土工试验方法

第1页共25页铁道工程系……………………………………⊙……装…………………………⊙……订………………………⊙……线………………………………………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。第2页共25页铁道工程系……………………………………⊙……装…………………………⊙……订………………………⊙……线………………………………………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≤1010w≤40w40砂类土、有机质土、粘性土0.51.02.0碎石土1.02.05)按下式计算试样的含水率（计算至0.1%）：);(:);(:(%);::)1217(100)1(gmgmwdwdw干土质量湿土质量含水率其中mmw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）由于涉第3页共25页铁道工程系……………………………………⊙……装…………………………⊙……订………………………⊙……线………………………………………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。第4页共25页铁道工程系……………………………………⊙……装…………………………⊙……订………………………⊙……线………………………………………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。)(:);(:);/(::)1317(3030cmVgmcmgVm环刀体积湿土的质量土的湿密度其中刀刀(%):);/(::)1417(01.013含水率干密谋其中wcmgwdd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。第5页共25页铁道工程系……………………………………⊙……装…………………………⊙……订………………………⊙……线………………………………………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)/(:);(:);(:);(::)1517()(1212gmlVgmgmmlVVmmVwrwr每克水的体积密度测定仪的质量密度测定仪和水的质量容砂瓶体积其中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wV，其值见表17.30。表17.30不同温度下每克水的体积水温（℃）121416182022每克水体积（ml）1.000481.000731.001031.001381.001771.00221水温（℃）2426283032每克水体积（ml）1.002681.003201.003751.004351.00497按公式（17-16）计算标准砂的密度：测定仪和标准砂的质量标准砂的度式中:;::)1617(313mVmmsrs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）。第6页共25页铁道工程系……………………………………⊙……装…………………………⊙……订………………………⊙……线………………………………………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：量灌满漏斗所需标准砂质剩余砂和测定器质量式中:::)1717(54435mmmmm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5~2515020010025~502002503003)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：)(:)(::)1817(766537gmgmmmmm量灌满试坑所需标准砂质和剩余砂质量灌满试坑后测定测定仪式中5）按式(17-19)、（17-20）计算密度和干密度：)(::)1917(7gmmms试坑内土的质量式中第7页共25页铁道工程系……………………………………⊙……装…………………………⊙……订………………………⊙……线………………………………………)(::)2017()01.01(7gmwmmsd试坑内土的质量式中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第8页共25页铁道工程系……………………………………⊙……装…………………………⊙……订………………………⊙……线………………………………………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1.12～2.73g/cm3。准确度：含水量±0.004g/cm3；密度±0.004g/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