测量土壤颗粒密度的体积置换法.pdf

第 30 卷 第 15 期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.15 130 2014 年 8 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Aug.2014 测量土壤颗粒密度的体积置换法 马玉莹1，雷廷武1,2，庄晓晖1（1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2.中国科学院水利部水土保持研究所土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100）摘 要：土壤颗粒密度测量在土壤和水的关系研究和实践中有重要意义。该文提出一种采用体积置换测量土壤颗粒密度的方法。该方法可以从 2 种途径进行测定。第 1 种途径是湿土测量法。第 2 种途径是干土测量法。湿土测量法：将任意质量和含水量的湿润土样装入容积已知的恒容容器后，称量得到其质量，再将恒容容器中注满水，置换出容器和土壤充气孔隙中气体的体积，再称量得到容器中土颗粒与水的总质量，进而计算得到补水置换体积。然后将土样充分烘干测量得到土颗粒的质量，计算原始土样中土壤水的体积与质量，进而计算得到土颗粒体积，由此测得土粒密度。干土测量法：将土样充分烘干测定土颗粒质量，再将烘干土样置于恒容容器中并注满水，测量并计算得到补水所置换的容器和土壤孔隙的体积，由此确定出土颗粒体积，进而由土颗粒体积和土颗粒质量计算得到土粒密度。采用 4 种土壤：陕西杨凌的黏黄土、北京的粉壤土、吉林的黑土和江西的黏红土，配制成 5 种不同土壤含水率（10%、15%、20%、25%、30%）。用上述体积置换法的 2 种途径，分别测定了每种土壤的土粒密度，并将测得的结果与常规比重瓶法、容量瓶法的测量结果进行比较。试验结果表明，所采用的 4 种土壤，持续烘干 72 h（105），湿土法测量得到的土粒密度分别为 2.6576、2.6301、2.6411 和 2.6687 g/cm3，采用干土法测得土粒密度分别为 2.6557、2.6320、2.6423 和 2.6660 g/cm3。4 种土壤烘干 8 h（105）可能使测量得到的土壤颗粒密度偏小 1%2%。土壤颗粒密度测量误差随着烘干时间的延长而逐渐减小。干土法和湿土法测量土壤颗粒密度的散点都聚集在 11 线上，表明 2 种方法测量得到的结果基本相同，测量结果比较的最大相对误差小于 0.5%，说明体积置换法 2 种途径可以达到同等测量效果。所提出的方法测量精准度高，操作过程优于常规比重瓶法和容量瓶法。关键词：土壤；体积测量；密度；体积置换；湿土法；干土法 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.15.018 中图分类号：S152 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2014)-15-0130-10 马玉莹，雷廷武，庄晓晖.测量土壤颗粒密度的体积置换法J.农业工程学报，2014，30(15)：130139.Ma Yuying,Lei Tingwu,Zhuang Xiaohui.Volume replacement methods for measuring soil particle densityJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2014,30(15):130139.(in Chinese with English abstract)0 引 言 土壤是由不同的固体、液体、气体物质以及活动微生物等组成的比较复杂的一种介质，是植被生长的媒介。土壤中固体颗粒对土中热量、水分、化学物质的保持、运移都有显著的影响1-2。土壤颗粒密度，即单位体积土壤颗粒（不含孔隙）的烘干质量，其大小与土壤的矿物结构及其化学组成有关。土壤颗粒密度是土的基本物理性指标之一，在土工试验中是一项不可或缺的参数，是评价土类的主要 收稿日期：2014-02-28 修订日期：2014-06-25 基金项目：国家自然科学基金重点项目（41230746）作者简介：马玉莹，女，天津人，主要从事水文学及水资源方面的研究。北京 中国农业大学水利与土木工程学院，100083。Email： 通信作者：雷廷武（1958），男，湖北洪湖人，教授，博士生导师，中国农业工程学会常务理事，主要从事土壤侵蚀和旱地农业等方面研究。北京 中国农业大学水利与土木工程学院 151 信箱，100083。Email： 指标，也是计算土的天然孔隙比、饱和度、粒度成分和压缩性等指标的参数，并为相关设计提供有关地基基础计算参数3-8。土颗粒是由多种不同的矿物混合组成，各种土壤中这些矿物的比例各不相同。土粒密度的测定是土工常规物理试验的重要项目，在试验中经常测定的是土粒平均密度9。尽管因矿物组成的不同，土壤有不同的颗粒密度，但通常情况下土壤颗粒密度平均值在 2.653 g/cm3左右10，并且为了计算方便，一般将它看作常数用来估算土壤孔隙率、土壤体积含水率等一些基本土类特性。一般土壤的颗粒密度在 2.62.8 g/cm3范围内，黏性土一般在 2.702.75 g/cm3，砂质土一般在 2.65 g/cm3左右9。土壤颗粒密度的准确测定对于确定土的三相组成、土壤容重、原状土饱和度等物理力学性质具有重要的意义。目前测量土壤颗粒密度常用方法主要有比重瓶法、容量瓶法、浮称法、虹吸筒法等11-16。比重瓶法17-22是国内外使用较多的一种实验室测量的第 15 期 马玉莹等：测量土壤颗粒密度的体积置换法 131 常规方法，虽然测量精度较高，但仅限于测量粒径小于 5 mm 的土样，并且其测量操作过程较繁琐，在试验开始前要对仪器设备进行校准，且需要对比重瓶定期进行抽样校正除此之外，该方法对试验的温度条件要求较高，测量误差因素多23，重复性差。而采用容量瓶测量土粒密度时，除了仅能测量粒径较小的干土样外，容量瓶本身的制造误差、测量人员读数视差等因素所导致测量结果的不确定性也制约了其使用范围24-29。其他测量方法也有测量操作过程比较复杂、测量范围有局限性等缺点。随着科技的发展，测量研究主要体现在使测量技术朝着准确、低成本、易操作等方向发展。因此，有关便捷、准确测量土壤颗粒密度的研究对于在土壤力学、农田灌溉、生态环境等相关研究和实践中都有重要的意义。本文提出一种测量土壤颗粒密度的方法，介绍了体积置换法测量的原理与计算方法，试验方法与测量过程；并以 4 种土壤为例进行实际测量，将体积置换法测得的土粒密度与容量瓶法30-31、国际标准土工测量比重瓶法32的测量结果比较，并分析各测量方法的优缺点。1 测量原理与计算方法 土体是由土壤颗粒、土壤水和气体混合组成的三相体系，则测量土体各组分间的体积和质量关 系为：V=Vs+Vw+Va （1）M=Ms+Mw+Ma （2）式中：V、Vs、Vw、Va分别为初始土样、土壤颗粒、土壤水以及土壤气体的体积，cm3；M、Ms、Mw、Ma分别为土样的初始质量、土壤颗粒质量、土壤水的质量以及土样中气体的质量，g。根据质量、体积、密度关系，则式（2）为：M=sVs+wVw+aVa （3）式中：s、w分别为土壤颗粒和水的密度，g/cm3；a为空气的密度，取值 0.0012 g/cm3，通常忽略 不计。因土中气体质量（Ma）在计算中可以忽略不计，故初始土体质量由式（4）计算：M=sVs+wVw （4）体积置换法测量土壤颗粒密度通过湿土测量法和干土测量法 2 种途径测定。测量的具体计算步骤如下。1.1 湿土测量法 在室温条件下将恒容容器注满蒸馏水，称其质量，根据恒容容器的体积，可以准确确定水的密度和温度：()()wwcMTTV=（5）式中：Vc为恒容容器体积，cm3；Mw(T)为给定水温条件下恒容容器最大容纳蒸馏水的质量，g；w(T)为给定水温条件下水的密度，g/cm3；T为恒容容器中蒸馏水的温度，。将任意体积/质量的湿润土样装入恒容容器后，称量湿润土样的质量。然后向恒容容器中注满水，注水的过程是将容器和初始土样中充气孔隙中的气体置换出来，使土颗粒与水充满恒容容器，即通过向容器和土样中补充水分来置换土壤和容器的孔隙空间，如图1所示。注：Vc 为恒容容器体积，cm3；Vr 为将容器注满水所置换出的初始土壤充气空隙以及容器中气体的总体积，cm3；Va 为土壤气体的体积，cm3；Vw 为土壤水的体积，cm3；Vs 为土壤颗粒的体积，cm3。Note:Vc is the volume of constant volume container,cm3;Vr is the air-filled volume replaced by the added water,cm3;Va is the air-filled volume in the soil,cm3;Vw is the volume of soil water,cm3;Vs is the volume of soil particles,cm3.图 1 恒容容器中土壤各组分体积关系示意图 Fig.1 Diagram of volumes of different components for soil sample in constant volume container 容器中注满水后称土壤颗粒和水的总质量为M，根据质量关系有下式：swrMMMM=+（6）式中：Mr为替代气体所占空间而补充的水分质量，g。则补水置换的体积为：()rrwMVT=（7）式中：Vr为将容器注满水所置换出的初始土壤充气空隙以及容器中气体的总体积，cm3。随后将饱和后的土样充分烘干，称质量，得到原始土样中土壤颗粒的质量Ms，根据式（8）、式（9）计算土壤初始含水的质量和体积：wsMMM=（8）()wwwMVT=（9）根据恒容容器的容积、土壤水的体积以及补充农业工程学报 2014 年 132 水分的体积，由体积关系计算得到土壤颗粒的 体积：scwrVVVV=（10）根据定义计算土壤颗粒密度：sssMV=（11）1.2 干土测量法 首先将土样充分烘干，测量得到土壤颗粒的质量，而后将烘干后的土样放入恒容容器中，再将容器注满水，用一定体积的补充水置换出烘干土壤内以及恒容容器中充气空隙的体积，使土颗粒与水充满容器空间。称质量，得到注满水后的土颗粒与水的总质量为M，则补充水的质量（即总空隙充水的质量）为：rsMMM=（12）式中：Mr为置换容器以及土壤中充气空隙所注入水的总质量，g。由注入水的质量，求得注入水的体积为：()rrwMVT=（13）式中：Vr为补水置换的容器以及土壤中充气空隙的体积，cm3。恒容容器的总体积与补充水的体积之差确定土颗粒的体积：scrVVV=（14）测量得到土壤颗粒的体积和质量，根据式（11）计算得到土壤颗粒密度。2 试验材料与方法 2.1 试验装置与材料 2.1.1 试验装置 试验装置主要包括体积已知的恒容容器、烘箱和电子秤（精度为0.01 g）。称量10 g以上土样时，颗粒密度的测量精度为0.001 g/cm3。测量土壤颗粒密度的试验装置如图2所示。恒容容器为一个带盖圆柱体金属容器。盖上设有直径远小于容器直径的注水口，用于向容器中补充微量的水。容器盖作为恒容容器的关键部件，用于消除因液体表面张力引起的液体体积和质量测量误差。容器上的溢水口，用于排出大于恒容容器容积的水分，其整体设计可以保证恒容容器中土粒与水的总体积恒定，误差0.01 cm3。注水口的下沿略低于溢水口，保证液体中的气泡顺利排出。根据试验需要，可以制作不同尺寸的恒容容器，用于多次重复测量。电子秤用于称量土样的初始质量、补水置换后土与水的总质量；烘箱用于烘干土样；针头注射器用于向恒容容器中补充微量的水。1.电子秤 2.恒容容器 3.溢水口 4.注水口 5.针头注射器 6.补充水 7.待测土样 1.Electronic balance 2.Constant volume container 3.Liquid outlet 4.Liquid adjusting hole 5.Water injector 6.Added water 7.Soil sample 图 2 测量土壤颗粒密度的试验装置图 Fig.2 Schematic diagram of experimental device for soil particle density measurement 2.1.2 试验材料 为了说明测量过程，试验采用4种土壤材料，分别为采自陕西杨凌的黏黄土、北京的粉壤土、江西的黏红土和吉林的黑土，各种土壤的颗粒组成如表1。土壤颗粒密度测量试验在中国农业大学土力学实验室进行，试验条件温度为正常室温，2023。表 1 试验土壤颗粒组成 Table 1 Soil particle size distributions%土壤类型Soil type黏粒 Clay(0.002 mm)粉粒 Silt(0.0020.05 mm)砂粒 Sand(0.051 mm)黏黄土Clay loam31.80 62.80 5.40 粉壤土 Silty loam16.75 53.00 30.25 黏红土 Red clay47.60 45.00 7.40 黑土 Black soil12.00 86.78 1.22 2.2 试验方法 恒容容器制作完成后，用电子秤称量恒容容器本身的质量，在24状态下测量装满蒸馏水后的质量，从而确定出恒容容器的体积。在室温条件下，将恒容容器装满蒸馏水，称恒容容器注满水后的质量，由称量得到的水的质量和恒容容器的体积计算室温条件下水的密度。土壤颗粒密度用体积置换法可以通过湿土法或干土法进行测量，其中湿土法为任意湿润土样的测量，干土法为烘干土样的直接 测量第 15 期 马玉莹等：测量土壤颗粒密度的体积置换法 133 试验预制5种设计含水率的土样，体积含水率分别为10%、15%、20%、25%、30%，用来检验在不同设计含水率条件下测得土粒密度的差异33。土壤设计含水率的预制过程参见文献34。湿土测量法的具体做法：取任意质量的不同设计含水率的土壤样品装入恒容容器，称出土样的初始质量后向容器中加蒸馏水，边注水边缓慢搅拌，以便土样中气体顺利排出，直至恒容容器注满水。将恒容容器加盖，排出由于表面张力引起的多余的水，再用注射器通过恒容容器盖上设有的微小注水口向容器内补充微量的水，将容器中的气体全部置换出来，可以准确得到土颗粒与水的混合物的体积，即恒容容器的体积。随后称量土样、水与恒容容器的总质量，由式（5）、式（6）和式（7）计算出水的体积密度和补水置换气体的体积。然后将土样放入烘箱中，按照土工测量规范将土样烘干。根据土壤的初始质量和烘干后的质量计算土壤水的质量和体积，进而根据恒容容器体积、补水置换气体体积、土壤水体积，用式（10）计算得到土壤颗粒的体积，再根据式（11）确定土壤颗粒密度。干土法测量的具体做法：将任意质量的待测土样放入烘箱中进行充分烘干，将烘干后的土样放入恒容容器中称量得到土壤颗粒质量，随后将容器注满水，使土颗粒与补充水充满恒容容器。称注满水后土颗粒与水的总质量及容器注满纯水的质量，由式（5）确定水的密度后，用式（12）和式13）确定补水置换的体积。再根据恒容容器的体积，由式（14）计算土壤颗粒的体积。最后根据测得的土颗粒的质量和体积，由定义式（11）计算土壤颗粒密度。同时，采用测量土粒密度常用的容量瓶 法30-31、国际标准土工测量的比重瓶法32测量4种试验土样的颗粒密度，用于与体积置换法2种途径测得的结果进行对比。使用Excel和Grapher数据处理软件对3种方法（即体积置换法、容量瓶法和比重瓶法）测得的土壤颗粒密度进行处理分析。3 结果与分析 4种土壤在不同设计含水率下，用湿土法和干土法分别重复测量34次，计算结果取重复测量数据的平均值，得到每种土壤在不同设计含水率条件下土壤颗粒密度，如表2。取相同设计含水率的土样，按照土工测量标准，在105条件下烘干8 h后再进行体积置换测量，即为在同一设计含水率条件下的干土法测量结果。表 2 不同设计含水率条件下 4 种土壤的颗粒密度测量结果 Table 2 Measured soil particle densities of 4 soils at different water contents gcm-3 黏黄土 Clay loam粉壤土 Silty loam黏红土 Red clay黑土 Black soil设计含水率Water content/%湿土法Wet sample method 干土法Dry sample method湿土法Wet sample method干土法Dry sample method湿土法Wet sample method干土法Dry sample method湿土法Wet sample method干土法Dry sample method10 2.6017 2.6086 2.6065 2.6092 2.6113 2.6189 2.6027 2.6023 15 2.6112 2.5914 2.5901 2.5981 2.6145 2.6026 2.6081 2.6076 20 2.5913 2.6109 2.6037 2.5937 2.6044 2.6090 2.6102 2.5974 25 2.6070 2.6013 2.6022 2.6011 2.6071 2.6044 2.6013 2.6126 30 2.5991 2.5945 2.5995 2.6091 2.6256 2.6133 2.5976 2.6047 平均值2.6021 2.6013 2.6004 2.6022 2.6126 2.6096 2.6040 2.6049 方差0.0000582 0.0000724 0.0000396 0.0000467 0.0000679 0.0000441 0.0000263 0.0000324 注：105条件下烘干土样 8 h 测量土壤颗粒密度。Note:Drying soil samples under the condition of 105 for 8 h to determine the soil particles density.土壤颗粒密度的大小主要取决于土壤固相组成物质的种类和相对含量，土壤含水率的变化不会引起土壤颗粒密度的变化，表2说明4种土壤在不同设计含水率条件下，由体积置换法的2种途径测得的土壤颗粒密度相差不大，表明湿土法和干土法可以达到同样测量效果，并由此计算各种土壤的平均颗粒密度。3.1 烘干时间对测量土粒密度的影响 根据土壤质地的不同，黏性较大的土样烘干8 h后，可能仍有部分水分残留在土样中，影响测量精度。为此，各取一定质量的4种土壤，每种土壤取质量相等的3个土壤样品，将它们烘干12、24、48、72 h后，测量干土质量，测量平均值如图3。由图3可知，随着烘干时间的延长，测得的干土质量逐渐减小并逐步趋于恒定值。由此可以得到在不同烘干时间条件下，测量的4种土样土粒密度变化如图4所示。随着土样烘干时间的延长，测得的土粒密度呈增加趋势。农业工程学报 2014 年 134 图 3 干土质量随烘干时间延长减小 Fig.3 Decreasing trend in dried soil quantity with extended drying time a.湿土法 a.Wet sample method b.干土法 b.Dry sample method 图 4 土壤颗粒密度随烘干时间增加的过程 Fig.4 Increasing in measured soil particle density with prolonged drying time 将不同质地土样中的水分完全烘干所需要的时间不尽相同，通常情况下，当土样烘干至72 h时，残留在土中的水分几乎被完全烘干，测量得到的干土质量几乎为一恒定值，所以计算得到的土壤颗粒密度也会逐渐趋于一个稳定值。湿土法将土样烘干72 h后测得的黏黄土、粉壤土、黏红土和黑土的颗粒 密 度 分 别 为2.6576、2.6301、2.6687和2.6411 g/cm3，与烘干8 h所得到的土颗粒密度相比较，各种土壤颗粒密度相应分别增大0.0555、0.0297、0.0561和0.0371 g/cm3，增加幅度分别为2.13%、1.14%、2.15%和1.42%。同时表明，当采用2.65 g/cm3的土壤颗粒密度时，分别产生0.29%、0.75%、0.71%和0.34%的相对误差。干土法将土样烘干72 h后测得相应4种土壤的颗粒密度分别为2.6557、2.6320、2.6660和2.6423 g/cm3，与烘干8 h所得到的土颗粒密度相比较，相应分别增大了0.0544、0.0298、0.0564和0.0374 g/cm3，增加的幅度分别为2.09%、1.15%、2.16%和1.44%，与采用土壤颗粒密度为2.65 g/cm3时相比较，分别产生0.22%、0.68%、0.60%和0.29%的相对误差。将不同烘干时间条件下测得的土壤颗粒密度与烘干时间按照式（15）进行拟合：(1e)BtsAC=+（15）式中：s为土壤颗粒密度，g/cm3；t为烘干时间，h；A、B、C为回归系数，其中A+C为最大土壤颗粒密度，g/cm3。当烘干时间足够长时，可以计算得到每种土样可能达到的最大土壤颗粒密度，如表3所示。由图4的拟合方程可以估算得到测量的土壤颗粒密度误差为0.001 g/cm3时需要的烘干时间，如表3所示。表 3 4 种土壤可能最大土壤颗粒密度和所需的烘干时间 Table 3 Possible maximum soil particle density and drying time of 4 soils 可能的最大颗粒密度Possible maximum soil particle density/(gcm-3)所需的烘干时间 Drying time/h 不同土样湿土法Wet sample method 干土法Dry sample method 湿土法Wet sample method 干土法Dry sample method 黏黄土 Clay loam2.655 2.653 50 59 粉壤土 Silty loam2.628 2.630 24 24 黏红土 Red clay 2.666 2.663 43 44 黑土 Black soil 2.638 2.639 31 27 注：土壤颗粒密度误差为 0.001 g/cm3。Note:Soil particle density of errors were 0.001 g/cm3.根据土壤颗粒密度的定义式（11），试验中计算结果的误差可能是由于Ms与Vs的取值误差造成的。所以烘干程度对Ms与Vs的影响，进而造成对测量得到的土壤颗粒密度的影响程度，可由式（11）进行微分后进行估计。由式（11）有：2ssssssM VMVV=（16）式中：s为土壤颗粒密度的计算误差，g/cm3；Vs第 15 期 马玉莹等：测量土壤颗粒密度的体积置换法 135 为测量得到的土颗粒体积的误差，cm3；Ms为测得的土颗粒质量的误差，g。土样中空气的质量忽略不计，湿润土样的质量为土颗粒的质量与土壤水的质量之和。由此估算得到的土壤水质量的误差Mw与土颗粒质量的误差Ms之间存在如下关系式：wsMMM+=（17）式中：M为测得土样初始质量的误差，g。由电子秤称量得到的土样质量为一确定值，即M为0，则式（17）变化为：wsMM=（18）测量得到的土颗粒体积的误差Vs与土壤水体积的误差Vw之间存在如下关系：wsVVV+=（19）式中：V为测得的土壤水与土颗粒体积之和的误差，cm3。因恒容容器的体积以及补充水分的体积可以准确测定，则初始土样中土壤颗粒与土壤水的体积之和为一确定值，故V为0，所以式（19）变化为：wsVV=（20）将式（18）和式（20）代入式（16）得到：2wwswssMMMVV=（21）随着土样烘干的过程，土壤水的质量也有相应变化，测量得到的土颗粒质量随之变化。根据式（21）得到土颗粒密度的计算误差随着烘干时间延长的变化趋势如图5，并将所得结果按照式（22）进行拟合。BtsA=e （22）式中：t为烘干时间，h；A、B为拟合系数。图 5 土壤颗粒密度的计算误差随烘干时间延长的变化趋势 Fig.5 Calculation errors of soil particle density with prolonged drying time 由图5可知，土壤颗粒密度的计算误差随着烘干时间的延长而逐渐减小。当烘干时间足够长时，土壤颗粒密度的计算误差将趋于无穷小，所以土样的烘干时间越长，测量计算土壤颗粒密度的精准度越高。由图4、表3可知，将土样烘至72 h后测得的土粒密度与烘干足够长时间后计算得到的最大土粒密度相比较，相对误差在0.1%左右。在不同设计含水率条件下，烘干土样72 h测量土颗粒质量，4种土壤分别用湿土法和干土法测量土壤颗粒密度，最后将体积置换法的2种途径测得的结果进行比较，如图6。注：105条件下烘干土样 72 h 测量土壤颗粒密度。Note:Drying soil samples under the condition of 105 for 72 h to determine the soil particle density.图 6 湿土法与干土法测量土壤颗粒密度结果比较 Fig.6 Comparison of measured SPDs measured by wet sample method and dry sample method 由图6可以看出，在不同设计含水率条件下用干土法和湿土法测得的土壤颗粒密度相差不大，测量土壤颗粒密度的散点都聚集在11线上。根据测量数据，干土法和湿土法测量土壤颗粒密度比较的最大相对误差小于0.5%，表明体积置换法的2种途径测量土粒密度可以达到同等效果。3.2 加热排气处理对测量土粒密度的影响 为了说明在体积置换法的补水置换过程中加热排气处理对测量结果的影响，取4种试验土样，烘干后（105，72 h）分别分成5组，然后每组干土样分别做2种处理：直接补水置换和对土样加热处理。其中，加热处理的具体过程是，将土样装入容积为200 mL的实验室常用的普通玻璃质烧杯中并称其质量，随后向烧杯中加入适量蒸馏水，形成土水混合物，然后使用酒精灯加热1520 min后将土样煮沸，冷却后移至恒容容器中，并用蒸馏水洗净烧杯，保证将土壤颗粒全部转移至恒容容器中，而后继续将恒容容器注满蒸馏水。2种处理测得土壤颗粒密度的比较结果如图7所示。农业工程学报 2014 年 136 图 7 加热排气对测量土壤颗粒密度的影响 Fig.7 Comparison of measured SPDs after heating and non-heating treatments 由图7可以看出，对于所用的试验土样，是否进行加热排气处理对测量结果影响不大。黏粒含量相对较多的土样可能在测量前需要进行加热排气处理，一般土样可以直接进行补水置换操作，省时省力且节约能源。3.3 不同方法测量土粒密度的比较 取设计含水率约为20%的4种土样，先采用湿土法测量，随后将烘干的土样按照干土法、常规容量瓶法30-31和比重瓶法32进行测量，每种测量途径设有5次重复，4种途径测量结果的对比分析如图8所示。由图8可以看出，用常规容量瓶法和比重瓶法测量的结果与本文提出的体积置换法测得的结果具有较大的差异，这可能是因为使用容量瓶或比重瓶加热煮沸过程中土样喷溅使土样损失产生了测量误差，除此之外，容量瓶测量时易受液体表面张力作用影响使待测液体的体积产生一定误差。湿土法和干土法的测量结果说明体积置换法的2种途径测量效果相同。a.黏黄土 a.Clay loam b.粉壤土b.Silty loam c.黏红土 c.Red clay d.黑土 d.Black soil 注：105条件下烘干土样 72 h 测量土壤颗粒密度。Note:Drying soil samples under the condition of 105 for 72 h to determine the soil particle density.图 8 4 种途径测量土壤颗粒密度结果比较 Fig.8 Comparison of measured soil particle density by 4 methods 第 15 期 马玉莹等：测量土壤颗粒密度的体积置换法 137 4 讨 论 根据实际测量数据及实际操作表明，与常规比重瓶/容量瓶法相比较，使用恒容容器的体积置换法测量土壤颗粒密度具有以下优点：1）试验土样不需要传统测量过程中的风干碾碎并过筛等一系列的复杂前处理，因此大土块或者石块也可使用恒容容器的体积置换法测量。尤其在测量质地较粗的土壤样品时，不需要加热排气时，本文提出的方法更显现省时省力的优势。2）批量加工的比重瓶或容量瓶在生产过程中存在制造偏差，使每个个体的规格尺寸和质量存有差别，所以同时测量大批量土样时，需要记录每个比重瓶/容量瓶的质量，测量工作量大。除此之外，使用大批量比重瓶/容量瓶进行测量的成本较高。按常规测量要求，加热后冷却容量瓶/比重瓶耗费的时间长，且因比重瓶和容量瓶均为玻璃制品，若使用一个比重瓶或容量瓶测量大量土样时，高频率的冷热交替使用不仅易使仪器变形，缩短使用寿命，而且测量消耗时间长。而体积置换法只需一个精准加工的恒容容器，在一定室温环境下准确确定恒容容器的容积后，可以使用此恒容容器多次重复测量大批量土样，省时省力且节约成本。3）在使用比重瓶/容量瓶加热煮沸进行排气时，特别是使用比重瓶时，由于瓶口过小，易导致在沸腾时土样喷溅，产生测量误差，与此同时，按照常规测量标准，加热排气后需冷却24 h后才可进行称量。体积置换法可以直接对土样进行测量，省时省力且避免了因土样喷溅造成的测量误差。4）比重瓶和容量瓶一般为玻璃制品，加工过程中容器的大小和自身质量存在差异，需要逐个进行校正，数量较大时工作量较大；而恒容容器为合金材料制成，一般使用一个即可，只需在购置后校正测量一次即可。5）比重瓶和容量瓶均因瓶口较小而不易将试验后的土样清理或回收利用，而恒容容器可将使用后的土样重复利用，避免试验材料浪费除此之外，恒容容器的清洗工作相对比较简单。6）比重瓶和容量瓶只能对烘干并碾碎过筛后的土进行测量，而使用体积置换法的恒容容器可以对任意土样进行测量，应用范围更加广泛。7）使用比重瓶测量时，误差敏感性较强，测量结果的重复性较差；容量瓶测量时，因液体表面张力作用，向瓶中注水时对液面曲线的判断存在较大的误差；恒容容器的设计可以有效消除表面张力作用产生的体积测量误差。本试验中4种土壤的实测数据表明，采用恒容容器的干土法与湿土法测量土粒密度差异不大，说明体积置换法的2种测量途径具有等同的测量效果，并且均可以较为精确地测得土粒密度。5 结 论 该文提出了测量土粒密度的体积置换法的2种测量途径：湿土测量法和干土测量法。湿土测量法是通过将任意质量的湿润土样装入恒容容器中并注满水，用一定体积的水置换出容器和土体中的气体，随后称量土颗粒与水的总质量确定补水置换体积，再通过烘干土样测得土壤水的质量和体积，计算土粒体积，根据土壤颗粒质量确定土粒密度。干土测量法是先将土样充分烘干测得土颗粒质量，然后采用恒容容器确定土粒体积，进而计算得到土粒密度。采用4种土壤，详细叙述了测量原理、计算方法和测量程序。误差分析结果说明，随着烘干土样时间的延长，土粒密度的计算误差将逐步减小，测量所得结果的精准度提高。4种试验土样持续烘干72 h（105）得到的土粒密度为2.632.67 g/cm3，湿土法与干土法测量土粒密度比较的最大相对误差小于0.5%，测量装置稳定性好，测量结果重复性高。除此之外，体积置换法测量土粒密度的操作过程简单，能够克服长期以来测量土粒密度的比重瓶法、容量瓶法等存在的操作过程比较复杂、对试验环境要求高、测量结果重复性差、费时耗力等问题，具有良好的应用前景，也为相关试验研究开辟了一条新的思路。参 考 文 献 1 Jury W A,Horton R.Soil PhysicsM.Canada:John Wiley&Sons Inc,2004:12.2 Redding T E,Hannam K D,Quideau S A,et al.Particle density of Aspen,Spruce,and Pine Forest Floors in Alberta,CanadaJ.Soil Science Society of America,2005,69:15031506.3 刘宇，王辉.土粒密度测定误差分析J.岩土工程界，2002，5(8)：5859.4 李树芳.土工试验与原位测试在工程勘察中的重要 性J.山西建筑，2012，38(9)：9899.Li Shufang.Significance of soil test and in-situ test in engineering surveyJ.Shanxi Architecture,2012,38(9):9899.(in Chinese with English abstract)5 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(9)：62.6 谢笑笑，胡涛.浅析比重瓶法实测土粒比重J.浙江水利科技，2007(5)：4142.7 崔海弘.土工试验中土粒比重试验方法改进的探讨J.黑龙江科学，2014，5(2)：136.8 彭玉林，龚爱民，张慧颖，等.土粒比重值的影响因素分析J.云南农业大学学报，2006，21(6)：821825.农业工程学报 2014 年 138 Peng Yulin,Gong Aimin,Zhang Huiying,et al.The analysis of soil particle proportion value influencing factorsJ.Journal of Yunnan Agricultural University,2006,21(6):821825.(in Chinese with English abstract)9 陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学M.北京：清华大学出版社，2007，15.10 Blanco-Canqui H,Lal R,Post W M,et al.Organic carbon influences on soil particle density and rheological propertiesJ.Soil Science Society of America,2006,70:14071414.11 GB/T50123-1999，土工试验方法标准S.12 SL237-1999，土工试验规程S.13 Dane Jacob H,Topp Clarke G,Warren A Dick.Methods of Soil Analysis:Part 4-Physical MethodsM.Soil Science Society of America,2002:229240.14 Gubiani P I,Reinert D J,Reichert J M.Alternative method to measure the soil particle density:exactness,precision,and processing timeJ.Cincia Rural,2006,36(2):664668.15 熊维巧.电子天平在浮称法测试块体密度中的应用J.岩土工程学报，2006，28(6)：793795.Xiong Weiqiao.Application of electron balance to the block density tests by suspending weigh methodJ.Chinese Journal of Geotechnical Engineering