任务1.1 土的密度试验
【任务描述】
土的密度是指单位体积土的质量，是土的基本物理性质指标之一，其单位是g/cm3。土的密度一般是指土的湿密度ρ，相应的重度称为湿重度γ，除此以外还有土的干密度ρd、饱和密度ρsat和有效密度ρ′，相应地有干重度γd、饱和重度γsat和有效重度γ′。当用国际单位制计算土的重力时，由土的质量产生的单位体积的重力称为重力密度γ，简称重度，其单位是kN/m3。重度由密度乘以重力加速度求得，即γ＝ρg。
土的密度反映了土体结构的松紧程度，是计算土的自重应力、干密度、孔隙比、孔隙率和饱和度等指标的重要依据，也是土压力计算、土坡稳定性验算、地基承载力和沉降量估算以及填土压实度控制的重要指标之一。然而如何正确得到土的密度指标？我们来学习土的密度测试方法。
【任务分析】
本任务首先学习土的密度测试方法、适用范围、仪器配备、步骤、数据的记录整理。掌握了土的密度测试方法，再结合具体的工程实例进行实践操作和数据的分析整理，最后把成果运用于项目工程当中。
密度试验方法室内主要有环刀法、蜡封法，现场主要有灌水法和灌砂法等。对于细粒土，宜采用环刀法；对于易碎裂、难以切削的土，可用蜡封法；对于粗粒土、杂填土、结石土等，可用灌水法或灌砂法在现场测试。
【任务实施】
11.1.1 环刀法
环刀法就是采用一定体积的环刀切取土样并称土质量的方法，环刀内土的质量与环刀体积之比即为土的密度。
1.适用范围
环刀法操作简便且准确，在室内和野外均普遍采用，是测定土样密度的基本方法，但环刀法只适用于测定不含砾石颗粒的细粒土的密度。
2.仪器设备
（1）环刀，内径6～8cm，高2～5.4cm，壁厚1.5～2.2mm。环刀高度与直径之比对试验结果会有影响，根据目前钻探机具、取土器的筒高和直径的大小，另外考虑到与剪切、固结等试验所用环刀相配合，《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）中规定选用内径61.8mm或79.8mm、高20mm的环刀，不过，如果施工现场的不同土层的压实度上下不均匀，为提高试验结果精度，可增大环刀容积到200～500cm3。环刀壁越厚，压入时土样扰动程度也越大，所以环刀壁越薄越好，但环刀压入土中时，须承受相当的压力，壁过薄，环刀容易破损和变形，《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）建议环刀壁厚一般采用1.5～2.2mm。
（2）天平。称量500g，最小分度值0.1g；称量200g，最小分度值0.01g。
（3）其他。切土刀、钢丝锯、凡士林、毛玻璃和圆玻璃片等。
3.操作步骤
（1）按工程需要取原状土或人工制备所需要求的扰动土样，其直径和高度应大于环刀的尺寸，整平两端放在玻璃板上。
（2）在环刀内壁涂一薄层凡士林，将环刀的刀刃向下放在土样上面，然后用手将环刀垂直下压，边压边削，至土样上端伸出环刀为止，根据试样的软硬程度，采用钢丝锯或削土刀将两端余土削去，使土样与环刀口面齐平，及时在两端盖上圆玻璃片，以免水分蒸发，并从余土中取代表性土样测定含水率。
（3）擦净环刀外壁，拿去圆玻璃片，然后称取环刀加土质量，准确至0.1g。
4.结果整理
（1）计算。按式（1.1）和式（1.2）分别计算土样的湿密度和干密度：
（2）试验记录。环刀法测密度的试验记录格式见表1.1。
表1.1 密度试验记录表（环刀法）
（3）允许平行差。环刀法试验应进行两次平行测定，取其算术平均值，两次测定密度的平行差值不得大于0.03g/cm3，并取其平均值作为结果，否则需重做。这一要求主要是对均质土在试验过程中随机误差的控制标准；对于不均匀土层，当两点土样有变化时，测试结果不受此限制，这时要给出该土层密度的变化范围、均值、标准差等。
11.1.2 蜡封法
蜡封法，也称为浮称法，其试验原理是依据阿基米德原理，即物体在水中失去的重量等于其排开同体积水的重量，来测出土样的体积，为考虑土体浸水后崩解、吸水等问题，需在土体外涂一层蜡。
1.适用范围
蜡封法可适用于能够保持一定形状的多种土质，特别适用于易破裂的土、黏结性较好的粗细粒混合土或形状不规则的坚硬土。
2.仪器设备
（1）蜡封设备。应附熔蜡加热器。
（2）天平。称量500g，最小分度值0.1g；称量200g，最小分度值0.01g。
（3）其他。切土刀、钢丝锯、烧杯、细线、石蜡、针等。
3.操作步骤
（1）从原状土样中，切取体积不小于30cm2的代表性试样，削取表面松散浮土及尖锐棱角后，系上细线，称试样质量，准确至0.01g，并取代表性土样进行含水率测定。
（2）持线将试样缓慢浸入刚过熔点的蜡液中，待全部浸没后，立即将试样提出，检查涂在试样四周的蜡膜有无气泡存在，当有气泡存在时，可用热针刺破，再用蜡液补平。待冷却后，称蜡封试样的质量，准确至0.01g。试样浸蜡时，蜡的温度应在熔点（60℃）附近，以蜡液达到熔点且不出现气泡为准，蜡液温度过高会影响试样含水率和结构，过低蜡溶解不均匀，不易封好蜡皮。为避免碎裂土的扰动和蜡封试样内气泡的产生，浸蜡速度应缓慢，一般采用一次徐徐浸蜡的方法。试样涂蜡完成后，应将涂蜡试样自然冷却至常温后再进行称量，不能将刚刚浸蜡后的试样立即放入水中冷却，以免试样表面蜡膜因骤冷而产生裂纹。对于大孔隙土或试样表面极度粗糙时，在蜡封过程中可能会使熔蜡浸入土的孔隙而影响试样体积的测量精度，所以，对于这类土蜡封时应加倍注意。
（3）用细线将蜡封试样挂在天平的左端，使其浸没于盛有纯水的烧杯中，注意试样不要接触烧杯壁，称蜡封试样的水下质量，准确至0.01g。蜡封试验在水中的质量与水的密度有关，而水的密度会随温度变化，所以应同时测记纯水的温度，并对水的密度进行校正。
（4）取出试样，擦干蜡封试样表面水分，再在空气中称其质量，以检查蜡封试样中是否有水浸入，如蜡封试样质量增加，则说明蜡封试样内部有水浸入。若浸入水分质量超过0.03g，应另取试样重做试验。
4.结果整理
（1）计算。按式（1.3）和式（1.2）计算湿密度和干密度：
（2）试验记录。蜡封法测密度的试验记录格式见表1.2。
表1.2 密度试验记录表（蜡封法）
（3）允许平行差。蜡封法试验应进行两次平行测定，两次测定的密度差值不得大于0.03g/cm3，并取其两次测值的算术平均值。
11.1.3 灌水法
灌水法是在现场挖坑后灌水，由水的体积来测量试坑容积，从而测定土的密度的方法。1.适用范围
灌水法适用于现场测定粗粒土和巨粒土的密度，从而为粗粒土和巨粒土提供施工现场检验密实度的手段。
2.仪器设备
（1）底板。为中部开有圆孔，外沿呈方形或圆形的铁板，圆孔处设有环套，套孔直径为土中所含最大颗粒粒径的3倍，环套高度为其粒径的5%。
（2）薄膜。聚乙烯或聚氯乙烯塑料薄膜。
（3）储水筒。直径均匀并附有刻度和出水管。
（4）台秤。称量50kg、最小分度值10g。
（5）其他。铁镐、铁铲、水准尺等。
3.操作步骤
（1）根据试样的最大粒径确定试坑尺寸的大小，见表1.3。
表1.3 灌水法试坑尺寸
（2）选定试坑位置，并将试坑位置处的地面整平，按确定的试坑直径划出试坑口的轮廓线。地表的浮土、石块、杂物等应予以清除，而坑洼不平处则用砂铺平，地面整平的范围应略大于试坑直径的范围，并用水准尺检查试坑处地表是否水平。
（3）将底板固定于整平后的地表。将聚乙烯或聚氯乙烯塑料膜沿环套内壁及地表紧贴铺好。记录储水筒初始水位高度，拧开储水筒的注水开关，从环套上方将水缓慢注入，至刚满不外溢为止。记录储水筒水位高度，计算底板部分的体积。在保持底板原状态固定状态下，将薄膜盛装的水排至对该试验不产生影响的场所，然后将薄膜揭离底板。
（4）在轮廓线内下挖至要求的深度，用挖掘工具沿底板上的孔挖试坑，边挖边将坑内的试样装入盛土容器内，称试样质量，精确到10g，并从挖出的全部试样中取有代表性的样品，测定其含水率。
（5）为了使坑壁与塑料薄膜易于紧贴，对坑壁需加以整修，薄膜袋的尺寸应与试坑大小相适应，坑壁和坑底应规则，试坑直径与深度只能略小于薄膜袋的尺寸，铺设时应使薄膜袋紧贴坑壁，否则会求得偏大的密度值。试坑挖好且整修后，将略大于试坑容积的聚氯乙烯塑料薄膜袋，沿坑底、坑壁及套环内壁密贴铺好。在往薄膜形成的袋内注水时，拉住薄膜的某一部位，一边拉松，一边注水，使薄膜与坑壁间的空气得以排出，从而提高薄膜与坑壁的密贴程度。
（6）记录储水筒内初始水位的高度，拧开储水筒的出水管开关，将水缓慢注入塑料薄膜袋中，当袋内水面接近环套上边缘时，将水流调小，直至水面与环套上边缘齐平时关闭出水管，等待3～5min，然后记录储水筒内的水位高度，如果坑中塑料薄膜袋内出现水面下降，则应另取塑料薄膜袋重做试验。
4.结果整理
（1）计算。《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）规定以60mm作为细粒料与石料的分界粒径，分开测定细粒料与石料的含水率，然后按下式求出整体的含水率：
按式（1.5）计算底板部分的容积：
按式（1.6）和式（1.7）计算试坑容积和试样湿密度，干密度计算公式见式（1.4）。
式中 Vp——试坑的容积，cm3，计算至0.01cm3；
H1——试坑注水前储水筒内初始水位高度，cm；
H2——试坑注水后储水筒内终了水位高度，cm；
ρ——湿密度，g/cm3，计算至0.01g/cm3；
mp——试坑内取出的全部试样的质量，g。
（2）试验记录。灌水法测密度的试验记录格式见表1.4。
表1.4 密度试验记录表（灌水法）
（3）允许平行差。灌水法试验应进行两次平行测定，两次测定的密度差值不得大于0.03g/cm3，并取其两次测值的算术平均值。
11.1.4 灌砂法
灌砂法是在现场挖坑后灌标准砂，由标准砂的质量和密度来测量试坑容积，从而测定土的密度的方法。
1.适用范围
灌砂法适用于现场测定粗粒土的密度。灌砂法测试过程比较复杂，需要一套特定的量砂设备测定试坑的容积，比较适合于我国半干旱、干旱的西部和西北部地区。
2.仪器设备
（1）密度测定器。《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）中使用的是由容砂瓶、灌砂漏斗和底盘组成灌砂法密度试验仪；而《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）中使用的是灌砂筒和标定罐，用灌砂筒来测定土的密度。
1）灌砂法密度试验仪。由容砂瓶、灌砂漏斗和底盘组成，如图1.1所示。灌砂漏斗高135mm、直径165mm，尾部有孔径为13mm的圆柱形阀门；容砂瓶容积为4L，容砂瓶和灌砂漏斗之间用螺纹接头连接；底盘则用于承托灌砂漏斗和容砂瓶。
2）灌砂筒和标定罐。灌砂筒和标定罐如图1.2所示。灌砂筒为金属圆筒，内径为100mm，总高360mm，灌砂筒上部为储砂筒，筒深270mm（容积2120cm3），筒底中心有一直径10mm的圆孔。灌砂筒下部装一倒置的圆锥形漏斗，漏斗上端开口直径为10mm，并焊接在一块直径为100mm的铁板上，铁板中心有一直径为10mm的圆孔与漏斗上开口相接。在储砂筒筒底与漏斗顶端铁板之间设有开关。
图1.1 密度试验仪
［据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）］（单位：mm）
1—底盘；2—灌砂漏斗；3—螺纹接头；4—容砂瓶；5—阀门
图1.2 灌砂筒和标定罐［（据《公路土工试验规程》（JTG 40—2007）］（单位：mm）
金属标定罐的内径为100mm，高150mm和200mm各一个，如由于某种原因，试坑不是150mm或200mm时，标定罐的深度应与拟挖试坑的深度相同。
（2）天平。称量10kg，最小分度值5g；称量500g，最小分度值0.1g。
（3）其他。铁镐、铁铲、水准尺等。
3.操作步骤
由于《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）和《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）采用不同的密度测定器，因此，其标准砂密度率定和土的密度测定方法也不完全相同，这里介绍《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）中的操作步骤。
（1）标准砂密度率定步骤：
1）宜选用粒径为0.25～0.50mm的标准砂，这是因为在此粒径范围内的标准砂，其密度变化较小，密度宜选用1.47～1.61g/cm3。标准砂应清洗干净，并放置足够长的时间，以使其与空气的湿度达到平衡。
2）按图1.1组装容砂瓶和灌砂漏斗，容砂瓶与灌砂漏斗之间的螺纹接头应旋紧，然后称容砂瓶和灌砂漏斗的质量。
3）将密度测定器竖立，并使灌砂漏斗口向上，关闭位于灌砂漏斗尾部的阀门，然后向灌砂漏斗内注满标准砂，再打开阀门，使灌砂漏斗内的标准砂流入容砂瓶内，继续向漏斗内灌注标准砂流入容砂瓶内，当砂停止流动时，迅速关闭阀门，倒去漏斗内多余的砂，称容砂瓶、灌砂漏斗和标准砂的总质量，准确至5g。试验中应避免振动。
4）打开阀门，全部倒出容砂瓶内的标准砂，再测定容砂瓶的体积。将密度测定器竖立，并使灌砂漏斗口向上，通过漏斗向容砂瓶内注水至水面高出阀门，然后关闭阀门，并倒掉漏斗中多余的水，称容砂瓶、漏斗和水的总质量，准确至5g，并测定水温，准确至0.5℃。容砂瓶体积的测定需重复3次，3次测值之间的差值不得大于3mL，并取3次测值的平均值。
5）标准砂密度的计算可以采用下式：
（2）密度测定步骤：
1）根据试样的最大粒径确定试坑尺寸的大小，见表1.3。
2）选定试坑位置，并将试坑位置处的地面整平，地表的浮土、石块、杂物等应予以清除，而坑洼不平处则用砂铺平，地面整平的范围应略大于试坑直径的范围，并用水准尺检查试坑处地表是否水平。
3）按确定的试坑直径划出试坑口的轮廓线，在轮廓线内挖至要求的深度，边挖边将坑内的试样装入盛土容器内，称试样质量，精确到10g，并从挖出的全部试样中取有代表性的样品，测定其含水率。
4）通过灌砂漏斗向容砂瓶内注满标准砂，倒去漏斗内多余的砂，关闭阀门，称容砂瓶、灌砂漏斗和标准砂的总质量，准确至10g。
5）将密度测定器容砂瓶向上、漏斗向下倒置于挖好的试坑口上，然后打开阀门，使砂注入到试坑内，注意在注砂过程中不能有震动。当砂注满试坑时，迅速关闭阀门，取走密度测定器，称容砂瓶、灌砂漏斗和余砂的总质量，准确至10g，并计算注满试坑所用的标准砂质量。
4.结果整理
（1）计算。按式（1.10）计算湿密度，计算至0.01g/cm3，干密度计算公式见式（1.2）。
（2）试验记录。灌砂法测密度的试验记录见表1.5。
表1.5 密度试验记录表（灌砂法）
（3）允许平行差和报告。灌砂法试验应进行两次平行测定，其允许平行差和报告格式与灌水法相同。