测量珊瑚沙土孔隙率的方法及湿密度测定

孔隙率是珊瑚沙土一项重要的物理性质指标。在土力学中，土壤的物理指标分为两类：一类为直接指标，需要通过试验测定，如含水率、密度和土的相对密度；另一类为间接指标，由直接指标换算得到，如孔隙率、空隙比等。

下面介绍一种将实验室试验与现场实验相结合的测量孔隙率的方法。基本思路是：取一定体积V的珊瑚生物碎屑沉积土，其质量为m，计算湿密度ρ；在实验室内测量含水率w，计算干密度ρd；测量珊瑚生物碎屑沉积土的相对密度Gs，求得沙粒密度ρs，计算孔隙率n。各相关物理量的含义如图3.2所示。图3.2中，m表示质量，V表示体积，下标s、w、a及v分别表示沙粒、水、空气和孔隙。

图3.2　土的三相图

（1）湿密度ρ的确定

湿密度ρ可用两种方法测定：环刀法和灌沙法。

1）环刀法

环刀法就是采用一定容积V的环刀取土，获得土样的体积V与质量m。我国常用环刀规格见表3.2。取土前，先在珊瑚岛上选好取样点，清除地表浮土、杂物及不平整部分；擦净环刀，称量环刀质量，记为m1；刀刃向下，铅直放在平整后的土面上，将环刀压入珊瑚生物碎屑沉积土层中，至土样上端伸出环刀为止；用镐将环刀连同刀内土样一并挖出，用修土刀从环刀边缘至中央削去环刀两端余土，直至修平为止；称量环刀与土样的质量，记为m2，扣除环刀质量，即得湿土质量m，进而求得湿密度ρ，即

式中　ρ——湿密度，g/cm3；

　　　m——湿土质量，g；

　　　V——土样体积，cm3；

　　　m1——环刀质量，g；

　　　m2——环刀与土样的质量，g。

表3.2　环刀规格与材质

测量湿密度ρ后，环刀内质量为m的湿土样应予以保留，用以测量含水率w。

2）灌沙法

图3.3　密度测定器

1—底盘；2—灌沙漏斗；3—螺纹接头；4—容沙瓶；5—阀门

灌沙法是在现场挖坑取土后灌入已知密度的标准沙，通过标准沙用量来计算坑的容积V，由称量容积V中取得的土样质量m，求得湿密度ρ。这种测定土壤密度的方法，特别适合现场测定未固结珊瑚沙土的密度。该法需要密度测定器，仪器由容沙瓶、灌沙漏斗和底盘组成，如图3.3所示。灌沙漏斗高135 mm、直径165 mm，尾部有孔径为13 mm的圆柱形阀门，容沙瓶容积约为4 L。容沙瓶和灌沙漏斗间由螺纹接头连接，底盘用以承托灌沙漏斗和容沙瓶。试验时，先标定标准沙的密度：选用粒径为0.25～0.50 mm的标准沙，清洗干净后，置于阴凉通风处，放置足够长的时间，使其与空气湿度到达平衡；然后，按图3.3将容沙瓶和灌沙漏斗组装成密度测定器，称量装置的质量mr1；使密度测定器竖直，灌沙漏斗开口向上，关闭灌沙漏斗尾部的阀门，向灌沙漏斗注满标准沙；再开启阀门，使沙漏入容沙瓶，同时继续向灌沙漏斗注入标准沙，并漏入容沙瓶；当标准沙停止流动时，关闭阀门，倒去漏斗内余沙，称量容沙瓶、灌沙漏斗与容沙瓶内标准沙的总质量mrs。之后，开启阀门，倒出容沙瓶内标准沙；将密度测定器竖直，灌沙漏斗开口向上，通过灌沙漏斗向容沙瓶注水，至水面高出阀门后关闭阀门，倒出漏斗内余水，称量容沙瓶、瓶内容水和漏斗的总质量mr2；扣除容沙瓶和漏斗质量mr1，得到容沙瓶内水的质量；测量水温t℃；由水温对应的水密度ρwr和容沙瓶容纳水的质量，可求得容沙瓶容积Vr和标准沙的密度ρrs，即

式中　Vr——容沙瓶容积，mL；

　　　mr2——容沙瓶、水和灌沙漏斗的总质量，g；

　　　mr1——容沙瓶和灌沙漏斗的质量，g；

　　　ρwr——水温t℃时水的密度，g/cm3；

　　　ρrs——标准沙的密度，g/cm3；

　　　mrs——容沙瓶、灌沙漏斗与标准沙的总质量，g/cm3。

以上工作一般在实验室内完成，然后到珊瑚岛现场，选定试坑的位置，清除地表浮土、杂物及不平整部分，确保地表水平。根据珊瑚沙粒最大粒径确定试坑尺寸，对于最大粒径为5～20 mm的珊瑚沙土，试坑尺寸为直径150 mm，深度200 mm；若最大粒径达40 mm，则试坑尺寸可大些，取直径200 mm，深度250 mm。按确定的试坑直径，在平整后的地表画出圆形坑口轮廓线，在轮廓线内挖坑至要求的深度，称量挖出的样土，质量记为mp；接着通过密度测定器灌沙漏斗向容沙瓶灌满标准沙，关闭阀门，倒去漏斗内余沙，称量灌沙漏斗、容沙瓶及瓶内标准沙的总质量，记为ms1；再将密度测量器放置于试坑上，使灌沙漏斗对准试坑口，开启阀门，让容沙瓶内的标准沙缓缓注入坑内。当沙注满坑时，迅速关闭阀门，取走测量器，称量灌沙漏斗、容沙瓶及瓶内余沙的总质量，记为ms2。由下式计算注满试坑所用标准沙的质量ms和珊瑚沙土湿密度ρ，即

式中　ms——注满试坑所用标准沙的质量，g；

　　　ms1——灌沙漏斗、容沙瓶及瓶内装满标准沙的总质量，g；

　　　ms2——灌沙漏斗、容沙瓶及瓶内余沙的总质量，g；

　　　ρ——珊瑚沙土湿密度，g/cm3；

　　　mp——试坑内挖出的样土质量，g；

　　　ρrs——标准沙的密度，g/cm3。(www.xing528.com)

需要指出，用灌沙法测定湿密度时，要尽量避免震动。特别在灌沙的过程中，不能有震动，以免影响密度的测量；从试坑中挖出的质量为mp的珊瑚砂土样也应保留，用以测量含水率w。

（2）含水率w和干密度ρd的确定

含水率的测定常用烘干法和酒精燃烧法，烘干法更具代表性，下面介绍烘干法测量含水率w：

测量湿密度后，取略大于50 g的珊瑚沙土，放入称量盒内，盖上盒盖，称量盒加湿土的质量，记为m1。打开盒盖，将盒与盛装的沙土试样一并放入烘箱内，在温度105～110℃下烘干6～8 h至恒重；取出加盖，放入干燥器内冷却至室温后取出，称量盒加干土的质量，记为m2。将盒内土样取出，擦净壁面，加盖称量，质量记为m0。含水率w按下式计算：

式中　w——含水率，无量纲；

　　　m1——盒加湿土的质量，g；

　　　m2——盒加干土的质量，g；

　　　m0——空盒（加盖）的质量，g。

由珊瑚沙土的含水率w可计算干密度ρd，即

式中　ρd——干密度，g/cm3；

　　　ρ——用环刀法或灌沙法求得的珊瑚沙土湿密度，g/cm3。

（3）珊瑚沙粒相对密度Gs的测定

珊瑚沙粒相对密度Gs是指沙粒质量ms与同体积4℃纯水质量的比。在过去的书籍和文献中，曾把土粒的相对密度称为比重。珊瑚沙粒相对密度Gs是珊瑚沙土基本的物理指标之一，是计算孔隙率、孔隙比等的重要物理参数。

根据土工试验规范，对于粒径小于5 mm的土，用密度瓶法测定相对密度。珊瑚沙土粒径一般在这一范围内，因此以下介绍密度瓶法。

密度瓶法的基本原理是将一定质量的干土放入已知质量的盛满水的密度瓶中，称量加土前后密度瓶加水和密度瓶加水加干土的质量，以两者的质量差计算土粒的体积，进而求出土粒的相对密度。

由于密度瓶玻璃在不同温度时会发生胀缩，水的密度也会随温度变化，因此在正式测量土粒相对密度时，要先对密度瓶进行校准，求出密度瓶校准曲线。校准方法如下：

图3.4　密度瓶校准曲线

先将密度瓶洗净，烘干，称量其质量；再将事先煮沸并冷却的纯水注满密度瓶（短颈密度瓶），塞紧瓶塞，让多余的水从瓶塞毛细管中溢出；将密度瓶放入恒温水槽，待瓶内水温稳定后将瓶取出，擦干外壁的水，称瓶与水的总质量；将恒温水槽水温以5℃的级差进行调节，测定不同温度时瓶与水的总质量，将测定结果以瓶与水总质量为横坐标，温度为纵坐标，绘制瓶与水总质量对温度的关系曲线。此即为密度瓶校准曲线，如图3.4所示。

绘制密度瓶校准曲线后，就可进行珊瑚沙土相对密度的测定。方法和步骤如下：

取100 mL密度瓶，烘干，装入15 g烘干的珊瑚沙土，称量沙土与密度瓶的总质量；为排除土中的空气，将纯水注入装有沙土的密度瓶内至瓶的1/2处，摇动密度瓶，并置瓶于沙浴上，将悬浊液煮沸，煮沸时间自沸腾时算起不应少于30 min。煮沸时应注意不使沙土液溢出瓶外；将纯水注入密度瓶至近满瓶（有恒温水槽时，可将比重瓶放于恒温水槽内），待瓶内悬浊液温度稳定及瓶上部悬浊液澄清；塞好密度瓶，使多余水分自瓶塞毛细管中溢出，将瓶外水分擦干，称量瓶、水和土的总质量。称量后，立即测出瓶内水的温度；根据测得的温度从已绘制的密度瓶校准曲线中查得瓶和水总质量。试验过程中，称量应准确至0.001 g；然后，按下式计算珊瑚沙粒的相对密度，即

式中　Gs——珊瑚沙粒相对密度，无量纲；

　　　mbs——密度瓶、珊瑚沙土总质量，g；

　　　mb——密度瓶质量，g；

　　　mbw——密度瓶、水总质量，g；

　　　mbws——密度瓶、水、珊瑚沙土总质量，g；

　　　Gwt——t℃时纯水的相对密度（可查物理手册），精确至0.001。

（4）孔隙率n的确定

由于在数值上，珊瑚沙粒相对密度与其密度相等，因此测得土粒相对密度Gs后，即可得到珊瑚沙粒的密度ρs。ρs的值取Gs的值，单位为g/cm3。由此可确定珊瑚沙土的孔隙率n和孔隙比e，即

式中　n——孔隙率，无量纲；

　　　ρd——珊瑚沙土干密度，g/cm3；

　　　ρs——珊瑚沙粒的密度，g/cm3；

　　　e——空隙比，无量纲。