土粒比重試驗影響因素分析

高惠君

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

土力學(xué)上土粒比重定義為土粒的質(zhì)量與同體積純蒸餾水在4℃時的質(zhì)量之比。4℃時純蒸餾水的密度為1.0 g/cm3，故實用上土粒比重在數(shù)值上即等于土粒的密度，是無量綱數(shù)，在工程地質(zhì)學(xué)上也叫相對密度或顆粒密度，與含水量、質(zhì)量密度并稱為“試驗直接測定的基本物理性質(zhì)指標(biāo)”，可以計算出孔隙比、飽和度，從而進一步計算出一系列土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，所以土粒比重試驗(鐵路工程上也叫顆粒密度試驗)是土工試驗的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度關(guān)乎絕大部分力學(xué)試驗的成敗。

《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)和《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB 10102—2010)都規(guī)定最大粒徑小于5 mm的土采用量瓶法測定，粒徑等于大于5 mm的土，其中大于20 mm的顆粒含量少于10%時采用浮稱法;大于10%時采用虹吸筒法;土中含有小于和大于5 mm的顆粒，則應(yīng)分別用量瓶法、浮稱法或虹吸筒法測定不同粒徑的土粒比重，再計算出平均土粒比重。

在日常工作中，接觸最多的是用量瓶法測定土粒比重，該試驗雖然是基礎(chǔ)試驗，但因其精度要求高、影響因素多，所以也是一項數(shù)據(jù)超差率高、返工率高的試驗。經(jīng)過多年對不同地區(qū)土進行土粒比重試驗數(shù)據(jù)積累、分析、研究，發(fā)現(xiàn)影響土粒比重試驗準(zhǔn)確率的因素主要有4點，以下逐一說明。

1 試驗溫度

土粒比重實際就是土粒質(zhì)量與同體積純水在4℃時的質(zhì)量之比，而工作環(huán)境溫度不可能達(dá)到準(zhǔn)確的4℃，就需要準(zhǔn)確測量出試驗水土混合物的溫度來參與計算。

用純水測定時

式中 ρs——顆粒密度/(g/cm3)，計算至0.01 g/cm3;

mpw——量瓶和水的總質(zhì)量/g;

mpws——量瓶、水和土的總質(zhì)量/g;

md——干試樣質(zhì)量/g;

ρwT——T ℃時水的密度/(g/cm3)。

用中性液體測定時

式中 mpu——量瓶和中性液體總質(zhì)量/g;

mpus——量瓶、中性液體和土的總質(zhì)量/g;

ρUT——T℃時中性液體的密度/(g/cm3)。

從以上兩式可以看出，ρwT(T℃時水的密度)或是ρuT(T℃時中性液體的密度)都參與ρs(土粒比重即顆粒密度)的計算，只有準(zhǔn)確測出試驗溫度，才能準(zhǔn)確地找出或測出T℃時水或中性液體的密度。如果試驗溫度測定不準(zhǔn)確，就會使試驗結(jié)果數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。因此試驗規(guī)程規(guī)定，試驗溫度準(zhǔn)確到0.5℃，實際操作精確到0.1℃。

2 試驗操作過程中對細(xì)節(jié)的處理

土工試驗規(guī)程中規(guī)定將15 g或10 g烘干土裝入100 mL或50 mL量瓶內(nèi)，稱量瓶和土的總質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.001 g。這一步驟不同試驗人員有不同的理解，有的先稱出干土重，然后倒入量瓶內(nèi)，再稱瓶和土的總重;有的先把量瓶放在天平上稱重后清零，再放入干土，稱瓶和土的總重。這兩種方法都是為了確定干土重md，但是第一種方法是先在其他器皿上稱出干土重，再倒入量瓶內(nèi)，這一過程中會有少量極細(xì)土顆粒吸附在器皿上，造成實際試驗土質(zhì)量比記錄的土質(zhì)量少，從而使試驗數(shù)據(jù)偏差，而第二種方法則完全避免了這一偏差。

試驗操作的最后一步是將煮沸或真空抽氣完畢的量瓶冷卻至接近室溫，將事先煮沸并冷卻的純水注入量瓶至近滿(有恒溫水槽時，可將量瓶放于恒溫水槽內(nèi))。待瓶內(nèi)懸液溫度穩(wěn)定及懸液上部澄清時，塞好瓶塞，使多余水分自瓶塞毛細(xì)管中溢出，將瓶外壁上的水分擦干后，稱量瓶、水和土總質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.001 g，并測定量瓶內(nèi)水的溫度，準(zhǔn)確至0.5℃。這一步驟中，量瓶瓶塞上的毛細(xì)管孔徑十分關(guān)鍵，試驗規(guī)程對此沒有明確的說明，以前我試驗室有孔徑2 mm左右和1 mm左右兩種量瓶，實踐中發(fā)現(xiàn)，使用孔徑2 mm左右的量瓶比使用孔徑1 mm左右的量瓶更容易出現(xiàn)試驗結(jié)果偏差。因為試驗的理論依據(jù)是同體積的土粒與純水的質(zhì)量比，試驗中毛細(xì)管內(nèi)的存水是忽略不計的，孔徑越小，其內(nèi)的存水就越少，對試驗結(jié)果影響就越小，所以應(yīng)該不再使用毛細(xì)管孔徑2 mm左右的量瓶，而改用孔徑在1 mm左右的量瓶。

3 試驗方法的選擇

《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)和《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB 10102—2010)都規(guī)定，用中性液體(如煤油)測定含有可溶鹽、親水性膠體或有機質(zhì)的土粒比重時，可用真空抽氣法代替煮沸法排除土中空氣。對砂土，為了防止煮沸時顆粒跳出，也可采用真空抽氣法，抽氣時真空壓力表讀數(shù)應(yīng)達(dá)到約一個負(fù)壓力值，抽氣時間1～2 h，直至懸液內(nèi)無氣泡逸出時為止。但煮沸法與煤油真空抽氣法所測結(jié)果具體偏差有多大，有無規(guī)律性。就此問題，利用天津地區(qū)的土做了對比試驗。

(1)對同一孔不同深度的土樣分別作液、塑限，計算出塑性指數(shù)，并進行灼燒試驗，測出土樣的灼燒失量。

(2)按照試驗規(guī)程，利用蒸餾水煮沸法測出土粒比重。

(3)采用真空抽氣法分別稱出在某一溫度時量瓶與蒸餾水的總重及同一量瓶與煤油的總重，利用公式

式中 ρm——煤油密度/(g/cm3)，計算至 0.01 g/cm3;

mpv——量瓶和煤油的總質(zhì)量/g;

mpw——量瓶和純水的總質(zhì)量/g;

mp——量瓶質(zhì)量/g;

ρwT——T℃時純水的密度/(g/cm3);

計算出24℃時煤油密度(0.78 g/cm3)。

(4)把15 g左右的干土放入量瓶。加煤油在一個大氣壓下經(jīng)過1～2 h的真空抽氣后，當(dāng)溫度同為24℃時稱出量瓶、煤油加土的總重量，利用公式(2)計算出土粒比重。

(5)把試驗測得的各項數(shù)據(jù)經(jīng)過整理對比發(fā)現(xiàn):

①同一土樣，煮沸法所得數(shù)據(jù)比煤油真空抽氣法測得的數(shù)據(jù)略大;

②塑性指數(shù)相近的土，灼燒失量越大，其兩種實測比重的差值就越大(如表1)。

表1 塑性指數(shù)、灼燒失量和實測比重關(guān)系(一)

由表1可看出，塑性指數(shù)分別為14.2、14.6的兩種土，灼燒失量等于5.2、8.4，用煮沸法測得的比重同為2.67，而用真空抽氣法測得的比重為2.62、2.58，兩種方法的差值分別為 0.05和 0.09，后者比前者大0.04。

③塑性指數(shù)較大的黏土，其兩種數(shù)據(jù)的差值受到灼燒失量的影響較粉質(zhì)黏土更明顯(如表2)。

表2說明塑性指數(shù)分別為14.4的粉質(zhì)黏土，灼燒失量等于7.5，用煮沸法測得的比重為2.66，煤油真空抽氣法測得的比重為2.61，兩比重差值為0.05;塑性指數(shù)是20.7的黏土，期灼燒失量為8.5，煮沸法比重為2.70，真空抽氣法比重為2.60，兩方法比重差值為0.10，是粉質(zhì)黏土兩比重差值的2倍。

表2 塑性指數(shù)、灼燒失量與實測比重關(guān)系(二)

④粒徑較大的粉土兩種比重的差值受灼燒失量的影響不大，但兩種方法間差值較大(如表3)。

表3 塑性指數(shù)、灼燒失量和實測比重關(guān)系(三)

由上述對比試驗可以總結(jié)出，真空抽氣法比煮沸法更能準(zhǔn)確地測定出土粒的實際比重值。但用中性液體做介質(zhì)，需要先測定、計算中性液體的密度，加大了試驗難度，提高了試驗成本。如果不含有可溶鹽、親水性膠體或有機質(zhì)的土也采用中性液體做介質(zhì)，就會造成人力、物力和時間的浪費。因此，對于非特殊土應(yīng)采用以純水為介質(zhì)進行真空抽氣法來測定土粒比重，既可以提高試驗準(zhǔn)確率，又可節(jié)省時間，降低試驗成本。

4 土中的礦物化學(xué)成分及土性和地區(qū)差異

天然土顆粒由不同的礦物所組成，這些礦物和化學(xué)成分的比重各不相同，所以影響土粒的比重也有所差別。由上述對比試驗可以看出，土中所含有的可溶鹽、親水性膠體或有機質(zhì)越多即灼燒失量越大，土粒的比重就越小。

黃土——顏色以黃色、褐黃色為主，顆粒組成以粉粒為主，有肉眼可見的大孔隙，富含碳酸鹽類，垂直節(jié)理發(fā)育。我國黃土主要分布在北緯33°～47°之間即隴西、陜北、關(guān)中、山西、豫西等地。黃土的土粒比重在2.68～2.72之間，因親水性膠體或有機質(zhì)含量極低，其土粒比重基本不受灼燒失量的影響。

紅黏土——顏色為棕紅色或褐黃色，分為原生紅黏土和次生紅黏土。我國紅黏土主要分布在南方，以貴州、云南和廣西最為典型和廣泛，其次在四川盆地南緣和東部、鄂西、湘西、湘南、粵北、皖南和浙西等地也有分布。紅黏土的土粒比重在2.76～2.90之間，因主要礦物成分為高嶺石、伊利石和綠泥石，且富含交換性陽離子、易溶鹽和其他化學(xué)成分，故測定紅黏土的土粒比重必須用中性液體進行真空抽氣法。

軟土——是指天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的細(xì)粒土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等。我國軟土主要分布在沿海地區(qū)，如東海、黃海、渤海、南海等地，內(nèi)陸平原以及一些山間洼地亦有分布。軟土因有機質(zhì)含量較高，所以其土粒比重偏低，泥炭、泥炭質(zhì)土的土粒比重甚至?xí)∮?.0。

填土——是指人類活動而堆填的土，分為素填土、雜填土和沖填土三類。素填土由天然土經(jīng)人工擾動和搬運堆填而成，不含或少含雜質(zhì);雜填土含有大量建筑垃圾、工業(yè)廢料或生活垃圾等雜質(zhì);沖填土是由水力沖填泥沙形成的填土，它是我國沿海一帶常見的人工填土之一。因填土的成因太復(fù)雜，所以其土粒比重的變化較大，不確定性最大。

5 結(jié)束語

為了減少各種影響因素對土粒比重試驗結(jié)果的干擾，建議按照以下注意事項操作:試驗溫度準(zhǔn)確到0.1℃;試驗過程中注意細(xì)節(jié)操作，選用毛細(xì)管孔徑1 mm左右的量瓶進行試驗;非特殊土都采用以純水為介質(zhì)進行真空抽氣法來測定土粒比重，含有可溶鹽、親水性膠體或有機質(zhì)的土可用中性液體(煤油)進行真空抽氣法;結(jié)合土的來源和土性進一步分析試驗結(jié)果的可靠性。

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