焦艷瑩 孟慶芳

(1.山西省晉中路橋建設(shè)集團有限公司，山西 晉中 030600； 2.山西交通技師學(xué)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(shè)計階段換算指標(biāo)及為土的其他物理力學(xué)試驗(如顆粒分析的密度計法試驗、固結(jié)試驗等)提供客觀和可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其精度直接影響其他指標(biāo)的準(zhǔn)確值和工程土類評價。現(xiàn)實中工程設(shè)計人員往往利用常規(guī)范圍值套用相對密度值進行設(shè)計，其數(shù)據(jù)缺乏科學(xué)性，導(dǎo)致結(jié)果失真。為此，根據(jù)JTG E40—2007(T0112—1993)公路土工試驗規(guī)程的規(guī)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(zhì)量與同體積4 ℃時蒸餾水質(zhì)量的比值，數(shù)值無量綱。其數(shù)值大小主要取決于組成土的礦物成分。測定該指標(biāo)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(jù)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?，F(xiàn)以比重瓶法為例進行詳細說明。

2 試驗設(shè)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(jīng)過試驗證明比較得出：比重瓶的大小對試驗結(jié)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(yīng)經(jīng)常進行校準(zhǔn)。一般每年至少校正1次，并經(jīng)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(shè)定溫度，待其恒定穩(wěn)定之后，再使用。水槽加入的介質(zhì)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(yīng)將介質(zhì)注入水槽內(nèi)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(shè)備

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

試驗所用介質(zhì)可采用純水和中性液體，試驗介質(zhì)的選用是根據(jù)土顆粒的分散狀態(tài)、礦物成分的多少、水溶鹽和有機質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(guān)系曲線。

清洗、烘干比重瓶，稱其質(zhì)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(diào)節(jié)恒溫水槽內(nèi)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(diào)節(jié)槽內(nèi)水的溫度至5 ℃或10 ℃，直至瓶內(nèi)水溫恒定。取出瓶，稱取瓶和水的質(zhì)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(zhì)量m(瓶+水)，直至本地區(qū)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(zhì)量的關(guān)系曲線。

瓶的校正為后續(xù)比重試驗數(shù)據(jù)奠定基礎(chǔ)是試驗的關(guān)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(zhǔn)重點說明。

該方法只有繪制出正確的曲線，后面查得的數(shù)據(jù)才可更接近于真實值，繪圖理論上至少取樣6組不同的數(shù)據(jù)，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(xiàn)采用具體實例測量不同溫度下比重瓶、水總質(zhì)量，數(shù)據(jù)匯總見表1。用Excel軟件對數(shù)據(jù)進行處理并擬合曲線獲得函數(shù)關(guān)系式，具體如下繪制兩個比重瓶隨不同溫度下瓶+水總質(zhì)量的曲線校正圖，見圖1。

表1 比重瓶校正試驗數(shù)據(jù)匯總 g

2)取土裝瓶。

試驗所用土必須是烘干的。從現(xiàn)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(nèi)。根據(jù)物理性試驗規(guī)定對于常規(guī)水理及力學(xué)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(zhì)量為12 g。

3)注液排氣。

向瓶內(nèi)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(yīng)小心謹(jǐn)慎：a.煮沸時要經(jīng)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(zhì)。沸騰后調(diào)節(jié)砂浴溫度，避免土液溢出瓶外導(dǎo)致土粒損失。b.煮沸時間根據(jù)不同的土樣確定，如砂及低液限黏土應(yīng)不少于30 min，高液限黏土應(yīng)不少于1 h，排氣應(yīng)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(jié)束后，冷卻至懸液溫度穩(wěn)定后，若為長比重瓶，液面調(diào)整用滴管至彎月面下緣為準(zhǔn)，擦干瓶外，稱取m(瓶+水+土)，準(zhǔn)確至0.001 g。稱量后立即測出瓶內(nèi)水的溫度，準(zhǔn)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(wěn)定、瓶內(nèi)上部懸液澄清才可小心向比重瓶內(nèi)注入液體到規(guī)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(zhǔn)確稱量m(瓶+水+土)。

5)查T—m關(guān)系圖，確定質(zhì)量。

根據(jù)測得的溫度，查閱繪制關(guān)系曲線確定瓶+水總質(zhì)量。

溫度對比重試驗的結(jié)果影響較大，故應(yīng)準(zhǔn)確量測瓶內(nèi)水溫，根據(jù)繪制的瓶+水質(zhì)量關(guān)系曲線，確定試驗溫度下瓶+水的質(zhì)量。

4 數(shù)據(jù)計算

4.1 計算公式

若試驗注入蒸餾水為介質(zhì)，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(zhì)量，g；m1為瓶+水總質(zhì)量，g；m2為瓶+水+土總質(zhì)量，g；Gwt為t℃時蒸餾水的比重，準(zhǔn)確至0.001。

查閱規(guī)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(zhì)量，g；m2′為瓶+中性液體+土總質(zhì)量，g；Gkt為t℃時中性液體比重(應(yīng)為實測)，準(zhǔn)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(shù)平均值作為試驗結(jié)果，以兩位小數(shù)表示。

采用平行試驗為了保證實驗數(shù)據(jù)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(quán)平均值。

4.3 數(shù)據(jù)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(zhì)土為2.4～2.5；泥炭土為1.5～1.8；含鐵質(zhì)較多黏性土的比重為2.8～3.0(土中有機質(zhì)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(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響工程設(shè)計與施工的質(zhì)量和安全，故要求工程人員在采用土的相對密度數(shù)據(jù)時，應(yīng)該遵循實際按照規(guī)程實際操作獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)為后期工作奠定科學(xué)依據(jù)，盡量減少工程損失。

參考文獻：

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