【工作感悟】关于土的密度相关指标的辨析与统一
发布时间:2022-12-12   作者:曹增龙   来源:质检中心   点击数:2509  

(曹增龙)在工程检测中,有关土的密度的名词,有密度、原位密度、相对密度、压实度等多种叫法,从字面理解可能会给初学者带来不少困扰,本文对这些名词略做辨析,并试图在工程检测工作中将其归类统一,以给该类试验用表的设计与编制提供借鉴。

土的密度通常是考虑剔除水分后的干密度。从物理学上说,密度有时候也等同于物质的比重,比重没有量纲,是物质密度与4℃纯水密度的比值。工程中土的密度和土的比重则是严格区分的,前者考虑了土颗粒间空隙(孔隙)的影响,后者侧重于矿物本身的密度或仅仅考虑了封闭孔隙的影响,因此土的比重在数值上也可以等同于表观密度。

原位密度其实就是密度,侧重于表达以土作为建筑材料堆积成的构筑物,如堤或坝,道路工程中的路基也是典型的土体构筑物。在地质勘查中,天然状态的地层密度也可以称之为原位密度,通常以钻探取出未扰动的地层样品送到室内测试。这里要顺便说一下工程中的土,除了植花种草用的土壤(细粒土),也可以是河滩上的大小砂砾石(粗粒土),甚至那些比人还高的巨石(巨粒土),所以,工程人可以自豪地说,一切都是尘埃。

接着说压实度,压实度是原位密度与该类土地的室内击实试验所得最大干密度的比值,是一个计算指标,表征土颗粒的密实程度,这个比较容易理解。压实度多用于表征细粒土的密实程度,粗粒土则用相对密度较为多见。从击实试验的原理看,最大干密度这个指标的叫法其实应该叫做“标准击实功时的密度”或者“标准干密度”更科学。从理论上说,在干湿程度优越的情况下,只要工程中压实的功超越标准击实功,压实度就可以大于100%。

相对密度,它是无粘性土填筑密实程度的一个计算指标,是土体密度介于该类土最松散状态和最紧密状态之间的哪个位置的度量,是一个无量纲的指标,可以认为和压实度是同类概念,但跟密度完全不是一回事儿。在开展相对密度计算之前,我们需要在室内测试该类无粘性土(具有稳定的颗粒形状和级配关系)最松散状态下的密度(最小干密度),以及最紧密状态下的密度(最大干密度)。无粘性土主要是指不含细颗粒成分或细颗粒成分很少的粗颗粒土,例如我们通常说的砂或砾就是典型的无粘性土,这类土一般不用压实度去表达土颗粒的紧密程度。

除了上面所属的压实度、相对密度指标,还有一种表征密实程度的指标叫做空隙率(孔隙率)。空隙率和填充率相对,二者相加为1。填充率是密度与土的矿物密度的比值,和压实度相比,二者分子相同,分母不同,通常用于堆石堤坝的堆积压密程度的判定。空隙率(孔隙率)的写法,也是工程材料里的纠结账,各个行业的叫法也多有不同。一般来说,孔隙(pore),侧重于表达堆积矿物本身的孔隙,多是指封闭的孔隙,但有时候也包含与外界连通的孔隙。而空隙(void)是矿物颗粒间的大空隙,很多时候也包含矿物本身封闭孔隙和连通孔隙。在岩土工程中有一个指标叫做“孔隙比”,这时候不能以“空隙比”代替,这个概念相对固定。所以,我觉得空隙率可能比孔隙率更好理解,也符合大众认知,而且工程文献或工程图纸上也常常有这样的写法,作为推荐写法。

综上,压实度、相对密度、空隙率都是在测出原位密度后计算所得的二级指标,然后将之与设计或规范提出的相应技术要求比对,做出评定。因此,我建议在工程检测中将该类试验统一称之为“原位密度”,可以体现这类试验的实质。同时,可按照评定指标的不同,将该类试验报告分列以下三种形式:

A原位密度(压实度类)报告,涉及的试验或指标有含水率试验、环刀法密度试验或灌砂法密度试验或灌水法密度试验、击实试验、压实度(仅计算指标,之所以独立出来,是试图实现密度试验相关用表的独立通用,下同)。

B原位密度(相对密度类)报告,涉及的试验参数或指标有含水率、灌砂法密度试验或灌水法密度试验或环刀法密度试验(通常不用环刀法)、相对密度试验(最大干密度、最小干密度)、相对密度(指标)。

C原位密度(空隙率类)报告,涉及的试验或指标有含水率试验、灌砂法密度试验(默认必选)或灌水法密度试验(可选)或环刀法密度试验(通常不用环刀法)、比重试验、空隙率(指标)。

以上三种类别分解了相关相关试验,考虑了密度试验的共性特征,也就是说仅设计一套环刀法、灌砂法、灌水法密度试验表格即可。

土的三相组成示意图

灌水法密度试验现场