土粒比重试验影响因素分析

高惠君

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

土力学上土粒比重定义为土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4℃时的质量之比。4℃时纯蒸馏水的密度为1.0 g/cm3，故实用上土粒比重在数值上即等于土粒的密度，是无量纲数，在工程地质学上也叫相对密度或颗粒密度，与含水量、质量密度并称为“试验直接测定的基本物理性质指标”，可以计算出孔隙比、饱和度，从而进一步计算出一系列土的力学性质指标，所以土粒比重试验(铁路工程上也叫颗粒密度试验)是土工试验的基础，其数据的准确度关乎绝大部分力学试验的成败。

《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)和《铁路工程土工试验规程》(TB 10102—2010)都规定最大粒径小于5 mm的土采用量瓶法测定，粒径等于大于5 mm的土，其中大于20 mm的颗粒含量少于10%时采用浮称法;大于10%时采用虹吸筒法;土中含有小于和大于5 mm的颗粒，则应分别用量瓶法、浮称法或虹吸筒法测定不同粒径的土粒比重，再计算出平均土粒比重。

在日常工作中，接触最多的是用量瓶法测定土粒比重，该试验虽然是基础试验，但因其精度要求高、影响因素多，所以也是一项数据超差率高、返工率高的试验。经过多年对不同地区土进行土粒比重试验数据积累、分析、研究，发现影响土粒比重试验准确率的因素主要有4点，以下逐一说明。

1 试验温度

土粒比重实际就是土粒质量与同体积纯水在4℃时的质量之比，而工作环境温度不可能达到准确的4℃，就需要准确测量出试验水土混合物的温度来参与计算。

用纯水测定时

式中 ρs——颗粒密度/(g/cm3)，计算至0.01 g/cm3;

mpw——量瓶和水的总质量/g;

mpws——量瓶、水和土的总质量/g;

md——干试样质量/g;

ρwT——T ℃时水的密度/(g/cm3)。

用中性液体测定时

式中 mpu——量瓶和中性液体总质量/g;

mpus——量瓶、中性液体和土的总质量/g;

ρUT——T℃时中性液体的密度/(g/cm3)。

从以上两式可以看出，ρwT(T℃时水的密度)或是ρuT(T℃时中性液体的密度)都参与ρs(土粒比重即颗粒密度)的计算，只有准确测出试验温度，才能准确地找出或测出T℃时水或中性液体的密度。如果试验温度测定不准确，就会使试验结果数据出现偏差。因此试验规程规定，试验温度准确到0.5℃，实际操作精确到0.1℃。

2 试验操作过程中对细节的处理

土工试验规程中规定将15 g或10 g烘干土装入100 mL或50 mL量瓶内，称量瓶和土的总质量，准确至0.001 g。这一步骤不同试验人员有不同的理解，有的先称出干土重，然后倒入量瓶内，再称瓶和土的总重;有的先把量瓶放在天平上称重后清零，再放入干土，称瓶和土的总重。这两种方法都是为了确定干土重md，但是第一种方法是先在其他器皿上称出干土重，再倒入量瓶内，这一过程中会有少量极细土颗粒吸附在器皿上，造成实际试验土质量比记录的土质量少，从而使试验数据偏差，而第二种方法则完全避免了这一偏差。

试验操作的最后一步是将煮沸或真空抽气完毕的量瓶冷却至接近室温，将事先煮沸并冷却的纯水注入量瓶至近满(有恒温水槽时，可将量瓶放于恒温水槽内)。待瓶内悬液温度稳定及悬液上部澄清时，塞好瓶塞，使多余水分自瓶塞毛细管中溢出，将瓶外壁上的水分擦干后，称量瓶、水和土总质量，准确至0.001 g，并测定量瓶内水的温度，准确至0.5℃。这一步骤中，量瓶瓶塞上的毛细管孔径十分关键，试验规程对此没有明确的说明，以前我试验室有孔径2 mm左右和1 mm左右两种量瓶，实践中发现，使用孔径2 mm左右的量瓶比使用孔径1 mm左右的量瓶更容易出现试验结果偏差。因为试验的理论依据是同体积的土粒与纯水的质量比，试验中毛细管内的存水是忽略不计的，孔径越小，其内的存水就越少，对试验结果影响就越小，所以应该不再使用毛细管孔径2 mm左右的量瓶，而改用孔径在1 mm左右的量瓶。

3 试验方法的选择

《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)和《铁路工程土工试验规程》(TB 10102—2010)都规定，用中性液体(如煤油)测定含有可溶盐、亲水性胶体或有机质的土粒比重时，可用真空抽气法代替煮沸法排除土中空气。对砂土，为了防止煮沸时颗粒跳出，也可采用真空抽气法，抽气时真空压力表读数应达到约一个负压力值，抽气时间1～2 h，直至悬液内无气泡逸出时为止。但煮沸法与煤油真空抽气法所测结果具体偏差有多大，有无规律性。就此问题，利用天津地区的土做了对比试验。

(1)对同一孔不同深度的土样分别作液、塑限，计算出塑性指数，并进行灼烧试验，测出土样的灼烧失量。

(2)按照试验规程，利用蒸馏水煮沸法测出土粒比重。

(3)采用真空抽气法分别称出在某一温度时量瓶与蒸馏水的总重及同一量瓶与煤油的总重，利用公式

式中 ρm——煤油密度/(g/cm3)，计算至 0.01 g/cm3;

mpv——量瓶和煤油的总质量/g;

mpw——量瓶和纯水的总质量/g;

mp——量瓶质量/g;

ρwT——T℃时纯水的密度/(g/cm3);

计算出24℃时煤油密度(0.78 g/cm3)。

(4)把15 g左右的干土放入量瓶。加煤油在一个大气压下经过1～2 h的真空抽气后，当温度同为24℃时称出量瓶、煤油加土的总重量，利用公式(2)计算出土粒比重。

(5)把试验测得的各项数据经过整理对比发现:

①同一土样，煮沸法所得数据比煤油真空抽气法测得的数据略大;

②塑性指数相近的土，灼烧失量越大，其两种实测比重的差值就越大(如表1)。

表1 塑性指数、灼烧失量和实测比重关系(一)

由表1可看出，塑性指数分别为14.2、14.6的两种土，灼烧失量等于5.2、8.4，用煮沸法测得的比重同为2.67，而用真空抽气法测得的比重为2.62、2.58，两种方法的差值分别为 0.05和 0.09，后者比前者大0.04。

③塑性指数较大的黏土，其两种数据的差值受到灼烧失量的影响较粉质黏土更明显(如表2)。

表2说明塑性指数分别为14.4的粉质黏土，灼烧失量等于7.5，用煮沸法测得的比重为2.66，煤油真空抽气法测得的比重为2.61，两比重差值为0.05;塑性指数是20.7的黏土，期灼烧失量为8.5，煮沸法比重为2.70，真空抽气法比重为2.60，两方法比重差值为0.10，是粉质黏土两比重差值的2倍。

表2 塑性指数、灼烧失量与实测比重关系(二)

④粒径较大的粉土两种比重的差值受灼烧失量的影响不大，但两种方法间差值较大(如表3)。

表3 塑性指数、灼烧失量和实测比重关系(三)

由上述对比试验可以总结出，真空抽气法比煮沸法更能准确地测定出土粒的实际比重值。但用中性液体做介质，需要先测定、计算中性液体的密度，加大了试验难度，提高了试验成本。如果不含有可溶盐、亲水性胶体或有机质的土也采用中性液体做介质，就会造成人力、物力和时间的浪费。因此，对于非特殊土应采用以纯水为介质进行真空抽气法来测定土粒比重，既可以提高试验准确率，又可节省时间，降低试验成本。

4 土中的矿物化学成分及土性和地区差异

天然土颗粒由不同的矿物所组成，这些矿物和化学成分的比重各不相同，所以影响土粒的比重也有所差别。由上述对比试验可以看出，土中所含有的可溶盐、亲水性胶体或有机质越多即灼烧失量越大，土粒的比重就越小。

黄土——颜色以黄色、褐黄色为主，颗粒组成以粉粒为主，有肉眼可见的大孔隙，富含碳酸盐类，垂直节理发育。我国黄土主要分布在北纬33°～47°之间即陇西、陕北、关中、山西、豫西等地。黄土的土粒比重在2.68～2.72之间，因亲水性胶体或有机质含量极低，其土粒比重基本不受灼烧失量的影响。

红黏土——颜色为棕红色或褐黄色，分为原生红黏土和次生红黏土。我国红黏土主要分布在南方，以贵州、云南和广西最为典型和广泛，其次在四川盆地南缘和东部、鄂西、湘西、湘南、粤北、皖南和浙西等地也有分布。红黏土的土粒比重在2.76～2.90之间，因主要矿物成分为高岭石、伊利石和绿泥石，且富含交换性阳离子、易溶盐和其他化学成分，故测定红黏土的土粒比重必须用中性液体进行真空抽气法。

软土——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细粒土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。我国软土主要分布在沿海地区，如东海、黄海、渤海、南海等地，内陆平原以及一些山间洼地亦有分布。软土因有机质含量较高，所以其土粒比重偏低，泥炭、泥炭质土的土粒比重甚至会小于2.0。

填土——是指人类活动而堆填的土，分为素填土、杂填土和冲填土三类。素填土由天然土经人工扰动和搬运堆填而成，不含或少含杂质;杂填土含有大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂质;冲填土是由水力冲填泥沙形成的填土，它是我国沿海一带常见的人工填土之一。因填土的成因太复杂，所以其土粒比重的变化较大，不确定性最大。

5 结束语

为了减少各种影响因素对土粒比重试验结果的干扰，建议按照以下注意事项操作:试验温度准确到0.1℃;试验过程中注意细节操作，选用毛细管孔径1 mm左右的量瓶进行试验;非特殊土都采用以纯水为介质进行真空抽气法来测定土粒比重，含有可溶盐、亲水性胶体或有机质的土可用中性液体(煤油)进行真空抽气法;结合土的来源和土性进一步分析试验结果的可靠性。

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