一种用于测定土壤阿特伯格塑限的弯曲试验方法

摘要

测定土壤塑限的传统标准试验方法为手工操作，其结果因操作者而异。本研究提出了一种基于弯曲测量的替代方法，该方法能够通过明确且客观的标准来确定塑限。

摘要

搓条试验是测定土壤塑限（PL）最常用的方法。该方法一直受到广泛批评，因为在试验操作过程中需要操作者进行相当程度的主观判断，这可能会显著影响最终结果。尽管已提出多种替代方法，但它们在速度、简便性和成本方面均无法与标准搓条试验相媲美。

在作者之前的一项研究中，提出了一种使用简易装置测定塑限（PL）的简单方法（即"细线弯曲试验"，简称"弯曲试验"）；该方法可使塑限的测定过程几乎无需操作者干预。本文介绍的是原始弯曲试验的一种改进版本。其实验原理与原始弯曲试验相同：将直径为3 mm、长度为52 mm的土样细线进行弯曲，直至其开始出现裂纹，从而确定弯曲程度及其对应的含水量。然而，这一新版本可通过一个方程直接计算出塑限（PL），因此无需绘制任何曲线或直线来获取该参数，实际上仅需一个实验点即可求得塑限（但建议使用两个实验点）。

采用这种新版本获得的塑限结果与原始弯曲试验以及由经验丰富的操作人员进行的标准滚搓试验所得结果非常相似。仅在高塑性黏性土的特殊情况下，结果差异较大。尽管如此，弯曲试验对于各种类型的土壤均适用性良好，包括黏性土和极低塑性的土壤，而后者恰恰是采用标准搓条法测试时最难处理的土壤类型。

引言

液限（LL）和塑限（PL）是1911年阿太堡（Atterberg）定义的土壤稠度界限中最重要的两个指标¹。液限标志着土体从液态向塑性状态转变的界限，而塑限则标志着从塑性状态向半固态转变的界限。目前，液限在全球范围内主要依据多种标准，通过卡萨格兰德（Casagrande）法^2,3或贯入试验法⁴测定。这两种方法均通过机械设备操作，因而人为干扰较小。而对于塑限的测定，最常用且已标准化的方法是所谓的“搓条试验”^2,5。该方法依赖人工将土壤搓成直径3 mm的土条，直至操作者判断土条开始碎裂为止。因此，该方法长期受到广泛批评，因为操作者的技能和主观判断对试验结果具有决定性影响。标准搓条试验显著受到多种不可控因素的影响，例如施加的压力、接触几何形状、摩擦力、滚动速度、试样尺寸以及土体类型^6,7。美国材料与试验协会（ASTM）制定了ASTM D 4318标准，其中包含一种简易装置，旨在减少人为干扰^2,8，然而在将手工搓条试验与ASTM D4318装置所进行的试验进行对比时，某些土壤中仍报告存在显著差异⁹。

液限（PL）是岩土工程中一个非常重要的参数，因为塑性指数（PI）是通过它计算得到的（PI = LL - PL）；根据Casagrande的研究，PI用于按照ASTM D 2487¹⁰中所示的塑性图对土壤进行分类

方案

1. 收集、干燥并筛分测试样品

1. 在野外采集土壤样品（使用铲子或刮刀），并将样品存放在聚乙烯袋中。
   注意：样品的体积取决于土壤类型：对于细粒土壤（如黏土和粉土），通常 100 至 1,000 g 已足够；但对于砂质土壤以及含有砾石和卵石的土壤，可能需要较大的样品量，从几千克到数千克不等。
2. 若样品体积过大，可在实验室中通过四分法缩减样品量（必要时可使用土壤分样器）。
3. 将样品置于托盘中，并在不超过 60 °C 的温度下烘干土壤。
   注意：烘箱干燥和空气干燥均可采用。对于非常细的土壤，如果其天然含水量适合测试（含水量高于塑限但并未明显发黏），甚至可省略干燥步骤。
4. 通过研钵手工分散土壤。注意不要压碎砂粒，因此建议使用橡胶包头的研杵。
5. 将样品过 0.40 mm（或 0.425 mm）筛。仅保留粒径小于 0.40 mm 或 0.425 mm 的筛下部分（弃去筛上残留的土壤组分）。

2. 准备两个湿土团

1. 在不吸水的光滑玻璃板上取约20–40 g土壤，用洗瓶加入蒸馏水，并用金属刮刀揉捏，直至形成均匀的土-水混合物。
2. 用手将上述土-水混合物捏成一个直径约为3–5 cm的土球（建议佩戴乳胶手套）。
3. 对同一样品重复步骤2.1和2.2，以获得具有不同含水量的另一个土球。
   1. 在步骤2.....

结果

步骤6.1中所示的PL方程是通过对作者先前研究中测试的24种土壤进行统计分析得出的²⁵ （表1）。该分析的目的是确定最可能的弯曲斜率（即弯曲曲线方程中的参数m，见图1A）以及在原始弯曲试验中获得塑性极限（PL）时弯曲曲线上B值的平均值（原始试验包含3个以上的实验点，需绘制曲线图才能确定PL，如图1所示）。对应于PL的B值由以下方程计算得出，该方程是从弯曲曲线方程推导而来（图1A）：

B_PLob=10^{((log PL_ob - log z)/m)}

其中，PL_ob

讨论

阿特伯格塑限¹是土壤中一个非常重要的参数，主要因其在岩土工程中被广泛应用^10,11,12。用于测定塑限的标准搓条试验因高度依赖操作人员的技术和判断而受到广泛批评，因此人们呼吁采用新的方法来测定塑限^{6,7,9,13,15-20, 23-25}。然而，标准塑限试验具有操作简便、成本低和测试速度快的优点，使其相较于迄今为止提出的其他替代方法仍具优势，尽管大多数替代方法（如使用落锥仪进行的试验^15-20）在一定程度上降低了操作者的主观性。

本研究中介绍的方法（即细丝弯曲试验，或简称弯曲试验）基于对弯曲变形的测量，因此最大限度地减少了操作人员的主观判断²⁵。该方法非常快速，因为只需一个实验数据点即可通过公式计算出PL值（尽管建议使用两个数据点以提高准确性），且成本低廉，因为仅需使用一种极为简单的装置即可完成测试。

关于该实验方案，有一些关键步骤需要特别注意：在步骤1.3中，干燥时间无法预先确定，因为它取决于土壤的类型、体积及其含水.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
铁锹	任意	NA	建议使用尖头金属铁锹，以便更容易插入土壤中。
小铲子	任意	NA	应便于在野外和实验室中操作，一次最多可铲起约500 g的土壤。
聚乙烯袋	任意	NA	袋子的尺寸取决于采集的土壤体积。若需保持土壤天然湿度，请使用封口胶带密封袋子。
土壤分样器	PROETISA	S0012	非必需，因为四分法也可用铁锹完成；但若使用分样器，其尺寸必须足够大，以便在含大量碎石或卵石的土壤情况下，能够分割数公斤的样品。
烘箱	SELECTA	2001254	烘箱必须能够维持恒定温度，并应设有槽口或排气孔，以利于水蒸气排出。
实验室托盘	任意	NA	优先选用金属托盘，因其比塑料托盘更能耐受烘箱温度。
研钵和研杵	MECACISA	V112-02	陶瓷研钵即可使用。  建议使用橡胶包头的研杵，因为若研杵为其他材料（如金属或陶瓷），可能会压碎砂粒。
0.40 mm筛网（或0.425 mm筛网）	FILTRA	0,400 (或 0,425)	确保筛网处于良好使用状态（不得破损或磨损）。
刷子	任意	NA	在筛分过程中可用于推动土壤通过筛网。
洗瓶	任意	NA	容量应约为1升，且应易于控制出水量。
蒸馏水	任意	NA	蒸馏水可直接购买，或通过过滤自来水获得（后者需配备过滤系统）。
非吸水性光滑玻璃板	任意	NA	玻璃板面积应至少为30 × 30 cm。
金属刮刀	任意	NA	刮刀金属片应具有柔韧性。用水清洗后需用纸巾擦干，以防生锈。
乳胶手套	任意	NA	乳胶、乙烯基、腈类或其他不透性材料均可。手套应足够薄，以便用手感知土壤质地。
保鲜膜	任意	NA	普通保鲜膜即可使用。
密封袋	任意	NA	封口前应尽量排出袋内空气。
线模成型工具	任意	NA	本实验中专门设计的工具（本文包含带尺寸的图纸）。
钢制推杆	任意	NA	本实验中专门设计的工具（本文包含带尺寸的图纸）。
湿布	任意	NA	普通湿布即可使用。
卷纸	任意	NA	常用于擦手的普通卷纸即可使用。
卡尺	任意	NA	精度至少应达到0.1 mm。
纸和笔	任意	NA	用于记录实验结果。
带盖容器	任意	NA	小型圆柱形玻璃容器即可使用。若无盖，可用表面皿代替。盖子有助于防止测试过程中水分流失，以及烘箱干燥后土壤从空气中吸收湿气。
精密或分析天平	BOECO	BPS 52 PLUS	精度至少应达到0.01 g。
防护手套	任意	NA	用于从烘箱中取出高温金属托盘。
坩埚钳	任意	NA	用于从烘箱中夹取高温容器。
干燥器	MECACISA	A036-01	普通玻璃干燥器内装硅胶即可，用于防止干燥后的土壤从空气中吸收湿气。