测定土的相对密度试验的要点解析

2018-07-04焦艳莹孟庆芳

山西建筑 2018年15期

焦艳莹孟庆芳

(1.山西省晋中路桥建设集团有限公司，山西晋中 030600； 2.山西交通技师学院，山西晋中 030800)

0 引言

土的相对密度是土工试验之一。其主要用于工程设计阶段换算指标及为土的其他物理力学试验(如颗粒分析的密度计法试验、固结试验等)提供客观和可靠的基础数据，其精度直接影响其他指标的准确值和工程土类评价。现实中工程设计人员往往利用常规范围值套用相对密度值进行设计，其数据缺乏科学性，导致结果失真。为此，根据JTG E40—2007(T0112—1993)公路土工试验规程的规定研究和探讨测定土的相对密度的理论知识和实际操作要点分析。

1 意义及适用范围

土的相对密度，又称为土粒比重，用于测定土在105 ℃～110 ℃下烘干至恒量时的质量与同体积4 ℃时蒸馏水质量的比值，数值无量纲。其数值大小主要取决于组成土的矿物成分。测定该指标采用直接试验法，所用的测定方法有比重瓶法、浮力法、浮沉法、虹吸筒法等。一般情况下根据土的粒径大小来选择方法如：比重瓶法适用于粒径小于5 mm的土；对粒径大于5 mm的土，可用浮力法、浮称法或虹吸筒法试验测定。现以比重瓶法为例进行详细说明。

2 试验设备要求

2.1 比重瓶

容量100 mL或50 mL。

比重瓶容积有100 mL和50 mL，且分长颈和短颈两种。比重瓶的容积对测定比重值经过试验证明比较得出：比重瓶的大小对试验结果的影响不大，大瓶取样多试验精度高，故建议采用100 mL的，但可允许采用小瓶50 mL的。比重瓶在不同温度下胀缩及纯水的比重不尽相同，故比重瓶应经常进行校准。一般每年至少校正1次，并经常抽查。

2.2 天平

称量200 g，感量0.001 g。

2.3 恒温水槽

灵敏度±1 ℃。

恒温水槽具有控制温度的变化，最终达到一个恒温的作用，试验前恒温水槽需要设定温度，待其恒定稳定之后，再使用。水槽加入的介质最好是蒸馏水，如果使用自来水，在每次使用后，需对槽进行清洗工作，防止加热器上因积聚水垢而影响温度的灵敏度。通电前应将介质注入水槽内至隔板以上，加热物体不能露出水面。

2.4 温度计

范围采用为0 ℃～50 ℃，分度值为0.5 ℃。

2.5 其他设备

筛(孔径为2 mm及5 mm)、干燥容器、真空抽气设备、纯水、中性液体(如煤油等)。

试验所用介质可采用纯水和中性液体，试验介质的选用是根据土颗粒的分散状态、矿物成分的多少、水溶盐和有机质含量的多少来确定。一般土的比重采用纯水测定；对含有可溶盐、亲水性胶体或有机质的土，须采用中性液体如煤油、汽油、甲苯和二甲苯等。试验排气的方法有煮沸法和真空抽气法两种，方法的选择取决于介质的不同。

3 操作步骤

1)比重瓶校正。采用称量校正法绘制T—m(瓶+水)的关系曲线。

清洗、烘干比重瓶，称其质量为m瓶，精确至0.001 g。比重瓶中注入煮沸冷却后的纯水至刻度处(若采用短瓶需注满，塞紧瓶塞将多余水溢出)。调节恒温水槽内液体温度至5 ℃或10 ℃，瓶中注入纯水至刻度线(若采用短瓶要求装满，并塞紧后多余水分溢出)。调节槽内水的温度至5 ℃或10 ℃，直至瓶内水温恒定。取出瓶，称取瓶和水的质量为m(瓶+水)，精度至0.001 g。同上所述，以5 ℃级差，每一级测定不同温度下的质量m(瓶+水)，直至本地区最高自然气温为止。每级温度进行两次平行测定，差值不得大于0.002 g，取其平均值为测定值。绘制不同温度与瓶、水总质量的关系曲线。

瓶的校正为后续比重试验数据奠定基础是试验的关键步骤，其校正方法主要有称量校正法和计算校正法，但是第一种精度比较高，本试验以称量校正法为准重点说明。

该方法只有绘制出正确的曲线，后面查得的数据才可更接近于真实值，绘图理论上至少取样6组不同的数据，此外由于仪器、视觉、绘图存在的误差，最好同一项试验由一人做、一人读、另一人过后校核。

现采用具体实例测量不同温度下比重瓶、水总质量，数据汇总见表1。用Excel软件对数据进行处理并拟合曲线获得函数关系式，具体如下绘制两个比重瓶随不同温度下瓶+水总质量的曲线校正图，见图1。

表1 比重瓶校正试验数据汇总 g

2)取土装瓶。

试验所用土必须是烘干的。从现场取回扰动土样进行烘干，之后用木碾或粉粹机碾散，但切勿压碎颗粒，并过孔径5 mm筛的烘干土样作为试验之用。若烘干后，磨细时间较长，则可将土磨细后再进行烘干。将瓶烘干，称取15 g烘干土装入100 mL比重瓶内。根据物理性试验规定对于常规水理及力学试样土样再次过2 mm孔径的筛作为试样。若采用50 mL的比重瓶，取样质量为12 g。

3)注液排气。

向瓶内注半瓶纯水，前后左右摇动比重瓶，排除瓶中土颗粒间的空气。再将瓶放在砂浴中煮沸使土粒分散，时间从悬液沸腾时算起。

本试验在操作过程应小心谨慎：a.煮沸时要经常观察防止土液溢出瓶外，可以在沸腾过程中隔断时间可用吸球加入少许原介质。沸腾后调节砂浴温度，避免土液溢出瓶外导致土粒损失。b.煮沸时间根据不同的土样确定，如砂及低液限黏土应不少于30 min，高液限黏土应不少于1 h，排气应充分。c.排气的目的是所排除的液体体积能真实代表固体颗粒的体积。尽量排除土中所含有的气体，否则会影响试验的精度。抽气法排气主要用于土中含有大量的可溶盐类、胶粒等，需采用中性液体完成。

4)注液称量。

煮沸结束后，冷却至悬液温度稳定后，若为长比重瓶，液面调整用滴管至弯月面下缘为准，擦干瓶外，称取m(瓶+水+土)，准确至0.001 g。称量后立即测出瓶内水的温度，准确至0.5 ℃。若土样为砂土，试验煮沸颗粒易跳出，采用真空抽气法排除土粒间的空气。

半瓶悬液必须冷却后温度稳定、瓶内上部悬液澄清才可小心向比重瓶内注入液体到规定刻度处，切忌注入过快，避免土颗粒随液体溢出瓶口。然后擦干瓶外，准确称量m(瓶+水+土)。

5)查T—m关系图，确定质量。

根据测得的温度，查阅绘制关系曲线确定瓶+水总质量。

温度对比重试验的结果影响较大，故应准确量测瓶内水温，根据绘制的瓶+水质量关系曲线，确定试验温度下瓶+水的质量。