17.4含水率试验
17.4.1试验目的和方法
土的含水率是土在105~110℃温度下烘干至恒量时所失去水的质量与干土质量的比值。以百分数表示。
含水率是土的基本物理指标之一。它反映了土的干、湿状态。土的含水率是计算干密度、孔隙比、饱和度、液性指数等指标的基本数据和评价土的工程性质的重要依据，是研究土的物理力学性质的重要指标。
含水率的试验方法较多，由于烘干法试验简便，结果稳定，故以此法作为测定含水率的标准方法。如果测试条件不能满足采用烘干法或需快速测定含水率时，可分别用如下方法：
●酒精燃烧法：适用于不含有机质的砂类土、粉土和粘性土。
●碳化钙减量法：本方法的原理是用过量碳化钙与土中游离水混合接触产生化学反应，生成乙炔气体。根据乙炔气体逸出失去的质量，计算求得土的含水率。此方法适用于各类土。
●核子射线法：适用现场原位测定填料为细粒土和砂类土的含水率。
以下仅介绍烘干法，核子射线法在土的密度试验中介绍。
17.4.2烘干法
17.4.2.1试验用仪器设备
●电热干燥箱：温度能保持在105~110℃。
●天平：称量200g，分度值0.01g；称量1000g，分度值0.02g。
●其它：干烘器、称量盒等。
17.4.2.2主要试验步骤：
1）选取有代表性试样（粘性土15~30g，砂类土30~50g，砾石类土不少于250g，碎石类土不少于500g），放于称量盒内称量湿土质量。
2）打开盒盖，将装有试样的盒放入烘箱内，在105~110℃温度下烘干。
各类土的烘干时间见表17.28。
表17.28各类土烘干时间
土类
烘干时间（h）
砂类土
≥6
粘性土
≥8
砾石类或矿石类土
≥4
有机质土的烘干温度在65~70℃。烘干步骤为：在真空干燥箱中烘7小时；在电热干燥箱中烘18小时。
3）按规定时间烘干后，取出称量盒，盖好盒盖，放入干燥器内冷却至室温时称干土质量。
4）含水率试验应进行两次平行测定，两次测定的差值应符合表17.29的规定，取两次平行试验结果的算术平均值为最终试验结果。
表17.29含水率平行差值
土的类别
含水率平行差值（%）
w≤10
10< w≤40
w>40
砂类土、有机质土、粘性土
0.5
1.0
2.0
碎石土
1.0
2.0
5)按下式计算试样的含水率（计算至0.1%）：
17.5密度试验
17.5.1试验的目的和方法
土的密度是质量密度的简称，指单位体土体的质量，即土的总质量（m）与其体积（V）之比，以符号ρ表示，单位为g/cm3。重力密度（重度）由于涉及到作用于质量上的重力，所以表示为单位体积的力，以符号γ表示（重度原称容重），单位为kN/cm3。两者有以下的换算关系：
γ=g×ρ=9.81×ρ≈10×ρ
土的密度是土的基本物理性指标之一，用它可以换算土的干密度、孔隙比、孔隙率等指标。在工程设计中，主要用于判断土的工程性质、计算土压力、土体稳定性及地基压缩时的沉降量等。
测定土的密度常用的方法主要有：
●环刀法：适用于粉土和粘性土；
●蜡封法：适用于环刀难以切削并且易碎裂的土；
●灌砂法、灌水法、气囊法：适用于砾类土；
●核子射线法：适用于砂类土、粘性土。
下面仅介绍环刀法、灌砂法、核子射线法。
    测定土体密度的难度在于测定土体的体积，环刀法、蜡土封法、灌砂法等均是针对测定土体体积进行的。
17.5.2环刀法
    环刀法测定土体密度的原理在于，用确定体积的环刀切削土体，使在尽量少的扰动下，使土灌满环刀，从而达到测定密度的目的。
17.5.2.1试验所用主要仪器设备和器具
1)环刀：目前常用的环刀内径为61.8±0.15mm和79.8±0.15mm两种，高度为20±0.016mm，。环刀的质量、容积须定期校验；
2)天平：称量500g，分度值0.1g；称量200g，分度值0.01g；
3)其它：切土刀、钢丝锯等。
17.5.2.2主要试验步骤
1）在环刀的内壁涂上一薄层凡士林，刀口向下放在土样上，垂直下压环刀，同时旋转切削土样至环刀从土样另一端伸出为止。用钢丝锯或切土刀去掉环刀周围的土，使环刀与土柱分离，然后削去环刀两端的多余土（用做含水率试验），并将环刀两端修平。
2）将环刀与所切土同时称量，然后再称环刀质量，从而称得试样质量，准确至0.1g。
3）应进行两次平行测定，其平行差值不得大于0.03g/cm3。
4）按公式（17-13）和（17-14）分别计算土的湿密度和干密度。
17.5.3灌砂法
利用在确定的灌入状态下，砂的密度（可以在相同灌入条件下事先测得）不会发生变化的原理，测定试坑中砂子质量，从而计算试坑的体积，达到测定土体密度的目的。
17.5.3.1试验所用主要仪器设备和工具
真空干燥箱使用方法      图17.2灌砂法密度测定仪
1)灌砂法密度测定仪：如图17.2所示；
2)天平：称量10kg，分度值5g；称量500g，分度值0.1g；
3)其它：小铁锹、小铁铲、盛土容器等。
17.5.3.2标准砂密度测定
1)选取一定量的粒径为0.25～0.50mm，密度为1.47～1.61g/cm3的洁净干燥砂。
2)称量组装好的密度测定仪质量（m1）。
3)将密度测定仪竖立（漏斗向上），向容砂瓶内注满清水（用小玻璃板封口，以玻璃板下气泡最小为准），称测定器和水的质量（m2），同时测记水温。再重复测定两次。将三次测定结果换算为该温度下水的体积，三次结果最大差值不得大于3ml，取三次测定值的平均值作为密度测定仪容砂瓶的体积。
4)按上述步骤将水换为标准砂，测定标准砂充满容量瓶后密度测定仪和标准砂的质量（m3）。
5)按公式（17-15）计算容砂瓶的容积
不同温度下，水的密度不同，在计算密度测定仪容砂瓶容积时，要根据测定时的温度使用不同的，其值见表17.30。
表17.30不同温度下每克水的体积
水温（℃）
12
14
16
18
20
22
每克水体积（ml）
1.00048
1.00073
1.00103
1.00138
1.00177
1.00221
水温（℃）
24
26
28
30
32
每克水体积（ml）
1.00268
1.00320
1.00375
1.00435
1.00497
按公式（17-16）计算标准砂的密度：
17.5.3.3  测定灌满漏斗所需标准砂的质量
1)将标准砂灌满容砂瓶，称测定器和标准砂的质量（m3）。
将测定器倒置于洁净的平面上（漏斗朝下），打开阀门，待砂停止流动后迅速关闭阀门，称剩余砂和测定器质量（m4），计算流失砂的质量（m5）。
2)按式计算灌满漏斗所需标准砂的质量：
17.5.3.4灌砂法试验要点
1)将测定仪倒置（漏斗朝下）于整平的地面上，沿灌砂漏斗外缘画一轮廓线，在所画轮廓线内挖坑，试坑大小应根据土的最大粒径确定。见表17.31。
2)将挖出的土全部装入容器称出湿土总质量，同时取代表性试样测定含水率。
表17.31试坑最小体积和测定含水率试样质量
土的最大粒径（mm）
试坑尺寸（mm）
测定含水率应取试样质量（g）
直径
高度
5~25
150
200
100
25~50
200
250
300
3)将容砂瓶内充满砂，称标定器和标准砂质量（m3），将测定器倒置（漏斗朝下）于挖好的坑口上（如坑口土质较松软，要采用底版，当使用底板。当使用底板时，应把底板空洞视为灌砂漏斗的一部分），打开阀门，使标准砂流入试坑内，当砂停止流动时关闭阀门，称测定器和剩余砂质量（m6）。
4）按式（17-18）计算充满试坑所需砂质量：
5）按式(17-19)、（17-20）计算密度和干密度：
17.5.4核子射线法
核子射线法广泛用于路基填土压实工程中检测土的密度和含水率。核子湿度密度仪的原理是根据不同密度的土对γ射线（铯137—γ源，半衰期为33.2年）的反射，间接地求出该材料的密度；根据土中游离水中的氢离子对中子（镅241/铍中子源，半衰期为458年）的反射，测出氢离子含量，进而推算出游离水的含量，即计算出含水率。
17.5.4.1验所用主要仪器设备
1）核子湿度密度仪：由主机和附件组成。
①主机：由放射源、探测器、微处理器、测深定位装置等组成，见图17.3所示。1）放射源：铯137—γ源，辐射活性3.7×108Bq镅241/铍中子源，辐射活性1.85×109Bq。
●探测器：盖革—密勒计数管，接收γ射线；氢—3探测管，接收中子射线。
●微处理器：将探测器接收到的射线信号转换成数据，并经运算后显示检测结果。
●测深定位装置：将放射源放置到预定的测试深度。
图17.3核子湿度密度仪示意图
②附件：标准块、导板、钻杆、充电器。
③技术指标：
●测量范围：含水量0~0.64g/cm3；密度1.12～2.73 g/cm3。
●准确度：含水量±0.004 g/cm3；密度±0.004 g/cm3。
●仪器应按JJG128-91《核子湿度密度测试仪检定规程》检定合格，检定周期二年。
17.5.4.2试验要点
1)标准计数和统计试验：将标准块放在坚硬的材质表面，按规定将仪器放置在标准块上，仪器手柄设置在安全位置。周围10m以内无其他放射源，3m以内的地面上不得堆放其他材料。按下启动键，开始进行标准计数或统计试验。操作人员应退到离仪器2m以外区域。当仪器发出结束信号后，检查含水量、密度的标准计数或统计分析结果，如果其数值在规定的范围内，即可开始检测。
2)输入设定参数
①测量计数时间（不宜小于30s）；
②选择计量单位g/cm3或kg/cm3；
③密度、含水量的偏移量，当无偏移量时输入“0”；
④测点记录号。
3)平整被测材料表面，必要时可用少量细粉颗粒铺平，然后用导板或钻杆造孔。孔深必须大于测试深度，孔应垂直，孔壁光滑，不得坍塌。
4)按规定方法将仪器就位，并将放射源定位到预定的测试深度，按下启动键开始测试，操作人员退到离仪器2m以外的区域。
5)当仪器发出结束信号后，储存或记录检测结果，并将放射源退回到安全位置。
6)试验误差应满足以下规定要求
本试验在同一测点，仪器在初始位置进行第一次读数，然后将仪器绕测孔旋转180º进行第二次读数，含水量及密度应分别取两次读数的平均值。其含水率的允许平行差值应符合本章第四节表17.4的规定；密度的平行差值不应大于0.03 g/cm3。如果两次测定的平行差值（含水率或密度）超过允许差值，则应将仪器再绕测孔旋转到90º和270º的位置进行两次读数，取其四次读数的算术平均值。