任务1.3　土粒比重试验

【任务描述】

土粒比重Gs是指土粒在温度105～110℃下烘至恒重时的质量与土粒同体积4℃时纯水质量的比值。在数值上，土粒比重与土粒密度相同，但前者是没有单位的。

土粒比重是土直接测量的基本物理性质之一，是计算孔隙比、孔隙率、饱和度等的重要依据，也是评价土类的主要指标。土粒比重主要取决于土的矿物成分，不同土类的土粒比重变化幅度不大，在有工程建设经验的地区可按经验值选用。一般而言，砂土比重约为2.65～2.69，砂质粉土约为2.70，黏质粉土约为2.71，粉质黏土为2.72～2.73，黏土约为2.73～2.74。然而如何正确得到土的含水率指标？我们来学习土的比重测试方法。

【任务分析】

本任务首先学习土粒比重试验测试方法、适用范围、仪器配备、步骤、数据的记录整理。掌握了土粒比重测试方法，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。

根据土粒粒径的不同，土的比重试验可分别采用比重瓶法、浮称法或虹吸筒法。对于粒径小于5mm的土，采用比重瓶法进行；对于粒径大于等于5mm的土，且其中粒径大于20mm颗粒小于10%时，采用浮称法或浮力法进行；对于粒径大于等于5mm的土，但其中粒径大于20mm颗粒大于等于10%时，采用虹吸筒法进行；当土中同时含有粒径小于5mm和粒径大于等于5mm的土粒时，粒径小于5mm部分用比重瓶法测定，粒径大于等于5mm部分则用浮称法或浮力法、虹吸筒法测定，并取其加权平均值作为土的比重，本任务主要介绍比重瓶法和浮称法。

【任务实施】

11.3.1　比重瓶法

比重瓶法，其基本原理就是将称好质量的干土放入盛满水的比重瓶的前后质量差异，来计算出土粒的体积，从而进一步计算出土粒比重。

1.适用范围

比重瓶法适用于粒径小于5mm的各类土。

2.仪器设备

（1）比重瓶。容积100mL或50mL，分长颈和短颈两种。比较试验表明，比重瓶的大小对比重试验结果影响不大，但因100mL的比重瓶可多取些试样，使试样的代表性和试验的精度提高，目前国内规范一般建议采用100mL的比重瓶，但也允许采用50mL的比重瓶。

（2）天平。称量200g，最小分度值0.001g。

（3）恒温水槽。灵敏度±1℃。

（4）砂浴。应能调节温度。

（5）真空抽气设备。包括真空抽气机、真空抽气缸、测压的水银柱或真空负压表。

（6）温度计。刻度0～50℃，最小分度值0.5℃。

（7）其他。如烘箱、牛角匙、蒸发皿、玻璃漏斗、滴管、洗瓶、纯水、孔径2mm及5mm筛、中性液体（如煤油）等。

3.操作步骤

（1）比重瓶的校正。比重瓶的校正一般有两种方法，即称量校正法和计算校正法。

1）称量校正法：

a.将比重瓶洗净、烘干，置于干燥器内，冷却至室温后，称比重瓶质量，计算至0.001g，比重瓶质量需称量两次，两次的差值不得大于0.002g，并取其算术平均值。

b.将纯水煮沸，冷却至室温后注入比重瓶内，当用长颈比重瓶时，应将纯水注到刻度处为止；当用短颈比重瓶时，则应将纯水注满，塞紧瓶塞，多余的水从瓶塞毛细管中溢出，使瓶内无气泡。

c.调节恒温水槽温度至5℃或10℃，然后将比重瓶放入恒温水槽内，待瓶内水温稳定后，将比重瓶取出，擦干瓶外壁，称瓶、水总质量，准确至0.001g。

d.以5℃温度的级差，调节恒温水槽的水温，然后逐级测定不同温度下的比重瓶、水总质量，直至达到本地区最高自然气温为止。每个温度均应进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于0.002g，并取其算术平均值。

e.记录不同温度下的比重瓶、水总质量，见表1.9，并以瓶、水总质量为横坐标，温度为纵坐标，绘制瓶、水总质量与温度的关系曲线，如图1.3所示。

2）计算校正法。对于计算校正法，是在无恒温水槽情况下校正比重瓶的方法，一般先洗净比重瓶，并烘干和称重，再按前面的方法称出室温为T1时的瓶、水总重，并按下式求得任意温度时的瓶、水总质量：

εT——玻璃膨胀系数，国产比重瓶可取其平均值0.000024℃－1；

mb——比重瓶的质量，g。

称量校正法一般精度比较高，计算校正法引入了某些假设，但一般认为对比重影响不大，目前国内规范一般规定以称量校正法为准。除新购比重瓶在试验前必须进行校正外，使用过的比重瓶在一定时间段内也应重新进行校正，一般每年校正一次。

（2）比重瓶法试验的步骤：

1）将烘干土过5mm筛，然后取15g，用玻璃漏斗装入预先洗净和烘干的100mL比重瓶内，若用50mL的比重瓶，《土工试验方法标准》（GB/T　50123—1999）规定取10g；而《公路土工试验规程》（JTG　E40—2007）中规定取12g。称试样和瓶的总质量，准确至0.001g。试样的用量应根据比重瓶的种类和大小适当选择，因为用量过少会降低测定精度，用量过多则难于排除气泡。关于试样状态，《土工试验方法标准》（GB/T　50123—1999）规定采用烘干土，认为可减少计算中的累计误差，但《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）也允许采用风干土或天然湿度试样。

2）为了排除土中的气体，将纯水注入已装有干土的比重瓶中至一半处，摇动比重瓶，土样浸泡24h以上，再将瓶放在砂浴上煮沸，煮沸时间自悬液沸腾时算起，砂及砂质粉土不应少于30min，黏土及黏质粉土不应少于1h，以使土粒充分分散。悬液沸腾后应调节砂浴温度，以避免瓶中悬液溢出瓶外。

3）对于砂土，宜采用真空抽气法排气。用真空抽气法排气时，首先把注入纯水的比重瓶瓶塞拿去，放在真空干燥器内用真空泵抽气，抽气时真空表读数宜接近当地一个大气负压值，并经常摇动比重瓶，抽气时间不应小于1h，直至土样内的气泡排净为止。

4）应根据土的分散程度、矿物成分、水溶盐和有机质的含量来合理选择纯水和中性液体来测定。当水溶盐含量小于0.5%或有机质含量低于5%时，用纯水和中性液体测得的比重几乎无差异；而当水溶盐含量超过0.5%或有机质含量大于5%时，比重测试结果会出现较大差别，此时必须用中性液体测定，并采用真空抽气法排气。对于亲水胶体含量较多的土也必须用中性液体进行测定。

5）应根据介质的不同分别采用煮沸法和真空抽气法。煮沸法简单易行，效果好，一般以煮沸法为基本方法。但对于中性液体，应采用真空抽气法。砂土煮沸时砂粒容易跳出，也允许用真空抽气法代替煮沸法。在排气过程中，应经常摇振比重瓶，使瓶内气泡尽快逸出，为了防止喷溅现象发生，可预先将2～3根玻璃棒交叉放入比重瓶内。比重瓶法的测试精度与土粒的分散程度和液体的排气程度密切相关，因此要求尽可能排除比重瓶内液体中的气泡，使液体充满瓶内空间。

6）将煮沸经冷却的纯水（或抽气后的中性液体）注入装有试样悬液的比重瓶内，当用长颈比重瓶时，应用滴管滴注纯水液面恰到刻度处（以弯月面下缘为准）为止；当用短颈比重瓶时，则应将纯水注满，塞紧瓶塞，多余的水会从瓶塞毛细管中溢处出使瓶内无气泡。试验用水要求为不含气泡的纯水，且不含任何被溶解的固体物质。

7）将比重瓶置于恒温水槽内，待瓶内水温稳定，且瓶内上部悬液澄清，然后取出比重瓶，擦干瓶外壁，称比重瓶、水、试样总质量，准确至0.001g。称量后应立刻测出瓶内水的温度，准确至0.5℃。

8）根据测得的温度，从已绘制的温度与瓶、水总质量关系曲线中查得瓶、水总质量。如比重瓶容积事先未经温度校正，则立即倒去悬液，洗净比重瓶，注入事先煮沸过且与试验时同温度的纯水至同一体积刻度处，短颈比重瓶时，则应将纯水注满，塞紧瓶塞，然后将瓶外水分擦干，称瓶、水总质量。

4.结果整理

（1）计算：

1）用纯水测定时，按式（1.14）计算土粒比重：

2）用中性液体测定时，按式（1.15）计算比重：

（2）试验记录。比重瓶法测比重的试验记录见表1.10。

（3）允许平行差。比重瓶法试验应进行两次平行测定，两次测定的平行差值不得大于0.02，并取其两次测值的算术平均值，以两位小数表示。浮称法，其基本原理是依据阿基米德原理，即物体在水中失去的重量等于排开同体积水的重量，来测出土粒的体积，从而进一步计算出土粒比重。

11.3.2　浮称法

1.适用范围

浮称法适用于粒径不小于5mm的各类土，且其中粒径大于20mm的土质量应小于总土质量10%。浮称法所测结果较为稳定，但当大于20mm粗粒较多时，采用浮称法将增加设备，不便在室内使用。

2.仪器设备

（1）金属网篮。孔径小于5mm，直径为10～15cm，高为10～20cm。

（2）盛水容器。为适合金属网篮沉入，其尺寸应大于金属网篮。

（3）浮称天平。称量2000g，最小分度值0.5g，如图1.4所示。

（4）其他。刻度0～50℃、最小分度值0.5℃温度计，孔径5mm及20mm筛，烘箱等。

3.操作步骤

（1）取粒径不小于5mm的代表性试样500～1000g，其中粒径大于20mm的土质量应小于总质量的10%。彻底冲洗试样，直至颗粒表面无尘土和其他污物。

（2）将试样浸入水中24h后取出，立即放入金属网篮，然后缓慢地将金属网篮浸没于水中，并在水中摇晃，直至试样中无气泡逸出为止。

（3）称金属网篮和试样在水中的总质量，然后取出试样烘干，并称烘干试样质量。

（4）称金属网篮在水中的质量，并立即测定盛水容器内的水温，准确至0.5℃。4.结果整理

（1）计算。按式（1.16）计算比重：

如果土样为粗、细粒土混合料，《公路土工试验规程》（JTG　E40—2007）规定应分别测定粗、细粒土的比重，然后取其加权平均值，按下式计算土料的平均比重Gs：

（2）试验记录。浮称法测比重的试验记录见表1.11。

（3）允许平行差。浮称法试验应进行两次平行测定，两次测定的平行差值不得大于0.02，并取其两次测值的算术平均值，以两位小数表示。