w>40
砂类土、有机质土、粘性土
0.5
1.0
2.0
碎石土
1.0
2.0
5）按下式计算试样的含水率（计算至0.1%）：
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。
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。
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。
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
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
，其值见表17.30。
表17.30不同温度下每克水的体积
水温（℃）
12
14
16
18
20
22
每克水体积（ml）
1.00048
1.00073
1.00103
1.00138
1.00177
1.00221
水温（℃）
24
26
28
30
32
每克水体积（ml）
1.00268
1.00320
1.00375
1.00435
1.00497
按公式（17-16）计算标准砂的密度：
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）。
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：
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
5~25
150
200
100
25~50
200
250
300
3）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：
5）按式（17-19）、（17-20）计算密度和干密度：
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
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，必要时可用少量细粉颗粒铺平，然后用导板或钻杆造孔。
孔深必须大于测试深度，孔应垂直，孔壁光滑，不得坍塌。
4）按规定方法将仪器就位，并将放射源定位到预定的测试深度，按下启动键开始测试，操作人员退到离仪器2m以外的区域。
5）当仪器发出结束信号后，储存或记录检测结果，并将放射源退回到安全位置。
6）试验误差应满足以下规定要求
本试验在同一测点，仪器在初始位置进行第一次读数，然后将仪器绕测孔旋转180º进行第二次读数，含水量及密度应分别取两次读数的平均值。
其含水率的允许平行差值应符合本章第四节表17.4的规定；密度的平行差值不应大于0.03g/cm3。
如果两次测定的平行差值（含水率或密度）超过允许差值，则应将仪器再绕测孔旋转到90º和270º的位置进行两次读数，取其四次读数的算术平均值。
7）干密度和含水率按公式（17-21）和（17-22）计算：
①干密度
②含水率：
17.6颗粒密度试验
17.6.1试验目的和方法
土的颗粒密度是指土体内固体颗粒的质量与颗粒体积之比值，单位g/cm3。
粒径大于5mm的砾石、碎（卵）石等粗颗粒，因颗粒间存在空隙。
空隙又分封闭的与开敞的两部分，当浸水时，开敞部分为水所填充，封闭部分则不能浸入。
因此，粗颗粒土颗粒密度通常以下列三种方法表示：
视密度（也称表观密度）：
土粒干质量与土粒实体积（包括固体颗粒和封闭空隙体积）的比值。
它与细粒土的颗粒密度在实用上是一致的，因为一般指的空隙，事实上是指能被水充填的空隙。
通常情况下，粗粒土的颗粒密度就是指视密度。
毛体积密度：
土粒干质量与土粒总体积（包括固体颗粒、封闭空隙和开敞空隙全部体积）的比值。
饱和面干密度（简称表干密度）：
当土粒呈饱和面干状态时的土粒总质量与土粒总体积的比值。
颗粒密度是计算孔隙比、孔隙度、饱和度等指标的重要数据。
毛体积密度用于击实试验中对超粒径（≥5mm或≥20mm或≥40mm颗粒在5～30%）土的最大干密度校正及计算粗颗粒填料压实后的孔隙率。
土的颗粒密度试验按土粒的不同粒径可分别采用：
1）量瓶法：
适用于粒径小于5mm的土；
2）浮称法：
适用于粒径等于或大于5mm的土，且其中粒径大于20mm的土质量应小于土总体质量的10%。
3）虹吸管法：
适用于粒径等于或大于5mm的土，且其中粒径大于20mm的土质量应等于、大于土总体质量的10%。
4）如果土含有小于和大于5mm的颗粒，则应分别用量瓶法和浮称法或虹吸筒法测定不同粒径的颗粒密度，并按公式（17-23）计算土的平均颗粒密度：
17.6.2量瓶法
17.6.2.1试验所需主要仪器设备和器具
1）量瓶：
容积100（或50）ml；
2）天平：
称量200g，分度值0.001g；
3）恒温水槽：
准确度±1.0℃；
4）砂浴：
应能调节温度；
5）温度计：
测量范围0℃～50℃，分度值0.5℃；
6）真空抽气设备；
7）其他：
烘箱、纯水或中性液体（煤油）等。
17.6.2.2量瓶校正
1）将量瓶洗净，烘干后称其质量，准确至0.001g。
2）将煮沸经冷却的纯水（或抽气后的煤油）注入量瓶，对长颈量瓶注水（油）至刻度处，对短颈量瓶注水（油）至毛细管口。
将量瓶放入恒温水槽直至瓶内水（油）温度稳定。
取出量瓶，擦净外壁，称瓶、水（油）总质量，准确至0.001g。
测定恒温水槽内水温，准确至0.5℃。
3）按5℃间隔调节恒温水槽内水的温度，测定不同温度下的瓶、水（油）总质量。
每个温度需进行两次测定，平行差值不大于0.002g，取两次测值的平均值。
绘制温度与瓶、水（油）总质量的关系曲线，如图17.4所示。
图17.4温度和瓶、水质量关系曲线
17.6.2.3试验要点
1）在烘干的100ml量瓶内装入试样15g（50ml量瓶装10g），称量瓶和试样质量，准确至0.001g。
2）向已装有试样的量瓶内注入半瓶纯水，摇动量瓶，并放在砂浴上煮沸，煮沸时间：
砂性土不少于30min，粘性土不少于60min。
煮沸后为防止瓶内悬液溢出，应随时注意调节砂浴温度。
3）将煮沸并冷却的纯水注入装有试样悬液的量瓶（液面高度与量瓶校正时相同），并放置于恒温水槽内，直至温度稳定，瓶内悬液上部澄清，取出量瓶，擦净外壁，称量瓶、水、试样总质量，准确至0.001g。
测定量瓶内的水温，准确至0.5℃。
4）根据测得的温度，从已绘制的“温度与量瓶和水总质量关系曲线”中查得量瓶和水的总质量。
5）如试样含有可溶盐、亲水性胶体或有机质，需用抽气法以中性液体（如煤油）为介质进行测定。
抽气时真空压力表读数须接近100kPa，抽气时间1～2h。
6）按公式（17-24）计算颗粒密度：
17.6.3浮称法
17.6.3.1试验所需主要仪器设备和器具
1）铁丝框：
孔径小于5mm，边长10～15cm，高10～20cm；
2）天平：
称量2000g，分度值0.2g；
3）盛水容器：
尺寸应能适合铁丝框沉入；
4）其他：
烘箱、温度计、孔径5及20mm筛等。
17.6.3.2试验要点
1）选取有代表性的试样500～1000g清洗干净，浸入水中24h后取出，将试样放在湿毛巾上擦干表面，即得饱和面干试样，称其质量（mb）。
2）将铁丝框浸入水中，称铁丝框在水中的质量（m1），如图17.5所示。
图17.5浮称天平
3）将已知质量的饱和面干试样全部放入铁丝框中，缓缓浸没于水中，并在水中摇晃至无泡溢出为止，称铁丝框和试样在水中的总质量（m2），测定盛水容器内水温，准确至0.5℃。
4）取出铁丝框中的全部试样烘干，并称烘干试样质量（md）。
5）按公式（17-25）、（17-26）、（17-27）和（17-28）计算颗粒密度（
）毛体积密度（
）饱和面干密度（
）和吸着含水率（
）。
17.6.4虹吸管法
17.6.4.1试验所需主要仪器设备和器具
1）虹吸筒：
见图17.6。
图17.6虹吸筒示意图（单位：
cm）
2）台秤：
称量10kg，分度值1g。
3）量筒：
容积2000ml。
4）其他：
同浮称法。
17.6.4.2试验要点
1）取粒径大于5mm具代表性的试样1～7kg彻底冲冼干净，浸泡24h后取出，用湿毛巾滚擦颗粒表面水分后称量，即得饱和面干试样质量（mb）。
2）向虹吸管内注入清水，至管口有水溢出为止。
将已称量的饱和面干试样缓缓放入筒中，经搅拌至无气泡溢出为止。
待虹吸筒中水面平静后，使试样排开的水通过虹吸管流入量筒内。
3）称量筒质量（mc）及量筒加水的总质量（mcw），同时测量筒内水温。
4）取出虹吸筒内试样，烘干，称干试样质量。
5）按公式（17-29）、（17-30）、（17-31）和（17-28）计算颗粒密度（
）毛体积密度（
）饱和面干密度（
）和吸着含水率（
）。
17.7孔隙率计算方法
国家标准《岩土工程基本术语标准》（GB/T50279—98）对孔隙率下的定义为：
土的孔隙体积与总体积的比值，以百分数表示。
由孔隙率定义式（17.7.1）可推导出如下实用计算公式：
当土中既有粒径大于5mm的土颗粒，又含有粒径小于5mm的土颗粒时，工程中一般采用平均颗粒密度，取粗细颗粒密度的加权平均值。
对这类土的孔隙率宜采用土的平均颗粒密度计算。
《秦沈客运专线粗粒土压实检测方法讨论会》会议纪要（秦沈总指[2000]48号）提出：
“对于砾石土，碎石类土和级配碎石，由于粒径小于0.1mm的颗粒成分较少，宜采用毛体积密度计算孔隙率，并作为控制压实度的指标之一。
”土的颗粒密度（
）和土的毛体积密度（
）可按17.6相应方法测试。
土的干密度（
）应按17.5密度试验和17.4含水率试验相应方法测定湿密度和含水率，并计算求出干密度。
17.8液限、塑限试验
17.8.1试验目的和方法
液限是粘性土呈可塑状态的上限含水率，是从可塑状态过渡到流动状态的界限含水率；塑限是粘性土呈可塑状态的下限含水率，是土从可塑状态过渡到半固体状态的界限含水率。
液限、塑限之差为塑性指数，表示粘性土呈可塑状态时含水率的变化范围，标志着土的可塑程度。
液塑限的大小，反映了土的工程性质，是划分土的类别及评价工程性质的重要指标，是粘性土物理性质的必测项目。
液塑限试验适用于粒径小于0.5mm的粘性土。
测定液、塑限的方法有圆锥仪法、碟式仪法、液限塑限联合测定法；测定塑限的方法有搓条法、液、塑限联合测定法。
我国采用的圆锥仪法有两种：
一种是圆锥仪质量76g，锥角30°，自锥尖起17mm、10mm处有刻度，当入土深度刚好到17mm、10mm刻度线时，测定试样的含水率，此含水率即为土的液限，分别称为17mm液限和10mm液限；另一种是公路土工试验采用的圆锥仪，质量为100g，锥角30°，锥体入土深度为20mm测定的含水率为液限。
它和上述76g锥入土深度17mm的液限基本相等。
与76g锥入土10mm的液限换算关系为：
76g锥入土深度17mm和100g锥入土深度测定的液限与美国ASTM标准（碟式液限仪测得的液限）是等效的。
因此76g锥入土深度对应的含水率是确定界限含水率液限的标准。
76g下沉10mm时测得的强度比下沉17mm时测得的强度高几倍。
实际上，10mm液限不是土的真正液限。
但现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2002）、行业标准《铁路工程岩土分类标准》（TB10077-2001）都采用76g锥，入土深度10mm的液限计算塑性指数和液性指数，对粘性土进行工程分类，以及确定粘性土承载力值。
实际使用中应区别17mm液限和10mm液限的含义和用途，避免发生混淆。
17.8.2液、塑限联合测定法
17.8.2.1试验所需仪器设备和器具
1）液塑限联合测定仪：
包括读数显示器（有光电式、游标式、百分表式）、圆锥仪（质量76g，锥角30°）、试样杯（直径40～50mm，高30～40mm）。
2）天平：
称量200g，分度值0.01g。
3）其他：
烘箱、干燥器、称量盒、调土刀等。
17.8.2.2试验要点
1）按下沉深度3～5mm、9～11mm及16～18mm制备不同稠度的土膏，静置湿润后，填满试样杯，放于联合测定仪升降座上。
2）接通电源，让电磁铁吸住圆锥仪，调整零点和升降座，使圆锥仪尖刚好接触土面。
电磁铁断电，圆锥仪在自重作用下，落入试样中，经5s后测读下沉深度。
取出试样测定含水率。
重复上述步骤，再测定另外两个不同稠度试样的圆锥仪入土深度和含水率。
3）在双对数座标纸上以圆锥下沉深度（h）为纵座标，以含水率（W）为横座标，绘制h～w关系曲线。
三点应连成一条直线，如三点不在一条直线上，则通过高含水率这一点与其余两点连成两条直线，在圆锥下沉深度2mm处可查得相应的两个含水率，如果这两个含水率的差值小于2%，用该两点含水率平均值的点与高含水率的点连成一条直线。
从直线上查得下沉深度为17mm所对应的含水率为液限，下沉深度为10mm所对应的含水率为10mm液限，下沉深度为2mm所对应的含水率为塑限。
若两个含水率的差值大于2%，则应重做试验。
4）按下公式（17-36）、（17-37）计算塑料性指数和液性指数。
17.8.3碟式仪法液限试验
17.8.3.1试验用仪器设备和器具
1）碟式液限仪：
由土碟、支架及底座组成。
并配专用划刀。
2）天平：
称量200g，分度值0.01g。
3）其他：
同联合测定法。
17.8.3.2试验要点
1）调整铜碟底与底座间距为10mm。
2）在铜碟前半部放入制备好的试样，制成水平状，使其厚度为10mm。
用划刀自蜗心轴中心沿铜碟直径将试样划开成“V”型槽。
3）转动手柄，速率为每秒两转，使铜碟上下起落至沟槽两边试样在振动下合拢约13mm时为止，记录此时的击数。
4）用4～5个不同含水率的试样重复进行试验，槽底试样合拢所需的击数宜在15～35之间。
5）测定各击次下试样的相应含水率。
6）在单对数座标纸上以含水率为纵座标，以击数为横座标，绘制含水率与击数关系曲线，曲线上击数25次所对应的含水率。
即为该试样的液限。
17.8.4搓条法塑限试验
将土调至接近塑限状态（揉捏不沾手），取8～10g在毛玻璃板上用手掌轻轻滚搓，手掌要均匀适宜地施加压力在试样上，土条不能有空心现象。
当土条直径达3mm时产生裂缝并开始断裂，取直径符合3mm断裂土条3～5g测定含水率，此含水率即为塑限
。
试验应进行平行测定，平行差值与17.4含水率试验的平行差值相同。
17.9颗粒分析试验
17.9.1试验目的和方法
土是由大小不同，形状各异的颗粒组成的集合体，为研究土的颗粒组成，将工程性质相近的颗粒归并为一类，称为粒组。
将土按颗粒大小分成不同粒组的过程，称为颗粒分析试验。
根据颗粒组成进行分类，可粗略地判定土的透水性，可塑性，收缩及膨胀等物理性质。
颗粒大小分析试验的结果是级配曲线。
在颗粒级配曲线上，可以找到颗粒含量小于10%、30%、60%粒径分别为d10、d30、d60。
d10称为有效粒径，对砂性土而言，d10越小，它的透水性越低；粘性土的d10越小，土的可塑性越高，且膨胀性显著。
d60为控制粒径。
这三个指标组成粗粒土的级配指标。
不均匀系数
曲率系数
不均匀系数Cu越小，级配曲线越陡，表明土颗粒越均匀，反之，则说明土颗粒组成越不均匀；曲率系数Cc反映土颗粒分布范围。
根据工程经验，当Cu≤5时，属级配均匀的土，Cu＞5时，属级配不均匀的土。
当Cc=1～3时属级配良好，否则，是级配不良的。
根据此来判定级配的优劣情况。
目前，颗粒分析的主要方法有：
1筛析法——适用于粒径0.075mm～60mm的土；
2密度计法或移液管法——适用于粒径小于0.075mm的土。
当土中含有粒径大于和小于0.075mm的颗粒，各超过10%时，应联合筛析法和密度计法或移液管法。
17.9.2筛析法
筛析法是将土样通过各种
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