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摘要：比重瓶法测土粒比重中，关键在于土粒和水之间充分饱和。本文采取真空抽气法和煮沸法，对粉质黏土和砂土测量土粒比重值，再根据前人的经验值的判断，验证土粒比重值的有效性，比较两者得优劣。实验表明：相比煮沸法，真空抽气法下比重瓶内土水饱和更充分，表现出土粒比重结果相对偏低。煮沸法测得的土粒比重误差更小。
关键词：土粒比重；真空抽气法；煮沸法；塑性指数
The soil grain specific gravity test—Comparison of Vacuum pumping and boiling
Zeng Lifang. Yan changshun. Liu penghua
Shenzhen Geology & Construction Company Shenzhen Guangdong 518028
Abstract：In the proportion of soil grain measured by the specific gravity bottle method，the key lies in the full saturation between soil grain and water. In this paper，the vacuum extraction method and boiling method are used to measure the proportion value of soil grains on powder clay and sand. Then，according to the judgment of the previous experience value，it is worth verifying the proportion of soil grain to be effective and comparing the advantages and disadvantages of the two. Experiments show that：compared with the boiling method，the proportion of soil water saturation in the bottle under the vacuum extraction method is more sufficient，showing that the proportion of soil grain results are relatively low. The proportion error of soil grain measured by the vacuum extraction method is smaller.
Keywords：The proportion of soil grain；Vacuum pumping method；Boiling method；Plastic index
1．引言
土粒比重是土在105 ℃~110 ℃温度下烘至恒值时的质量与同体积4℃时纯水质量之比值，一般用Gs表示，是需要直接测量的土体的基本物理性指标之一，可用于计算孔隙比和土类评价。对于粒径小于5 mm的土样，采用比重瓶法测量[1-3]，浮称法和虹吸筒法分别适用于粒径大小5~20mm、20mm以上的土粒。
比重瓶法测土粒比重中，关键在于土粒和水之间充分饱和，排除土中的空气。目前土水饱和主要采取两种方式，真空抽气法和煮沸法。其中真空抽气法真空度应接近一个大气负压值（-98kpa），时间1~2h，，直至悬液内无气泡冒出。而煮沸法，煮沸时间自悬液沸腾起不应少于30分钟，且不得使土液溢出瓶外。为了更好地对比真空抽气法和煮沸法，本文分别用两种方法测得土粒比重，比较两者的优劣。
2．样品选择实验步骤
2.1 样品选择
由于一般土粒的比重用纯水测定，选择易溶盐、有机质含量极低的粉质黏土和砂土进行试验，砂土作为空白对照，其基本属性如表1。土粒比重试验前，试样需搅拌均匀，四分法取样。
表1 土样基本属性
Tab.1 The basic properties of the soil sample
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2.2实验仪器
100ml短颈比重瓶（比重瓶需校准）、真空抽气机（极限真空2 Pa）、万分之一天平（ATY224），恒温水浴槽（HHS-2S）、电磁炉（AE-1100P）、水银温度计（精确至0.1℃）、筛（孔径5mm）。
2.2土粒比重试验步骤
（1）比重瓶编号1，2，3，4，5，6等，洗净，烘干。称取粒径小于5mm的烘干土搅拌均匀后，取15g装入。
（2）真空抽气法或煮沸法抽去空气。其中煮沸法时，比重瓶内注入一半的纯水，避免煮沸时土水混合液溢出，煮沸时间自悬液沸腾起不应少于30min。真空抽气法时，将混有土水的比重瓶，打开瓶塞，进行真空抽气饱和，抽气时间1h以上，直到悬液内无气泡逸出。比重瓶1，2，3进行真空抽气法，4，5，6进行煮沸法测土粒比重。
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图1 真空抽气法和煮沸法测土粒比重
Fig.1 Measurement of specific gravity of soil particles by vacuum pumping method and boiling method
（3）充分饱和完毕后，注水至近满，放入恒温水槽内静置，待瓶内悬浮液温度稳定以及瓶上部悬液澄清。
（4）称量，塞好瓶塞，使得多余水分自瓶塞毛细血管中溢出，擦干瓶外水分后称量瓶、水、土总质量。注意，称量后需测定瓶内水的温度，温度计放入比重瓶中心位置，不能靠近瓶口或者瓶底。
（5）根据测得的温度，从校准的比重瓶内的温度与瓶、水总质量关系中查得瓶、水质量。
（6）按下列公式进行计算
（7）真空抽气法比重数据得出后静置24~48h后，待得比重瓶1，2，3中液体完全澄清后，用注射器吸去50ml纯水，放到微波炉下再次煮沸。而煮沸法比重瓶4，5，6，再次真空抽气测土粒比重。
GS =
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Gwt
式子中：
Mbw — 比重瓶、水总质量（g）；
Mbws — 比重瓶、水、干土总质量（g）；
Gwt — T℃时纯水的比重，准确至0.001。
3．土粒比重数据特征分析
根据比重瓶校准的温度与瓶、水质量关系曲线，查得瓶内纯水温度的瓶、水总质量（见图2）。
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图2 比重瓶温度与瓶、水质量关系曲线
Fig.2 Relationship curve between pycnometer
temperature and the quality of bottle and water
再查得该温度下的纯水密度与同体积4℃时纯水密度的比值[6]，计算出土粒比重，结果如表2。
由表2可知，砂土的比重结果真空抽气法和煮沸法差别不大，平均值为2.64，而一般砂土的土粒比重为2.65左右，说明试验具有一定的代表性。该粉质黏土土样真空抽气法下的土粒比重平均值为2.74，煮沸法土粒比重结果为2.77。可以看出真空抽气法下的土粒比重，比煮沸法下的比重值小0.03左右，由公式可知Mbw+Md-Mbws越大，其Gs比重值越小，说明真空抽气法下土、水饱和更彻底。另外，真空抽气法煮沸后的比重值基本没有变化，说明已经真空抽气下土水已经充分饱和。而煮沸法后再真空抽气后，比重值由2.76，2.79，2.76变化成2.76，2.76，2.75，差值达到0，0.03，0.01，再次表明煮沸法土、水饱和不充分，没有达到饱和要求。
表2 土粒比重数据
Tab.2 Soil grain gravity data
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在岩土试验工程土粒比重经验值的探讨中，冯秋恰等[4]和陈瑶平等[5]，通过塑性指数IP判断土粒比重，塑性指数IP在15.9~18.3时，土粒比重值在2.74左右，其值与真空抽气法非常接近。由于土的成分十分复杂，颗粒粒径对土粒比重结果也存在影响，一般细粒土含量越高，土粒比重越大。该土样可能细粒含量较多，煮沸法中土水饱和不彻底，导致其土粒比重值偏高。
4. 结论与建议
本文利用真空抽气法和煮沸法测得土粒比重对比发现：
1. 相比煮沸法，真空抽气法下比重瓶内土水饱和更彻底，表现出土粒比重结果值较低。
2. 根据土粒比重结果，和液塑限指数经验估算土粒比重。可知，相比煮沸法，真空抽气法测得的土粒比重误差更小。
建议一般情况下采取真空抽气法测土粒比重，若条件不够采取煮沸法，延长煮沸时长或者煮沸后静置更长时间，使土水充分饱和，有助于减小土粒比重测量误差。
参考文献：
[1]中华人民共和国建设部．GB/T50123-2019土工试验方法标准[S]．北京：中国计划出版社，2019：22-26．
[2]交通部公路科学研究院. 公路土工试验规程：JTG E3430-2020 [M]. 人民交通出版社，2020：46-49.
[3]中华人民共和国铁道部发布. 中华人民共和国行业标准．铁路工程土工试验规程[M]. 中国铁道出版社，2011.
[4]冯秋洽，张怀光. 对岩土试验工程中土粒比重经验值的探讨[J]. 河南水利，2006，09：120-120.
[5]陈瑶平. 桂林地区常见土类土粒比重经验值[J]. 桂林工学院学报，2005.
[6]周湄生. 最新温标纯水密度表[J]. 计量技术，2000，000（003）：40-42.
作者简介：
曾利芳（1973-），广东兴宁人，本科学历，从事地质测试、土工试验检测等。