土的三个基本物性指标试验
第一节 土粒比重试验（比重瓶法）
一、试验目的
测定土粒比重，为计算土的孔隙比、饱和度以及为土的其他物理力学试验（如颗粒分析的密度计法试验、压缩试验等）提供必要的数据。
二、基本原理
土粒比重是指土在温度100～105ºC下烘至恒重时的质量与同体积纯水在4ºC时质量的比值。土粒的质量可用精密天秤测得。土粒的体积一般应用排出与土粒同体积之液体的体积方法测得，通常用比重瓶法。此法适用于粒径小于5mm或者含有少量5mm颗粒的土。粒径大于5mm的土，则用虹吸筒法。对于砂土，可用大型的李氏比重瓶法，其原理均与比重瓶法相似。
在用比重瓶法测定土粒体积时，必须注意，所排开的液体体积必须能代表固体颗粒的真实体积。土中含有气体，试验时必须把它排尽，否则影响测试精度。可用煮沸法或抽气法排除土内
气体。所用的液体一般为纯水。若土中含有大量的可溶盐类、有机质、胶粒时，则可用中性液体，如煤油、汽油、甲苯和二甲苯，此时必须用抽气法排气。
三、仪器设备
1、比重瓶：容量为100cm3或50cm3, 有短颈式与长颈式两种(图2-1)；
2、分析天秤：称量200g，最小分度值0.001g；
3、恒温水槽；准确度应为±一个土一个于1ºC；
4、砂浴：能调节温度；
5、真空抽气设备(图2-2)；
6、温度计：测定范围为0～50ºC，精确至0.5ºC；
7、其它：烘箱、纯水、中性液体、小漏斗、干毛巾、小洗瓶、磁钵及研棒、孔径为2mm筛等。
四、操作步骤
1、土样的制备
取有代表性的风干土样约100g, 充分研散，并全部过2mm的筛。将过筛风干土及洗净的比重瓶在100～105ºC下烘干；取出后置于干燥器内，冷却至室温称量后备用。
2、测定干土的质量
称烘干土15g, 通过漏斗装入已知质量的烘干比重瓶中，然后在分析天平上称得瓶加土的质量(精确至0.001g)，减去瓶的质量即得土粒质量ms。
3、煮沸(或抽气)排气
(1) 煮沸排气：注纯水于盛有土样的比重瓶中至半满；轻摇比重瓶，使土粒分散；将瓶置于沙浴上煮沸，煮沸时间自悬液沸腾起，砂土不应少于30min，粘土、粉土不得少于1h，以排除气体。
(2) 抽气排气：将盛有土样及半满纯水的比重瓶放在真空抽气缸内，如图2-2所示；接上真空泵，真空度应接近一个大气压，直至摇动时无气泡逸出为止，时间一般不少于1h。
4、测定瓶加水加土的质量
若用煮沸排气法时，煮沸完毕后，取出比重瓶冷却至室温，注纯水于比重瓶中。当用长径比重瓶，应加纯水于刻度处；当用短颈比重瓶时，应注纯水至瓶口，塞上瓶塞，使多余的水自毛细管中溢出；瓶塞塞好后，瓶内不应留有空气，如有，应再加水重新塞好。然后将比重瓶置于恒温水槽内。待温度稳定和瓶内上部悬液澄清后，取出比重瓶。将瓶外水分擦干后称量，得瓶、水和土之质量mbws。
5、测定瓶加水的质量
倒掉瓶中悬液，洗净比重瓶，灌满纯水加盖，恒温约15min，使瓶内纯水温度与悬液的温度
一致。检查瓶内有无气泡，若有，需排除；然后，擦干瓶外水分称量，得瓶加水的质量mbw。
五、成果整理
1、计算
按下式计算土粒的比重，准确至0.01 g/cm3。
(2-1)
式中，ms为土粒的质量，g；mbws为瓶加水加土的质量，g；mbw为瓶加水的质量，g；Gwt为tºC时纯水的比重，可由表2-1查得。
本试验须进行两次平行测定，其平行测定差值不得大于0.02g/cm3，取两个测值的平均值。
表2-1 不同温度时水的比重 | ||||||
水温 (ºC) | 4.0-12.5 | 12.5-19 | 19-23.5 | 23.5-27.5 | 27.5-30.5 | 30.5-33.0 |
水的比重 | 1.000 | 0.999 | 0.998 | 0.997 | 0.996 | 0.995 |
2、填写试验报告。
六、注意事项
1、煮沸(或抽气)排气时，必须防止悬液溅出瓶外，火力要小，并防止水煮干；必须将土中气体排尽，否则影响试验成果。
2、必须使瓶中悬液与纯水的温度一致。
3、称量必须准确，测定mbws及mbw时，必须将比重瓶外水分擦干。
4、若用长颈式比重瓶，液体灌满比重瓶时，液面位置前后必须一致，以弯液面下缘为准。
七、思考题
1、粒径小于5mm的土为什么必须用比重瓶来测定其比重？
2、土中空气如不排除，所得土粒密度偏大，为什么？
3、土的粘粒含量越多，土粒比重一般越大还是越小？土粒比重为什么通常按经验取值？
土的密度是指土的单位体积的质量。一般常用环刀法或蜡封法测定粘性土的密度，两者的主要区别在于测定土的体积的方法不同。环刀法适用于较均一、可塑的粘性土。蜡封法适用于土中含有粗粒，或者坚硬易碎难以用环刀切割的土，或者试样量少，只有小块、形状不规则。对于饱和松散土、淤泥、饱和软粘土，不易取出原状样的土，可采用放射性同位素在现场测定其天然密度。砂土、砾石土，可在现场挖坑用灌砂法测定。
一、环刀法
（一）试验目的
测定土的密度，以了解土的疏密和干湿状态，供换算土的其他物理性质指标和工程设计之用。
（二）基本原理
环刀法是用已知质量及容积的环刀，切取土样，使土样的体积与环刀容积一致，这样环刀的
容积即为土的体积；土样称量后，减去环刀的质量就得到土的质量。然后便可计算出土的密度。环刀法适用于较均一呈塑态的粘性土。
（三）仪器设备
1、环刀：内径6～8cm, 高2cm；
2、天平：最小分度值0.1g；
3、测径卡尺；
4、切土刀、钢丝锯、凡士林油及玻璃板等。
（四）操作步骤
1、测定环刀的质量及体积
用测径卡尺测量环刀的内径及高度, 计算得环刀的体积；然后，将环刀置于天平上称得环刀质量m1, 准确至0.01。
2、切取土样
在环刀内壁上涂以薄层凡士林，将环刀刃口向下放在土样表面上，用切土刀把土样削成略大于环刀的土柱，然后垂直向下轻压环刀，边压边削，至土样高出环刀为止。先削平环刀上端之余土，使土面与环刀边缘齐平，再置于玻璃板上；然后削环刀刃口一端的余土，使与环刀刃口齐平。若两面的土有少量剥落，可用切下的碎土轻轻补上。
3、测定环刀和土样之质量
擦净环刀外壁，称量环刀和土样的质量m2，准确至0.01g。
（五）成果整理
1、按下式计算土的密度，准确至0.01g/。
(2-2)
式中，ρ为土的密度，g/cm3；m2为环刀与土样之质量，g；m1为环刀的质量，g；V为土的体积，cm3。
本试验须进行两次平行测定，其平行测定差值不得大于0.03g/cm3，取两个测值的平均值。
2、填写试验报告。
（六）注意事项
1、用环刀切取土样时，必须严格按试验步骤操作，不能急于求成，用力过猛或图省事不削成土柱，这样容易使土样开裂扰动。
2、修平环刀两端余土时，不得在试样表面往返压抹。对于较软的土，宜先用钢丝锯将土样锯成几段，然后用环刀切取。
二、蜡封法
（一）试验目的（同环刀法）
（二）基本原理
蜡封法是将已知质量的土块浸入融化的石蜡中，使试样有一层蜡的外壳，保持其完整外形，
通过分别称得带有蜡壳的土样在空气中和水中的重量，根据阿基米德原理，计算出试样体积，便可以求得土的密度。蜡封法适用于土中含有粗粒，或者坚硬易碎难以用环刀切割的土，或者试样量少，只有小块、形状不规则。
（三）仪器设备
1、石蜡及融蜡设备(电炉和锅)；
2、天平：最小分度值0.01g；
3、其它：切土刀、烧杯、细线、温度计和针等。
（四）操作步骤
1、切取土样
切取体积约30土样，削去松浮表土和尖锐棱角，使其成为较整齐的形状；系上细线，置于天平盘上称得试样的质量m，准确至0.01g。
2、封蜡
持线将试样徐徐浸入刚过熔点(温度为50～70ºC)的蜡中，待全部浸没后即将试样提出，重复2～3次，使试样表面复以一薄层蜡膜。注意检查蜡膜中有无气泡；若有用烧热之针刺破，再用蜡涂平孔口。
3、测定试样体积
(1)将封蜡试样放在天平上称量，得该试样的质量m1，准确至0.01g。
(2)用细线将试样吊在天平之一端，并浸没于盛纯水的烧杯中(图2-3)，称其在水中的质量。将试样从水中取出，擦干蜡封薄膜表面水分，置于天平上称量，检查是否有水进入土样中。若此时试样质量大于浸水前之封蜡试样质量，并超过0.03g, 则试验应重做。
（五）成果整理
1、计算试样的体积：
(2－3)
式中，V为试样体积，cm3；V1为封蜡试样体积，，cm3；V2为蜡膜体积，，cm3；为封蜡试样在水中的质量，g；m1为封蜡试样的质量，g；m为试样质量，g；ρwt为纯水在tºC时的密度，g/cm3；ρn为石蜡的密度，常采用0.92g/cm3。
2、计算土的密度ρ,计算精确至0.01 g/cm3。
(2－4)
本试验须做两次平行测定，其平行测定误差不得大于0.03g/cm3, 取两个测值的平均值。
3、填写试验报告
（六）注意事项
1、在封蜡时，应将土样徐徐浸入蜡中，并立即提上，以免蜡膜产生气泡，并防止土样扰动。
2、称封蜡土样时，应在另一砝码盘中放入一条与缚土样长度相等的细线，以平衡线的质量。
3、在称封蜡土样水中质量时，应注意勿使封蜡试样与烧杯壁接触，同时应排除附在其周围的气泡。
（七）思考题
1、什么情况下用环刀法测定土的密度？什么情况下用蜡封法？
2、在环刀法中影响试验准确性的因素有哪些？
第三节 含水率试验(烘干法)
一、试验目的
了解土的含水情况，用来计算土的孔隙比、液性指数、饱和度等其他物理力学性质指标。含水率是一个不可缺少的基本实测指标。
二、基本原理
含水率是指土在温度105～110ºC下烘到恒重时失去的水分质量与到达恒重后干土质量之比值，以百分数表示。
测定含水率的方法很多，区别在于使土样干燥的方法不同，常用的方法有下列几种：
1、烘干法：将土样置于烘箱中烘烤除去水分。一般适用于有机质含量小于5%的土。
2、酒精燃烧法：将酒精倒入土样中，燃烧除去其水分。此法适用于野外勘测及施工等大量测定含水率的情况。酒精燃烧法的测定速度较快，故又称快速法。
3、砂土炒干法：砂土中结合水少，可以将它放在铝盒中置于电炉上炒干，直至完全干燥，测其含水率。
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