土粒比重試驗(yàn)影響因素分析

高惠君

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

土力學(xué)上土粒比重定義為土粒的質(zhì)量與同體積純蒸餾水在4℃時(shí)的質(zhì)量之比。4℃時(shí)純蒸餾水的密度為1.0 g/cm3，故實(shí)用上土粒比重在數(shù)值上即等于土粒的密度，是無量綱數(shù)，在工程地質(zhì)學(xué)上也叫相對密度或顆粒密度，與含水量、質(zhì)量密度并稱為“試驗(yàn)直接測定的基本物理性質(zhì)指標(biāo)”，可以計(jì)算出孔隙比、飽和度，從而進(jìn)一步計(jì)算出一系列土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，所以土粒比重試驗(yàn)(鐵路工程上也叫顆粒密度試驗(yàn))是土工試驗(yàn)的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度關(guān)乎絕大部分力學(xué)試驗(yàn)的成敗。

《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)和《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB 10102—2010)都規(guī)定最大粒徑小于5 mm的土采用量瓶法測定，粒徑等于大于5 mm的土，其中大于20 mm的顆粒含量少于10%時(shí)采用浮稱法;大于10%時(shí)采用虹吸筒法;土中含有小于和大于5 mm的顆粒，則應(yīng)分別用量瓶法、浮稱法或虹吸筒法測定不同粒徑的土粒比重，再計(jì)算出平均土粒比重。

在日常工作中，接觸最多的是用量瓶法測定土粒比重，該試驗(yàn)雖然是基礎(chǔ)試驗(yàn)，但因其精度要求高、影響因素多，所以也是一項(xiàng)數(shù)據(jù)超差率高、返工率高的試驗(yàn)。經(jīng)過多年對不同地區(qū)土進(jìn)行土粒比重試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累、分析、研究，發(fā)現(xiàn)影響土粒比重試驗(yàn)準(zhǔn)確率的因素主要有4點(diǎn)，以下逐一說明。

1 試驗(yàn)溫度

土粒比重實(shí)際就是土粒質(zhì)量與同體積純水在4℃時(shí)的質(zhì)量之比，而工作環(huán)境溫度不可能達(dá)到準(zhǔn)確的4℃，就需要準(zhǔn)確測量出試驗(yàn)水土混合物的溫度來參與計(jì)算。

用純水測定時(shí)

式中 ρs——顆粒密度/(g/cm3)，計(jì)算至0.01 g/cm3;

mpw——量瓶和水的總質(zhì)量/g;

mpws——量瓶、水和土的總質(zhì)量/g;

md——干試樣質(zhì)量/g;

ρwT——T ℃時(shí)水的密度/(g/cm3)。

用中性液體測定時(shí)

式中 mpu——量瓶和中性液體總質(zhì)量/g;

mpus——量瓶、中性液體和土的總質(zhì)量/g;

ρUT——T℃時(shí)中性液體的密度/(g/cm3)。

從以上兩式可以看出，ρwT(T℃時(shí)水的密度)或是ρuT(T℃時(shí)中性液體的密度)都參與ρs(土粒比重即顆粒密度)的計(jì)算，只有準(zhǔn)確測出試驗(yàn)溫度，才能準(zhǔn)確地找出或測出T℃時(shí)水或中性液體的密度。如果試驗(yàn)溫度測定不準(zhǔn)確，就會使試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。因此試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，試驗(yàn)溫度準(zhǔn)確到0.5℃，實(shí)際操作精確到0.1℃。

2 試驗(yàn)操作過程中對細(xì)節(jié)的處理

土工試驗(yàn)規(guī)程中規(guī)定將15 g或10 g烘干土裝入100 mL或50 mL量瓶內(nèi)，稱量瓶和土的總質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.001 g。這一步驟不同試驗(yàn)人員有不同的理解，有的先稱出干土重，然后倒入量瓶內(nèi)，再稱瓶和土的總重;有的先把量瓶放在天平上稱重后清零，再放入干土，稱瓶和土的總重。這兩種方法都是為了確定干土重md，但是第一種方法是先在其他器皿上稱出干土重，再倒入量瓶內(nèi)，這一過程中會有少量極細(xì)土顆粒吸附在器皿上，造成實(shí)際試驗(yàn)土質(zhì)量比記錄的土質(zhì)量少，從而使試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差，而第二種方法則完全避免了這一偏差。

試驗(yàn)操作的最后一步是將煮沸或真空抽氣完畢的量瓶冷卻至接近室溫，將事先煮沸并冷卻的純水注入量瓶至近滿(有恒溫水槽時(shí)，可將量瓶放于恒溫水槽內(nèi))。待瓶內(nèi)懸液溫度穩(wěn)定及懸液上部澄清時(shí)，塞好瓶塞，使多余水分自瓶塞毛細(xì)管中溢出，將瓶外壁上的水分擦干后，稱量瓶、水和土總質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.001 g，并測定量瓶內(nèi)水的溫度，準(zhǔn)確至0.5℃。這一步驟中，量瓶瓶塞上的毛細(xì)管孔徑十分關(guān)鍵，試驗(yàn)規(guī)程對此沒有明確的說明，以前我試驗(yàn)室有孔徑2 mm左右和1 mm左右兩種量瓶，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，使用孔徑2 mm左右的量瓶比使用孔徑1 mm左右的量瓶更容易出現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果偏差。因?yàn)樵囼?yàn)的理論依據(jù)是同體積的土粒與純水的質(zhì)量比，試驗(yàn)中毛細(xì)管內(nèi)的存水是忽略不計(jì)的，孔徑越小，其內(nèi)的存水就越少，對試驗(yàn)結(jié)果影響就越小，所以應(yīng)該不再使用毛細(xì)管孔徑2 mm左右的量瓶，而改用孔徑在1 mm左右的量瓶。

3 試驗(yàn)方法的選擇

《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)和《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB 10102—2010)都規(guī)定，用中性液體(如煤油)測定含有可溶鹽、親水性膠體或有機(jī)質(zhì)的土粒比重時(shí)，可用真空抽氣法代替煮沸法排除土中空氣。對砂土，為了防止煮沸時(shí)顆粒跳出，也可采用真空抽氣法，抽氣時(shí)真空壓力表讀數(shù)應(yīng)達(dá)到約一個(gè)負(fù)壓力值，抽氣時(shí)間1～2 h，直至懸液內(nèi)無氣泡逸出時(shí)為止。但煮沸法與煤油真空抽氣法所測結(jié)果具體偏差有多大，有無規(guī)律性。就此問題，利用天津地區(qū)的土做了對比試驗(yàn)。

(1)對同一孔不同深度的土樣分別作液、塑限，計(jì)算出塑性指數(shù)，并進(jìn)行灼燒試驗(yàn)，測出土樣的灼燒失量。

(2)按照試驗(yàn)規(guī)程，利用蒸餾水煮沸法測出土粒比重。

(3)采用真空抽氣法分別稱出在某一溫度時(shí)量瓶與蒸餾水的總重及同一量瓶與煤油的總重，利用公式

式中 ρm——煤油密度/(g/cm3)，計(jì)算至 0.01 g/cm3;

mpv——量瓶和煤油的總質(zhì)量/g;

mpw——量瓶和純水的總質(zhì)量/g;

mp——量瓶質(zhì)量/g;

ρwT——T℃時(shí)純水的密度/(g/cm3);

計(jì)算出24℃時(shí)煤油密度(0.78 g/cm3)。

(4)把15 g左右的干土放入量瓶。加煤油在一個(gè)大氣壓下經(jīng)過1～2 h的真空抽氣后，當(dāng)溫度同為24℃時(shí)稱出量瓶、煤油加土的總重量，利用公式(2)計(jì)算出土粒比重。

(5)把試驗(yàn)測得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)經(jīng)過整理對比發(fā)現(xiàn):

①同一土樣，煮沸法所得數(shù)據(jù)比煤油真空抽氣法測得的數(shù)據(jù)略大;

②塑性指數(shù)相近的土，灼燒失量越大，其兩種實(shí)測比重的差值就越大(如表1)。

表1 塑性指數(shù)、灼燒失量和實(shí)測比重關(guān)系(一)

由表1可看出，塑性指數(shù)分別為14.2、14.6的兩種土，灼燒失量等于5.2、8.4，用煮沸法測得的比重同為2.67，而用真空抽氣法測得的比重為2.62、2.58，兩種方法的差值分別為 0.05和 0.09，后者比前者大0.04。

③塑性指數(shù)較大的黏土，其兩種數(shù)據(jù)的差值受到灼燒失量的影響較粉質(zhì)黏土更明顯(如表2)。

表2說明塑性指數(shù)分別為14.4的粉質(zhì)黏土，灼燒失量等于7.5，用煮沸法測得的比重為2.66，煤油真空抽氣法測得的比重為2.61，兩比重差值為0.05;塑性指數(shù)是20.7的黏土，期灼燒失量為8.5，煮沸法比重為2.70，真空抽氣法比重為2.60，兩方法比重差值為0.10，是粉質(zhì)黏土兩比重差值的2倍。

表2 塑性指數(shù)、灼燒失量與實(shí)測比重關(guān)系(二)

④粒徑較大的粉土兩種比重的差值受灼燒失量的影響不大，但兩種方法間差值較大(如表3)。

表3 塑性指數(shù)、灼燒失量和實(shí)測比重關(guān)系(三)

由上述對比試驗(yàn)可以總結(jié)出，真空抽氣法比煮沸法更能準(zhǔn)確地測定出土粒的實(shí)際比重值。但用中性液體做介質(zhì)，需要先測定、計(jì)算中性液體的密度，加大了試驗(yàn)難度，提高了試驗(yàn)成本。如果不含有可溶鹽、親水性膠體或有機(jī)質(zhì)的土也采用中性液體做介質(zhì)，就會造成人力、物力和時(shí)間的浪費(fèi)。因此，對于非特殊土應(yīng)采用以純水為介質(zhì)進(jìn)行真空抽氣法來測定土粒比重，既可以提高試驗(yàn)準(zhǔn)確率，又可節(jié)省時(shí)間，降低試驗(yàn)成本。

4 土中的礦物化學(xué)成分及土性和地區(qū)差異

天然土顆粒由不同的礦物所組成，這些礦物和化學(xué)成分的比重各不相同，所以影響土粒的比重也有所差別。由上述對比試驗(yàn)可以看出，土中所含有的可溶鹽、親水性膠體或有機(jī)質(zhì)越多即灼燒失量越大，土粒的比重就越小。

黃土——顏色以黃色、褐黃色為主，顆粒組成以粉粒為主，有肉眼可見的大孔隙，富含碳酸鹽類，垂直節(jié)理發(fā)育。我國黃土主要分布在北緯33°～47°之間即隴西、陜北、關(guān)中、山西、豫西等地。黃土的土粒比重在2.68～2.72之間，因親水性膠體或有機(jī)質(zhì)含量極低，其土粒比重基本不受灼燒失量的影響。

紅黏土——顏色為棕紅色或褐黃色，分為原生紅黏土和次生紅黏土。我國紅黏土主要分布在南方，以貴州、云南和廣西最為典型和廣泛，其次在四川盆地南緣和東部、鄂西、湘西、湘南、粵北、皖南和浙西等地也有分布。紅黏土的土粒比重在2.76～2.90之間，因主要礦物成分為高嶺石、伊利石和綠泥石，且富含交換性陽離子、易溶鹽和其他化學(xué)成分，故測定紅黏土的土粒比重必須用中性液體進(jìn)行真空抽氣法。

軟土——是指天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的細(xì)粒土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等。我國軟土主要分布在沿海地區(qū)，如東海、黃海、渤海、南海等地，內(nèi)陸平原以及一些山間洼地亦有分布。軟土因有機(jī)質(zhì)含量較高，所以其土粒比重偏低，泥炭、泥炭質(zhì)土的土粒比重甚至?xí)∮?.0。

填土——是指人類活動(dòng)而堆填的土，分為素填土、雜填土和沖填土三類。素填土由天然土經(jīng)人工擾動(dòng)和搬運(yùn)堆填而成，不含或少含雜質(zhì);雜填土含有大量建筑垃圾、工業(yè)廢料或生活垃圾等雜質(zhì);沖填土是由水力沖填泥沙形成的填土，它是我國沿海一帶常見的人工填土之一。因填土的成因太復(fù)雜，所以其土粒比重的變化較大，不確定性最大。

5 結(jié)束語

為了減少各種影響因素對土粒比重試驗(yàn)結(jié)果的干擾，建議按照以下注意事項(xiàng)操作:試驗(yàn)溫度準(zhǔn)確到0.1℃;試驗(yàn)過程中注意細(xì)節(jié)操作，選用毛細(xì)管孔徑1 mm左右的量瓶進(jìn)行試驗(yàn);非特殊土都采用以純水為介質(zhì)進(jìn)行真空抽氣法來測定土粒比重，含有可溶鹽、親水性膠體或有機(jī)質(zhì)的土可用中性液體(煤油)進(jìn)行真空抽氣法;結(jié)合土的來源和土性進(jìn)一步分析試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

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