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1、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 100105C 下烘至恒重时的质量与同体积纯水在 4C 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
2、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1C;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 050C,精确至 0.5C;7、其它:烘箱、纯水、中性液体、小漏斗、干毛巾、小洗瓶、磁钵及
3、研棒、孔径为2mm 筛等。图 2-1 比重瓶a-短颈式 b-长颈式图 2-2 抽气装置示意图1-压力表 2-真空缸 3-比重瓶接真空泵四、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 100105C 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
4、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
5、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。 wtbssbws GmG(2-1)式中,m s 为土粒的质量,g;m bws为瓶加水加土的质量, g;m bw为瓶加水的质量,g;G wt为 tC 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
6、比重水温 (C) 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 0.9952、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?
7、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?第二节 密度试验(环刀法、腊封法)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,
8、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 68cm, 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
9、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/ 3c。V12(2-2)式中, 为土的密度,g/cm 3;m 2 为环刀与土样之质量,g;m 1 为环刀的质量,g;V为土的体积,cm 3。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/
10、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
11、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 3cm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 5070C)的蜡中,待全部浸没后即将试样提出,重复 23 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
12、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 m。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: 21V(23)式中,V 为试样体积,cm 3;V 1 为封蜡试样体积, w1mV,cm 3;V 2 为蜡膜体积,n12m,cm 3; 为封蜡试样在水中的质量,g;m 1为封蜡试样的质量,g;m 为试样质量,g; wt为纯水在 tC 时的密度, g/cm3; n为石蜡的密度,常采用 0.92g/cm3。2、计算土的密度 ,计算精确至 0.0
13、1 g/cm3。 2111Vnwt (24)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)思考题图 2-3 水中称重装置1-盛水杯 2-蜡试样 3-细线 4-砝码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
14、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 105110C 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
15、中置于电炉上炒干,直至完全干燥,测其含水率。三、仪器设备1、铝盒 2 个;2、天平:称量 200g,最小分度值 0.01g;3、烘箱;应能控制温度 105110C;4、干燥器。四、操作步骤1、测湿土的质量先称得铝盒的质量 m0后, 选取代表性的土样,粘性土为 1530g, 砂性土约 50g,放入铝盒内,盖紧盒盖,称铝盒加湿土的质量 m1,准确至 0.01g。2、烘干土样打开盒盖,将盛有土样的铝盒放入烘箱内,在温度 105110C 下烘 6h 以上至恒重。3、测干土的质量自烘箱中取出铝盒盖上盒盖,立即放入干燥器中,冷却后称盒加干土的质量 m2, 减去铝盒质量 m0, 即得干土质量。五、成果整理1
16、、按下式计算含水率,计算准确至 0.1%。%1021w(25)式中,w 为土的含水率,; m1为铝盒加湿土的质量,g;m 2 为铝盒加干土的质量,g;m 0 为铝盒的质量,g。本试验须做两次平行测定,其平行测定允许误差值:当 w10%时为 1%;当 w40%时为 2%;取两个测值的平均值。2、填写试验报告。六、注意事项1、打开土样后,应立即取样称湿土质量,以免水分蒸发。2、土样必须按要求烘至恒重,否则影响测试精度。3、烘干的试样应冷却后称量,防止热土吸收空气中的水分。七、思考题1、为何有机质土不宜用烘干法? 2、根据试验测定的土粒比重、土的密度、含水率,试推导干密度、孔隙比、饱和度计算式。3、干密度能否实测?