砂相对密度试验方法的改进_范孟华.pdf

第 26 卷第 5 期 2007 年 10 月 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 26，No． 5 October， 2007 文章编号 0254 －5357 2007 05 －0428 －03 砂相对密度试验方法的改进 范孟华，孔德志 河南大学土木建筑学院，河南 开封475001 摘要 改进了砂相对密度的试验方法。对最小干密度试验， 改进了试验装置以简化操作手续; 调整了试验步 骤以减小测量误差; 推荐只使用量筒倒转法测量， 用量筒倾斜法整平砂面; 研究了最佳取样量和量筒倒转次数。 对最大干密度试验， 建议采用电动相对密度仪; 每层试样宜振击 15 min; 推荐只使用小号的金属圆筒。 关键词 砂; 相对密度; 试验方法; 改进 中图分类号 TU414文献标识码 B 收稿日期 2006- 08- 26; 修订日期 2006- 12- 18 基金项目 河南大学第三批教学改革研究项目资助 BX －0311 作者简介 范孟华 1972- ， 男， 山东夏津县人， 讲师， 在读硕士研究生， 主要从事岩土工程方面的教学和研究工作。 E- mail fmh henu． edu． cn。 Improvements on for Relative Density of Sand Experiments FAN Meng- hua，KONG De- zhi Department of Civil Engineering ＆ Architecture，Henan University，Kaifeng475001，China Abstract The paper introduces improvements on for relative density of sand experiments． For the minimum dry density test of sand，test devices are improved to simplify the procedures and the test steps are adjusted to reduce the measurement error． The reverse graduated cylinder and the tilting graduated cylinder are recommended as the best s for minimum dry density test and for leveling sand surface respectively． The optimum sampling quantity and the times of reversing graduated cylinder are studied． For the maximum dry density test，the use of electrically operated relative density instrument，small metal cylinder and 15 min vibration time for each layer of specimen are proposed． Key words sand; relative density; testing ; improvement 相对密度是反映无黏性土紧密程度的指标 ［1 ］， 只要测 出砂的最大干密度和最小干密度及天然干密度， 即可得出 砂的相对密度 。土工试验方法标准 ［2 ］ 以下简称标 准 规定 砂的最小干密度试验宜采用漏斗法和量筒法; 砂的最大干密度试验采用振动锤击法。通过长期的土工试 验教学实践， 作者认为在测试砂的最大干密度和最小干密 度时 ， 标准 ［2 ］规定的试验方法有不足之处， 如操作手续 较繁琐、 量筒倒转次数未作明确说明、 停止振击标准不易执 行等。在实践基础上， 本文对 标准 方法提出了一些改进。 1砂最小干密度试验的改进 1． 1改进试验装置， 简化操作手续 标准 介绍的操作步骤只由一人很难完成最小干密 度试验。在向量筒内倒入土样时， 需要一人用一只手拿着 锥形塞的杆端， 另一只手拿着长颈漏斗， 还需要另外一人向 长颈漏斗内倒入土样， 即做此试验至少需要两人; 同时两人 需要配合默契， 在土样倒入漏斗时， 要将漏斗和锥形塞杆同 时提高， 移动塞杆， 使锥体略离开管口， 管口应经常保持高 出砂面1 ～2 cm， 使试样缓慢且均匀地分布落入量筒中。 作者将漏斗仓容积扩大; 并对锥形塞杆做了改进。 具体改进方法 先将锥形塞 底径 1． 5 cm 的杆端一定范围 内制作出外螺纹， 再将锥形塞杆 直径 0． 3 cm 自长颈漏斗 下口 内径 1． 2 cm 穿入， 并向上提起， 在带有外螺纹的锥 形塞杆端套上一事先制作好的中间有内螺纹的铁杆 图 1 ， 其铁杆总长要大于长颈漏斗上口的最大直径。旋 转此后加铁杆使其上下升降， 一直调整到使锥形塞底部和 漏斗管口之间的间距为 15 mm 左右即可。 另外还设计了漏斗上提装置 图 2 ， 连接 2 个滑轮的 一根细线， 其一端固定在长颈漏斗上， 另一端固定在底座的 小辘轳上。试验时将连接好后加铁杆的长颈漏斗放入 1000 mL量筒内， 称取约 700 g 土样倒入漏斗仓内， 缓缓转 动小辘轳的手柄， 慢慢提起长颈漏斗及锥形塞， 锥体会略离 开管口以使土样缓慢且均匀地分布落入量筒中。操作者只 需一手转动手柄， 同时注意观察量筒内砂面， 使管口经常保 持高出砂面 1 ～2 cm 即可。这样一人即可完成此试验， 简 化了操作手续， 提高了工作效率。 824 ChaoXing 图 1改进后的长颈漏斗和锥形塞 Fig．1Ameliorated long- neck funnel and taper cork 图 2改进后的仪器 Fig． 2Ameliorated instrument 1． 2改进试验步骤， 减小测量误差 标准 ［2 ］规定的试验操作中， 先称取烘干的代表性试 样 700 g， 然后均匀缓慢地倒入漏斗中。作者认为， 先称量 后倒入的次序不太合理， 在称量及倒入土样过程中可能存 在土样的流失， 导致最终进入到量筒里的土样质量不足 700 g， 从而带来测量误差， 故建议改为先倒入土样后称量 的方法。具体操作步骤 先称取量筒的质量， 再取烘干的代 表性试样约 700 g， 然后均匀缓慢地倒入漏斗中， 倒完后将 装有干砂的量筒轻轻地放在电子天平上称出其总质量， 用 总质量减去量筒的质量即为装入砂土的质量。为了避免对 量筒内干砂的密实度造成扰动， 在称取总质量时一定注意 要轻拿轻放; 为便于称量及加快试验速度， 建议使用电子天 平 称量 5100 g， 最小分度值 0． 1 g 。标准 规定， 若试样 中不含大于 2 mm 的颗粒时可用容积为 500 mL 和 1000 mL 两种规格的量筒， 后者内径应大于 60 mm。为了减少试验 所用仪器设备的种类和数量， 本文建议只用 1000 mL 的量 筒， 相应的砂面拂平器也改为一种。 1． 3建议使用量筒倒转法测量 目前国际上对砂的最大孔隙比即最小干密度的测定一 般用漏斗法， 但是作者通过对比试验认为， 用漏斗法测定的 最小干密度的结果较测量筒倒转法大， 而二者的平均偏差 1 n ∑|x － 珋x| 则相差不大 表 1 。用量筒倒转法时， 采用 慢速倒转， 虽然细颗粒下落慢， 粗颗粒下落快， 粗细颗粒稍 有分离现象， 但能达到较松的状态; 且该方法简便易行， 故 本文推荐使用量筒倒转法测定砂的最小干密度。对量筒倒 转次数 标准 ［2 ］并没有明确规定， 由表 2 可知， 最小干密 度出现在前 6 次以内， 故本文建议倒转 6 次; 对漏斗法， 建 议重复测试 5 次 表 3 。 表 1漏斗法与量筒倒转法测定砂最小干密度对比 Table 1Comparison of sand minimum dry density measured with funnel and reversing graduated measuring cylinder s m试样/g 测试 方法 最小干密度ρB/ gcm－3 分次测试值平均值 平均偏差 土样 1 量筒法 1． 46 1． 46 1． 47 1． 48 1． 47 1． 48 1． 46 1． 46 1． 47 1． 461． 4670． 0064 漏斗法 1． 49 1． 48 1． 50 1． 49 1． 48 1． 49 1． 49 1． 51 1． 49 1． 491． 4910． 0056 土样 2 量筒法 1． 46 1． 47 1． 44 1． 44 1． 46 1． 44 1． 46 1． 47 1． 46 1． 471． 4570． 0102 漏斗法 1． 52 1． 51 1． 52 1． 54 1． 52 1． 51 1． 51 1． 51 1． 54 1． 541． 5220． 0108 土样 3 量筒法 1． 48 1． 47 1． 49 1． 48 1． 48 1． 47 1． 47 1． 47 1． 48 1． 481． 4770． 0056 漏斗法 1． 48 1． 47 1． 49 1． 49 1． 47 1． 48 1． 48 1． 48 1． 48 1． 491． 4810． 0054 土样 4 量筒法 1． 46 1． 46 1． 47 1． 46 1． 46 1． 48 1． 48 1． 47 1． 46 1． 461． 4660． 0072 漏斗法 1． 49 1． 48 1． 49 1． 50 1． 49 1． 51 1． 49 1． 48 1． 49 1． 491． 4910． 0056 土样 5 量筒法 1． 43 1． 44 1． 44 1． 41 1． 44 1． 44 1． 44 1． 44 1． 43 1． 431． 4340． 0072 漏斗法 1． 49 1． 52 1． 51 1． 52 1． 47 1． 51 1． 52 1． 49 1． 51 1． 521． 5060． 0136 土样 6 量筒法 1． 53 1． 52 1． 53 1． 53 1． 54 1． 50 1． 52 1． 54 1． 52 1． 511． 5240． 0100 漏斗法 1． 59 1． 57 1． 59 1． 58 1． 57 1． 59 1． 57 1． 57 1． 59 1． 581． 5800． 0080 土样 7 量筒法 1． 49 1． 54 1． 52 1． 52 1． 49 1． 49 1． 49 1． 52 1． 52 1． 491． 5070． 0170 漏斗法 1． 49 1． 51 1． 52 1． 49 1． 49 1． 52 1． 51 1． 52 1． 49 1． 511． 5050． 0120 表 2量筒倒转法测量砂最小干密度与试验次序的关系 Table 2Relationship between minimum dry density of sand measured with reversing graduated measuring cylinder and experimental sequence 最小干密度ρ/ gcm －3 分次测试值最小值 最小值最先出 现在第几次 1． 46 1． 46 1． 47 1． 48 1． 47 1． 48 1． 46 1． 46 1． 47 1． 461． 461 1． 48 1． 47 1． 49 1． 48 1． 48 1． 47 1． 47 1． 47 1． 48 1． 481． 472 1． 46 1． 46 1． 47 1． 46 1． 46 1． 48 1． 48 1． 47 1． 46 1． 461． 461 1． 43 1． 44 1． 44 1． 41 1． 44 1． 44 1． 44 1． 44 1． 43 1． 431． 414 1． 53 1． 52 1． 53 1． 53 1． 54 1． 50 1． 52 1． 54 1． 52 1． 511． 506 1． 46 1． 47 1． 48 1． 47 1． 47 1． 49 1． 50 1． 47 1． 49 1． 471． 461 1． 46 1． 47 1． 44 1． 44 1． 46 1． 44 1． 46 1． 47 1． 46 1． 471． 443 1． 49 1． 54 1． 52 1． 52 1． 49 1． 49 1． 49 1． 52 1． 52 1． 491． 491 表 3漏斗法测量砂最小干密度与试验次序的关系 Table 3Relationship between minimum dry density of sand measured by funnel and experimental sequence 最小干密度ρ/ gcm －3 分次测试值最小值 最小值最先出 现在第几次 1． 49 1． 48 1． 50 1． 49 1． 48 1． 49 1． 49 1． 51 1． 49 1． 491． 482 1． 48 1． 47 1． 49 1． 49 1． 47 1． 48 1． 48 1． 48 1． 48 1． 491． 472 1． 49 1． 48 1． 49 1． 50 1． 49 1． 51 1． 49 1． 48 1． 49 1． 491． 482 1． 49 1． 52 1． 51 1． 52 1． 47 1． 51 1． 52 1． 49 1． 51 1． 521． 475 1． 59 1． 57 1． 59 1． 58 1． 57 1． 59 1． 57 1． 57 1． 59 1． 581． 572 1． 52 1． 51 1． 52 1． 54 1． 52 1． 51 1． 51 1． 51 1． 54 1． 541． 512 1． 49 1． 51 1． 52 1． 49 1． 49 1． 52 1． 51 1． 52 1． 49 1． 511． 491 1． 4建议用量筒倾斜法整平砂面 用砂面拂平器将砂面拂平、 测记试样体积时， 由于砂面 拂平器和量筒内壁之间存在间隙， 故拂平后的砂面边缘处 存在 “凹面” ， 给准确测读土样体积带来了困难。本文建议 不用拂平器拂平砂面， 而是将量筒轻轻拿起后， 缓慢地向砂 面较低方向稍作倾斜后即可使砂面平整。 2砂的最大干密度试验的改进 电动相对密度仪 南京土壤仪器厂 自动化程度较高， 安装好土样筒， 并设定好振动锤击时间之后即可开始振击， 到设定时间后自动停止， 操作非常方便。相比较而言， 手动 924 第 5 期范孟华等 砂相对密度试验方法的改进第 26 卷 ChaoXing 相对密度仪的振击频率很难控制。 标准 ［2 ］规定的停止振击标准为 “直至试样体积不变 为止” ， 此规定较为模糊且不易执行。因为土样是分 3 次倒 入金属圆筒进行振击的， 在振击的过程中很难确定土样体积 是否还在发生改变。根据作者的测试结果 图 3 ， 击振 15 min 以后， 砂的最大干密度趋于稳定， 故采用振击时间控制土 样体积较为适用。本文推荐每层试样宜振击15 min。 图 3不同击实时间下的砂最大干密度 Fig．3Maximum dry density of sand at different hitting time 标准 ［2 ］规定用振动锤击法测定砂的最大干密度时， 需尽量避免由于振击功能不同而产生的人为误差。同时 标准 ［2 ］又规定振动叉以每分钟往返 150 ～ 200 次的速度 敲打圆筒两侧， 并在同一时间内用击锤锤击试样表面， 每分 钟 30 ～60 次。当采用振击时间控制土样体积后， 由于标 准 ［2 ］规定的振击频率范围较大， 还是会导致由于振击功 能不同而产生的人为误差， 故作者建议对振动叉和击锤锤 击频率应作统一规定。本试验推荐使用小号的金属圆筒 容积250 mL， 内径5 cm ， 主要是考虑与击锤配套 锤质量 1． 25 kg、 落高15 cm、 锤直径5 cm ， 锤直径和金属圆筒内径 相同， 在振击过程中是全截面振击， 而不用逐点振击。 3讨论 3． 1使用量筒倒转法测量时的最佳取样量 由图 4 可知， 用 1000 mL 的量筒测量时， 砂最小干密度 与取样量关系曲线大致出现了 3 个波谷， 第一个在400 ～ 500 g， 第二个在 700 ～800 g， 第三个在 1000 ～1100 g; 且第 二个波谷对应的最小干密度值较小， 考虑到 标准 ［2 ］规定 的取样量为 700 g， 故建议最佳取样量为 700 g。同理， 用 500 mL 的量筒测量时， 砂最小干密度与取样量关系曲线大 致出现了 2 个波谷， 第一个在 300 g 左右， 第二个不是很明 显， 在 500 ～600 g; 且第一个波谷对应的最小干密度值最 小， 故建议最佳取样量为 300 g。 3． 2土样湿度对试验结果的影响 制订原 土工试验方法标准 89 标准 时， 有关专家曾 分别进行了干法和湿法最大干密度试验 锤击法 ， 试验结 果表明干法所测得的砂最大干密度最大 ［2 ］， 考虑到便于统 一土样干湿标准和现行 标准 ［2 ］的规定， 建议仍以烘干土 样采用振动锤击法为准。 3． 3试验方法改进后对试验结果的影响 如前所述， 用漏斗法测定的砂最小干密度较量筒倒转 法大 ， 标准 ［2 ］规定取上述两种方法测得的较大体积值计 算最小干密度， 故最终试验结果应为量筒倒转法的测定结 果， 因此采用量筒倒转法和采用现行 标准 ［2 ］测定砂的最 小干密度， 测试结果并没有发生变化。 图 4量筒法测量的砂最大干密度与取样量关系 Fig．4Relationship between maximum dry density of sand measured with measuring cylinder and sample quantity 用作者设计的漏斗提升装置用漏斗法测定砂的最小干 密度， 简化了操作手续， 且对试验结果并无明显影响。 标准 ［2 ］规定先称量后倒入， 在称量及倒入土样过程 中可能存在土样的流失， 从而带来测量误差; 由于目前 500 mL 和 1000 mL 量筒的刻度精度为 10 mL， 在测试土样体积 时 ， 标准 ［2 ］规定估读至 5 mL。此估读精度较粗， 极少量 散失土样对试验结果基本无影响。据经验， 只有散失 7 g 砂最小干密度取 1． 4 g/cm3， 5 mL 1． 4 g/cm37 g 以上 时才会对试验结果产生影响。建议提高量筒的刻度划分精 度至 5 mL， 在测试土样体积时可估读至 2． 5 mL。这样当散 失量超过 3． 5 g 2． 5 mL 1． 4 g/cm33． 5 g 时， 就会对试 验结果产生影响。 3． 4存在问题 作者没有测定不同湿度土样对试验结果的影响; 限于 设备条件， 也没有用振动台和改进后的振击法进行对比试 验; 级配对试验结果的影响也没有探索， 这是本改进方法仍 需完善之处。 4结语 改进后的仪器和方法适用于用1000 mL 的量筒、 采用量 筒倒转法测定砂的最小干密度; 若用漏斗法， 建议使用作者 设计的漏斗提升装置。对砂最大干密度试验， 可采用小号金 属圆筒， 用电动相对密度仪， 每层试样击实15 ～20 min。 需要注意的是， 砂的相对密度试验适用于粒径不大于 5 mm 的土， 且粒径 2 ～ 5 mm 的试样量不大于试样总量的 15。该试验必须进行两次平行测定， 两次测量的密度差值 不得大于0．03 g/cm3， 取两次测量结果的平均值。 5参考文献 ［ 1］GB/T 5027998， 岩土工程基本术语标准［ S］． ［ 2］GB/T 501231999， 土工试验方法标准［S］ ． 034 第 5 期 岩矿测试 http ∥ykcs． i3t． com． cn/ 第 26 卷 ChaoXing