[科普中國(guó)]-土工密度試驗(yàn)

土工試驗(yàn)是工程地質(zhì)勘察工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它為工程設(shè)計(jì)和工程地質(zhì)勘察中研究土體變形機(jī)理及工程地質(zhì)性質(zhì)提供可靠的土的物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。土的密度是土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)之一。土工密度試驗(yàn)是用于測(cè)定土密度的試驗(yàn)。對(duì)于一般細(xì)粒土的密度試驗(yàn)普遍采用環(huán)刀法，它是測(cè)定土密度的基本方法。

簡(jiǎn)介土工密度試驗(yàn)所取土樣為路基上未擾動(dòng)土樣，并用國(guó)標(biāo)環(huán)刀取土進(jìn)行該試驗(yàn)1。依據(jù) 《規(guī)程》 中的要求，土樣需要在2個(gè)目標(biāo)平行點(diǎn)取出，然后用黑色塑料袋封裝好在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)送到實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定出2個(gè)平行點(diǎn)的平均值即為該土樣的天然密度，最后需要再次進(jìn)行以上試驗(yàn)操作，對(duì)3個(gè)取土點(diǎn)的土進(jìn)行測(cè)定。在試驗(yàn)時(shí)應(yīng)該注意3 點(diǎn)：制樣前首先要對(duì)土樣是否均勻、軟硬程度、礦物組成、土樣的顏色以及提樣的名稱有大概的了解，初步估計(jì)土樣的相關(guān)物理學(xué)性質(zhì)， 取土樣時(shí)要選取有代表性的土壤。進(jìn)行制樣時(shí)用刀直上直下的切割，去掉多余的樣本，刀壁與土樣不得有空隙。制樣時(shí)環(huán)刀直上直下，切除多余的土，試樣與環(huán)刀壁不得留有空隙。 進(jìn)行平行試驗(yàn)時(shí)，每一次試驗(yàn)結(jié)果的差值在可控制范圍內(nèi)。

土工試驗(yàn)土工試驗(yàn)主要是指檢測(cè)工程填筑料及地基工程性的試驗(yàn)，經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析和整理， 為施工獲取可靠的參數(shù)，同時(shí)，土工試驗(yàn)還能夠?yàn)榱W(xué)性能指標(biāo)和土壤物理指標(biāo)提供依據(jù)， 土工試驗(yàn)就是對(duì)土壤性能的分析，保證地基基礎(chǔ)的建筑結(jié)構(gòu)和施工質(zhì)量安全2，土工試驗(yàn)主要的試驗(yàn)內(nèi)容包含：塑限、液限、含水量、孔隙比以及密度等。試驗(yàn)的具體方法主要包含：固結(jié)試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、液塑限聯(lián)合測(cè)定儀法、平衡錐式液限儀法、比重瓶法；灌砂法；環(huán)刀法和灌砂法等。在道路施工中路基所占的比重是相當(dāng)大的，然而路基施工中土工試驗(yàn)又發(fā)揮著舉足輕重的作用。土工試驗(yàn)分為室內(nèi)試驗(yàn)和室外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)， 因一些具體條件的限制， 室內(nèi)試驗(yàn)占的成分更大一些。具體來說， 室內(nèi)土工試驗(yàn)有以下2個(gè)作用：了解路基填土的物理、力學(xué)相關(guān)性質(zhì)，供施工所用；為設(shè)計(jì)提供相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)。道路施工中測(cè)定土的密度、 含水率和比重是3個(gè)基本試驗(yàn)，由這3個(gè)基本試驗(yàn)測(cè)定出來路基土的3個(gè)基本指標(biāo)，利用這3個(gè)基本指標(biāo)中的任意2個(gè)或者3個(gè)就能推算出路基土的其他幾個(gè)相關(guān)指標(biāo)，比如路基土的干密度、浮密度、孔隙比、飽和度等物理性指標(biāo)。無論是路基施工還是其他工程，都要通過土工試驗(yàn)測(cè)定出土的這三大物理性指標(biāo)。

方法環(huán)刀法

（1）本試驗(yàn)方法適用于細(xì)粒土。

（2）本試驗(yàn)所用的主要儀器設(shè)備，應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）環(huán)刀：內(nèi)徑61.8mm和79.8mm，高度20mm。

2）天平：稱量500g，最小分度值0.1g；稱量200g，最小分度值為0.01g。

（3）環(huán)刀法測(cè)定密度，應(yīng)在環(huán)刀內(nèi)壁涂一薄層凡士林，刃口向下放在土樣上，將環(huán)刀垂直下壓，并用切土刀沿環(huán)刀外側(cè)切削土樣，邊壓邊削至土樣高出環(huán)刀。根據(jù)試樣的軟硬采用鋼絲鋸或切土刀整平環(huán)刀兩端土樣，擦凈環(huán)刀外壁，稱環(huán)刀和土的總質(zhì)量。

（4）試樣的濕密度，應(yīng)按下式計(jì)算：

ρ0=M0/V

式中 ρ0——試樣的濕密度（g/cm3），準(zhǔn)確到0.01g/cm3。

（5）試樣的干密度，應(yīng)按下式計(jì)算：

（6）本試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行兩次測(cè)定，兩次測(cè)定的差值不得大于0.03g/cm3，取兩次測(cè)值的平均值。

（7）環(huán)刀法試驗(yàn)的記錄格式見GB/T 50123-1999。

蠟封法

（1）本試驗(yàn)方法適用于易破裂土和形狀不規(guī)則的堅(jiān)硬土。

（2）本試驗(yàn)所用的主要儀器設(shè)備，應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）蠟封設(shè)備：應(yīng)附熔蠟加熱器。

2）天平：應(yīng)符合環(huán)刀法天平的規(guī)定。

（3）蠟封法試驗(yàn)，應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：

1）從原狀土樣中，切取體積不小于30cm3的代表性試樣，清除表面浮土及尖銳棱角，系上細(xì)線，稱試樣質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.01g。

2）持線將試樣緩緩浸入剛過熔點(diǎn)的蠟液中，浸沒后立即提出，檢查試樣周圍的蠟?zāi)?，?dāng)有氣泡時(shí)應(yīng)用針刺破，再用蠟液補(bǔ)平，冷卻后稱蠟封試樣質(zhì)量。

3）將蠟封試樣掛在天平的一端，浸沒于盛有純水的燒杯中，稱蠟封試樣在純水中的質(zhì)量，并測(cè)定純水溫度。

4）取出試樣，擦干蠟面上的水分，再稱蠟封試樣質(zhì)量。當(dāng)浸水后試樣質(zhì)量增加時(shí)，應(yīng)另取試樣重做試驗(yàn)。

（4）試樣的密度應(yīng)按下式計(jì)算：

式中 mo——蠟封試樣質(zhì)量（g）；

mov——蠟封試樣在純水中的質(zhì)量（g）；

ρWT——純水在T℃時(shí)的密度（g/cm3）；

ρn——蠟的密度（g/cm3）。

（5）試樣的干密度，應(yīng)按環(huán)刀法干密度的計(jì)算式計(jì)算。

（6）本試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行兩次平行測(cè)定，兩次測(cè)定的差值不得大于0.03g/cm3，取兩次測(cè)值的平均值。

（7）蠟封法試驗(yàn)的記錄格式見GB/50123-1999。

灌水法

（1）本試驗(yàn)方法適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定粗粒土的密度。

（2）本試驗(yàn)所用的主要儀器設(shè)備，應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）儲(chǔ)水筒：直徑應(yīng)均勻，并附有刻度及出水管。

2）臺(tái)秤：稱量50kg，最小分度值10g。

（3）灌水法試驗(yàn)，應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：

1）根據(jù)試樣最大粒徑，確定試坑尺寸（表27）。

試坑尺寸（mm） 表27

2）將選定試驗(yàn)處的試坑地面整平，除去表面松散的土層。

3）按確定的試坑直徑劃出坑口輪廓線，在輪廓線內(nèi)下挖至要求深度，邊挖邊將坑內(nèi)的試樣裝入盛土容器內(nèi)，稱試樣質(zhì)量，準(zhǔn)確到10g，并應(yīng)測(cè)定試樣的含水率。

4）試坑挖好后，放上相應(yīng)尺寸的套環(huán)，用水準(zhǔn)尺找平，將大于試坑容積的塑料薄膜袋平鋪于坑內(nèi)，翻過套環(huán)壓住薄膜四周。

5）記錄儲(chǔ)水筒內(nèi)初始水位高度，擰開儲(chǔ)水筒出水管開關(guān)，將水緩慢注入塑料薄膜袋中。當(dāng)袋內(nèi)水面接近套環(huán)邊緣時(shí)，將水流調(diào)小，直至袋內(nèi)水面與套環(huán)邊緣齊平時(shí)關(guān)閉出水管，持續(xù)3~5min，記錄儲(chǔ)水筒內(nèi)水位高度。當(dāng)袋內(nèi)出現(xiàn)水面下降時(shí)，應(yīng)另取塑料薄膜袋重做試驗(yàn)。

（4）試坑的體積，應(yīng)按下式計(jì)算：

VP=（H1－H2）×AW－V0

式中 VP——試坑體積（cm3）；

H1——儲(chǔ)水筒內(nèi)初始水位高度（cm）；

H2——儲(chǔ)水筒內(nèi)注水終了時(shí)水位高度（cm）；

AW——儲(chǔ)水筒斷面積（cm2）；

V0——套環(huán)體積（cm3）。

（5）試樣的密度，應(yīng)按下式計(jì)算：

ρ0=mP/VP

式中 mP——取自試坑內(nèi)的試樣質(zhì)量（g）。

（6）灌水法試驗(yàn)的記錄格式見GB/T 50123-1999附錄D表D-4。

灌砂法

（1）本試驗(yàn)方法適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定粗粒土的密度。

（2）本試驗(yàn)所用的主要儀器設(shè)備，應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）密度測(cè)定器：由容砂瓶、灌砂漏斗和底盤組成（圖48）灌砂漏斗高135mm、直徑165mm，尾部有孔徑為13mm的圓柱形閥門；容砂瓶容積為4L，容砂瓶和灌砂漏斗之間在用螺紋接頭連接。底盤承托灌砂漏斗和容砂瓶。

1-底盤；2-灌砂漏斗；3-螺紋接頭；4-容砂瓶；5-閥門

2）天平：稱量10kg，最小分度值5g，稱量500g，最小分度值0.1g。

3）標(biāo)準(zhǔn)砂密度的測(cè)定，應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：

1）標(biāo)準(zhǔn)砂應(yīng)清洗潔凈，粒徑宜選用0.25~0.50mm，密度宜選用1.47~1.61g/cm3。

2）組裝容砂瓶與灌砂漏斗，螺紋連接處應(yīng)旋緊，稱其質(zhì)量。

3）將密度測(cè)定器豎立，灌砂漏斗口向上，關(guān)閥門，向灌砂漏斗中注滿標(biāo)準(zhǔn)砂，打開閥門使灌砂漏斗內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)砂漏入容砂瓶?jī)?nèi)，繼續(xù)向漏斗內(nèi)注砂漏入瓶?jī)?nèi)，當(dāng)砂停止流動(dòng)時(shí)迅速關(guān)閉閥門，倒掉漏斗內(nèi)多余的砂，稱容砂瓶、灌砂漏斗和標(biāo)準(zhǔn)砂的總質(zhì)量，準(zhǔn)確至5g。試驗(yàn)中應(yīng)避免振動(dòng)。

4）倒出容砂瓶?jī)?nèi)的標(biāo)準(zhǔn)砂、通過漏斗向容砂瓶?jī)?nèi)注水至水面高出閥門，關(guān)閥門，倒掉漏斗中多余的水，稱容砂瓶、漏斗和水的總質(zhì)量，準(zhǔn)確到5g，并測(cè)定水溫，準(zhǔn)確到0.5℃。重復(fù)3次，3次測(cè)值之間的差值不得大于3mL，取3次測(cè)值的平均值。

（4）容砂瓶的容積，應(yīng)按下式計(jì)算：

Vr=（mr2-mr1）/ρwr

式中 Vr——容砂瓶容積（mL）；

mr2——容砂瓶、漏斗和水的總質(zhì)量（g）；

mr1——容砂瓶和漏斗的質(zhì)量（g）；

ρwr——不同水溫時(shí)水的密度（g/cm3），查表28。

水的密度 表28

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（5）標(biāo)準(zhǔn)砂的密度，應(yīng)按下式計(jì)算：

式中 ρs——標(biāo)準(zhǔn)砂的密度（g/cm3）；

mrs——容砂瓶、漏斗和標(biāo)準(zhǔn)砂的總質(zhì)量（g）。

（6）灌砂法試驗(yàn)，應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：

1）按灌水法試驗(yàn)步驟①、②、③挖好規(guī)定的試坑尺寸，并稱試樣質(zhì)量。

2）向容砂瓶?jī)?nèi)注滿砂，關(guān)閥門，稱容砂瓶，漏斗和砂的總質(zhì)量，準(zhǔn)確至10g。

3）將密度測(cè)定器倒置（容砂瓶向上）于挖好的坑口上，打開閥門，使砂注入試坑。在注砂過程中不應(yīng)振動(dòng)。當(dāng)砂注滿試坑時(shí)關(guān)閉閥門，稱容砂瓶、漏斗和余砂的總質(zhì)量，準(zhǔn)確至10g，并計(jì)算注滿試坑所用的標(biāo)準(zhǔn)砂質(zhì)量。

（7）試樣的密度，應(yīng)按下式計(jì)算：

式中 ms——注滿試坑所用標(biāo)準(zhǔn)砂的質(zhì)量（g）。

（8）試樣的干密度，應(yīng)按下式計(jì)算，準(zhǔn)確至0.01g/cm3。

（9）灌砂法試驗(yàn)的記錄格式見GB/T 50123-1999。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)