測定土的相對密度試驗的要點解析

焦艷瑩 孟慶芳

(1.山西省晉中路橋建設集團有限公司，山西 晉中 030600； 2.山西交通技師學院，山西 晉中 030800)

0 引言

土的相對密度是土工試驗之一。其主要用于工程設計階段換算指標及為土的其他物理力學試驗(如顆粒分析的密度計法試驗、固結試驗等)提供客觀和可靠的基礎數據，其精度直接影響其他指標的準確值和工程土類評價。現實中工程設計人員往往利用常規范圍值套用相對密度值進行設計，其數據缺乏科學性，導致結果失真。為此，根據JTG E40—2007(T0112—1993)公路土工試驗規程的規定研究和探討測定土的相對密度的理論知識和實際操作要點分析。

1 意義及適用范圍

土的相對密度，又稱為土粒比重，用于測定土在105 ℃～110 ℃下烘干至恒量時的質量與同體積4 ℃時蒸餾水質量的比值，數值無量綱。其數值大小主要取決于組成土的礦物成分。測定該指標采用直接試驗法，所用的測定方法有比重瓶法、浮力法、浮沉法、虹吸筒法等。一般情況下根據土的粒徑大小來選擇方法如：比重瓶法適用于粒徑小于5 mm的土；對粒徑大于5 mm的土，可用浮力法、浮稱法或虹吸筒法試驗測定。現以比重瓶法為例進行詳細說明。

2 試驗設備要求

2.1 比重瓶

容量100 mL或50 mL。

比重瓶容積有100 mL和50 mL，且分長頸和短頸兩種。比重瓶的容積對測定比重值經過試驗證明比較得出：比重瓶的大小對試驗結果的影響不大，大瓶取樣多試驗精度高，故建議采用100 mL的，但可允許采用小瓶50 mL的。比重瓶在不同溫度下脹縮及純水的比重不盡相同，故比重瓶應經常進行校準。一般每年至少校正1次，并經常抽查。

2.2 天平

稱量200 g，感量0.001 g。

2.3 恒溫水槽

靈敏度±1 ℃。

恒溫水槽具有控制溫度的變化，最終達到一個恒溫的作用，試驗前恒溫水槽需要設定溫度，待其恒定穩定之后，再使用。水槽加入的介質最好是蒸餾水，如果使用自來水，在每次使用后，需對槽進行清洗工作，防止加熱器上因積聚水垢而影響溫度的靈敏度。通電前應將介質注入水槽內至隔板以上，加熱物體不能露出水面。

2.4 溫度計

范圍采用為0 ℃～50 ℃，分度值為0.5 ℃。

2.5 其他設備

篩(孔徑為2 mm及5 mm)、干燥容器、真空抽氣設備、純水、中性液體(如煤油等)。

試驗所用介質可采用純水和中性液體，試驗介質的選用是根據土顆粒的分散狀態、礦物成分的多少、水溶鹽和有機質含量的多少來確定。一般土的比重采用純水測定；對含有可溶鹽、親水性膠體或有機質的土，須采用中性液體如煤油、汽油、甲苯和二甲苯等。試驗排氣的方法有煮沸法和真空抽氣法兩種，方法的選擇取決于介質的不同。

3 操作步驟

1)比重瓶校正。采用稱量校正法繪制T—m(瓶+水)的關系曲線。

清洗、烘干比重瓶，稱其質量為m瓶，精確至0.001 g。比重瓶中注入煮沸冷卻后的純水至刻度處(若采用短瓶需注滿，塞緊瓶塞將多余水溢出)。調節恒溫水槽內液體溫度至5 ℃或10 ℃，瓶中注入純水至刻度線(若采用短瓶要求裝滿，并塞緊后多余水分溢出)。調節槽內水的溫度至5 ℃或10 ℃，直至瓶內水溫恒定。取出瓶，稱取瓶和水的質量為m(瓶+水)，精度至0.001 g。同上所述，以5 ℃級差，每一級測定不同溫度下的質量m(瓶+水)，直至本地區最高自然氣溫為止。每級溫度進行兩次平行測定，差值不得大于0.002 g，取其平均值為測定值。繪制不同溫度與瓶、水總質量的關系曲線。

瓶的校正為后續比重試驗數據奠定基礎是試驗的關鍵步驟，其校正方法主要有稱量校正法和計算校正法，但是第一種精度比較高，本試驗以稱量校正法為準重點說明。

該方法只有繪制出正確的曲線，后面查得的數據才可更接近于真實值，繪圖理論上至少取樣6組不同的數據，此外由于儀器、視覺、繪圖存在的誤差，最好同一項試驗由一人做、一人讀、另一人過后校核。

現采用具體實例測量不同溫度下比重瓶、水總質量，數據匯總見表1。用Excel軟件對數據進行處理并擬合曲線獲得函數關系式，具體如下繪制兩個比重瓶隨不同溫度下瓶+水總質量的曲線校正圖，見圖1。

表1 比重瓶校正試驗數據匯總 g

2)取土裝瓶。

試驗所用土必須是烘干的。從現場取回擾動土樣進行烘干，之后用木碾或粉粹機碾散，但切勿壓碎顆粒，并過孔徑5 mm篩的烘干土樣作為試驗之用。若烘干后，磨細時間較長，則可將土磨細后再進行烘干。將瓶烘干，稱取15 g烘干土裝入100 mL比重瓶內。根據物理性試驗規定對于常規水理及力學試樣土樣再次過2 mm孔徑的篩作為試樣。若采用50 mL的比重瓶，取樣質量為12 g。

3)注液排氣。

向瓶內注半瓶純水，前后左右搖動比重瓶，排除瓶中土顆粒間的空氣。再將瓶放在砂浴中煮沸使土粒分散，時間從懸液沸騰時算起。

本試驗在操作過程應小心謹慎：a.煮沸時要經常觀察防止土液溢出瓶外，可以在沸騰過程中隔斷時間可用吸球加入少許原介質。沸騰后調節砂浴溫度，避免土液溢出瓶外導致土粒損失。b.煮沸時間根據不同的土樣確定，如砂及低液限黏土應不少于30 min，高液限黏土應不少于1 h，排氣應充分。c.排氣的目的是所排除的液體體積能真實代表固體顆粒的體積。盡量排除土中所含有的氣體，否則會影響試驗的精度。抽氣法排氣主要用于土中含有大量的可溶鹽類、膠粒等，需采用中性液體完成。

4)注液稱量。

煮沸結束后，冷卻至懸液溫度穩定后，若為長比重瓶，液面調整用滴管至彎月面下緣為準，擦干瓶外，稱取m(瓶+水+土)，準確至0.001 g。稱量后立即測出瓶內水的溫度，準確至0.5 ℃。若土樣為砂土，試驗煮沸顆粒易跳出，采用真空抽氣法排除土粒間的空氣。

半瓶懸液必須冷卻后溫度穩定、瓶內上部懸液澄清才可小心向比重瓶內注入液體到規定刻度處，切忌注入過快，避免土顆粒隨液體溢出瓶口。然后擦干瓶外，準確稱量m(瓶+水+土)。

5)查T—m關系圖，確定質量。

根據測得的溫度，查閱繪制關系曲線確定瓶+水總質量。

溫度對比重試驗的結果影響較大，故應準確量測瓶內水溫，根據繪制的瓶+水質量關系曲線，確定試驗溫度下瓶+水的質量。

4 數據計算

4.1 計算公式

若試驗注入蒸餾水為介質，按式(1)計算：

(1)

其中，GS為土的相對密度，計算至0.001；ms為干土質量，g；m1為瓶+水總質量，g；m2為瓶+水+土總質量，g；Gwt為t℃時蒸餾水的比重，準確至0.001。

查閱規范不同溫度時水的比重(近似值)不同。

若用中性液體測定，按式(2)計算：

(2)

其中，GS為土的比重，計算至0.001；m1′為瓶+中性液體總質量，g；m2′為瓶+中性液體+土總質量，g；Gkt為t℃時中性液體比重(應為實測)，準確至0.001。

4.2 精密度與允許差

二次試驗平行測定，其平行差不得大于0.02，取其算術平均值作為試驗結果，以兩位小數表示。

采用平行試驗為了保證實驗數據的真實可靠，去除偶然因素給試驗造成的影響。若土樣為粗、細粒土混合料其比重的測定，需要分別測定粗、細粒土的比重，然后取加權平均值。

4.3 數據記錄及計算

示例如表2所示。

表2 比重試驗記錄表(比重瓶法)

土的比重變化范圍不大，細粒土(黏性土)比重一般為2.70～2.75；砂土一般為2.65左右；機質土為2.4～2.5；泥炭土為1.5～1.8；含鐵質較多黏性土的比重為2.8～3.0(土中有機質含量增加，土的比重減小)。并且同一種類的土，其顆粒比重變化幅度較小。

總之，土的相對密度試驗是土工試驗中的一項重要試驗，其結果的準確性直接影響工程設計與施工的質量和安全，故要求工程人員在采用土的相對密度數據時，應該遵循實際按照規程實際操作獲得準確數據為后期工作奠定科學依據，盡量減少工程損失。

參考文獻：

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