≤0.5mm的细颗粒含水率；Pf表示细颗粒的质量百分比；t表示试样的细颗粒每经过一道干筛散失的水分比例；
将步骤2)和步骤5)得到的试验数据，代入式(2)和式(3)进行计算，得到粗颗粒的分级含水率。
2.根据权利要求1所述的一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法，其特征在于：所述步骤1)中，在同一批含粗颗粒粘性土中选取6～10组作为试样，各组均分为常规土工子样和干筛子样进行测试。
3.根据权利要求2所述的一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法，其特征在于：所述步骤1)中，含粗颗粒粘性土为花岗岩类风化土。
4.根据权利要求1所述的一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法，其特征在于：所述步骤2)和步骤5)中，用烘干法测定含水率是指按GB/T 50123-1999《土工试验方法标准》的含水率试验方法进行测定。
5.根据权利要求1所述的一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法，其特征在于：所述步骤2)和步骤5)中，颗分是指将子样颗分为粒径分别是≤0.5mm、0.5mm～2mm、2mm～5mm、>5mm的颗粒。
6.根据权利要求4所述的一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法，其特征在于：所述颗分为水洗颗分。
7.根据权利要求1所述的一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法，其特征在于：所述步骤3)中，切条所用的工具为手摇式切丝机。
8.根据权利要求1所述的一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法，其特征在于：所述步骤6)中，对式(1)进行积分得到不同粒径范围样品的平均粒径
Figure FDA0003070258640000021
具体是：
粒径为0.5mm～2mm粗颗粒，其平均粒径
Figure FDA0003070258640000022
的计算公式如式(4)所示：
Figure FDA0003070258640000023
粒径为2mm～5mm粗颗粒，其平均粒径
Figure FDA0003070258640000024
的计算公式如式(5)所示：
Figure FDA0003070258640000025
粒径>5mm粗颗粒，其平均粒径
Figure FDA0003070258640000026
的计算公式如式(6)所示：
Figure FDA0003070258640000027
9.根据权利要求8所述的一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法，其特征在于：所述步骤(6)中，式(1)表示为式(7)：
P＝a·lnds+b (7)
式(7)中，a表示拟合颗分曲线的斜率，b表示拟合颗分曲线的截距。
10.根据权利要求1所述的一种含粗颗粒粘性土的粗颗粒分级含水率测定方法，其特征在于：所述步骤(6)中，根据所得粗颗粒的分级含水率及各级的质量百分比，算得试样粗颗粒的含水率。
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