ASTM D1556—90-沙锥法测量现场土壤密度及单位重量的标准测试方法

沙锥法测量现场土壤密度及单位重量的标准测试方法

本标准依据现有设计D2937-94，其序列号依设计被采用后或修改后的年份而定，其中的后缀序列号依本标准被最后批准的年份而定。本

页左上角的希腊语字母之第五字表示本标准在最后稿或被批准后之前

的修改次数。

1、适用范围

1.1、本方法为沙锥法测定现场土壤密度和单位重量。

1.2、此方法适用于不含岩石或粒径超过11/2英寸（38mm）的粗糙材料。

1.3、本方法同样适用于测试现场未受扰动土壤的密度及单位重量或原始土壤，该土壤具有一定的天然小空隙，这种空隙非常小，能够阻止砂粒进入空隙中，从而保证土壤具有稳定的空隙率，本方法也适用于测试此种土壤。这些被测试的土壤或其它材料应具有足够的粘性或足够大的粒间吸引力，在钻挖测试孔的过程中能够维持边坡的稳定，而且拥有足够的强度，在钻孔过程中或置放仪器后，能够承受较小的压力而保持不变形或不脱落。

1.4、由于在挖测试洞过程中，有机质土壤、饱和性土壤和高塑性土壤会变形或被压缩，所以，本方法不能用于测试上述土壤。由于由松散的细粒材料组成的土壤稳定性极差，所以此方法同样不能用于测试这种土壤。此外，此方法也不能用于测试含有较多粗糙材料粒径超过11/2英寸（38mm）的土壤以及具有很高孔隙率的细颗粒土壤。

1.5、如果被测试材料含有适量的粒径超过11/2英寸（38mm）的颗粒，或要求测试洞体积超过0.1立方英尺（2830立方厘米）时，应依据D4914或D5030规范操作。

1.6、在工程实践中，按照惯例，通常使用磅表达质量（基本单位为1bm，即质量为一磅）和力（基本单位为1bf，即一磅力）的单位。这无疑将两种计量体系，即质量体系和重力体系，组合在了一起。这种将两种完全不同的计量体系，即英寸—磅计量体系，组合在一起在一个单一的标准中使用显然是不科学的。在处理英寸—磅计量体系时，本方法使用了重力计量体系，即1bf表示一磅的重量。但在本方法中，在天平的使用、质量及密度的记录时，并不使用英寸—磅计量体系。

1.7、本规范中并不能指明所有的安全措施，因此，如果注明有安全隐患，务请遵从说明进行相关操作。使用者在使用本规范时，有必要在实践中逐步建立起一套适当的健康和安全防范措施及必要的操作规则。

2、参考文献

2.1、美国材料及测试协会（ASTM）标准：

D653 土壤、岩石及其流动性术语；

D698 密实土壤实验室改良测试方法（12000英寸-磅/英寸（合600kN-m/m））；D1557 密实土壤实验室改良测试方法（56000英寸-磅/英寸（合2700kN-m/m））；D2216 土壤及岩石含水率（或湿度）实验室测试方法；

D3584 工程土壤及岩石索引文件及报告惯例；

D4253 振动台法最大土壤指标密度测试方法；

D4254 土壤最小指标密度及相对密度计算测试方法；

D43 微波烘干箱烘干法土壤含水率测定测试方法；

D4718 包含特大型颗粒土壤单位重量及含水率校正惯例；

D4753 土壤和岩石测试评价、选择和天平及其称重范围确定规范；

D4914 砂置换法现场土壤及岩石密度和单位重量测试方法；

D4944 碳酸钙气压检测器法现场土壤含水率（湿度）测试方法；

D4959 直接加热法土壤含水率（湿度）测试方法。

D5030 水置换法现场土壤及岩石密度和单位重量测试方法。

3、相关术语

3.1、定义所有定义均参照D653规范的术语。

4、测试方法概述

4.1、测试孔须手工挖成，且从孔中提取的所有样品须存放在容器中。然后，以已知密度的沙填充该孔，由此可得出测试孔的体积。现场土壤湿密度由所挖取的湿土壤质量除以测试孔的体积所得。在测定所取土壤含水率后后，由湿土壤的质量、含水率及测试孔的体积计算出现场土壤的干质量及干密度。

5、重要性及应用

5.1、此方法适用于测定土堤构筑、路基填筑、建筑回填等压实土壤密度的测定。此法通常用于确定土壤压实至某一特定密度或某一最大密度的百分比，如D698或D1557规范的测试方法。

5.2、本方法适用于测定现场自然土壤沉积密度、堆积密度、土壤混合密度或其它类似材料的密度。

5.3、一般情况下，本方法仅限定于测试不饱和土壤，而不适用于松软土壤、易碎土壤或极度湿润土壤，这些土壤中的水份会渗入所钻成的测试孔中。易变形、在振动状态下测试孔体积产生变化、或在测试孔周围站立或走动时，都会对测试结果产生重要影响。请参阅注1。

注1：在测试松散土壤或接近饱和状态的土壤时，由于地表荷载、人工踩踏及类似的活动影响，测试孔的体积会产生变化。此种情况下，可以在测试孔一定距离范围内用一块平板以支持这些荷载，从而避免测试体积的变化。通常所测试的结果要与理论饱和密度进行对比，或在干密度及含水率相关图上查对零空隙线，因此没有必要时时观察测试孔的体积是否产生变化。如果现场压实土壤密度测试结果经计算超过95%，那么土壤极有可能处于饱和状态，测试结果可能是错误的，或者测试孔的体积已经发生变化。

6、仪器设备

6.1、沙锥密度测试仪由以下部分组成：

6.1.1、可连接广口瓶或其它能装足够量沙的器皿，以便于填充测试孔。

6.1.2、可控设备由一个带阀的孔口，直径为1/2英寸（13mm），一端与金属漏斗或盛沙容器相连，另一端与较大的金属漏斗（即沙锥）相连。阀门应该且个固定销，以防止完全打开或完全关闭。器具应具有足够的强度，以避免在测试过程中产生扭曲或锥形体部分产生体积变化。锥体部分应具有约60°的角度，以便于灌沙均匀。

6.1.3、一个带有凸缘孔的金属底盘或平板，该孔应易于与6.1.2中提及的大漏斗（即沙锥）相接。底盘可以是圆的或方的，面积最小应为3英寸（75 mm），即大于漏斗（即沙锥）。底盘底部应为平的，且具有足够的厚度及硬度。底盘的凸缘、背脊等高度约在3/8至1/2英寸（10至13 mm）之间。

6.1.4、填充仪器及底盘的沙的质量，建议优先使用附录A1中所提及的。

6.1.5、图1中所给出的最小仪器设备，适宜于测试的最大粒径约为11/2（38 mm）英寸，测试孔体积约为0.1立方英尺（2830 mm2）。当材料中含有小量特大型颗粒或孤立的大颗粒时，应换在其它地方重新进行测试。当颗粒粒径大于11/2（38 mm）英寸时，需要较大的仪器及较大的测试孔。此处所提及的仪器经实践证明是有效的。只要遵循与本方法同样的原理，可以使用更大的仪器或其它按此成比例缩放的仪器。当测试孔的体积超过0.1立方英尺（2830 mm2）时，应遵循D4914规范所确定的测试方法。

6.2、填充沙必须是清洁、干燥的，其密度及粒度须是均匀、未胶结、耐用且可自由流动。须包含任意粒级，其均匀系数（Cu＝D60/D10）须小于2.0，其最大颗粒粒径须小于2.0mm（No.10号筛），粒径250微米（No.60号筛）的颗粒所占重量应不超过3%。均匀粒级的沙在处理、使用及贮藏过程中应避免游离而出现不均匀的现象。在自然环境湿度日变化过程中，游离的细沙及细沙颗粒应避免产生填充密度的显著变化。不能使用包含耐用的、自然圆形的或圆形的颗粒的沙。压碎而成的沙或具有棱角的颗粒不能自由流动，从而导致所测定的密度出现剪刀撑式的错误结果（见注2）。因此，在选择填充沙时，应根据附录A2所要求的程序一一确定每一容器或袋装填充沙的填充密度。合格的填充沙，其每一袋的填充密度不应大于平均值的1%。测定填充沙密度前应先烘干，然后置放在使用地点让其自然风干冷却（见注3）。填充沙在使用前，应先除去其中的污染沙、检查级配、烘干并测定密度（见注4）。填充沙密度测定的时间间隔应不超过14天，同时，在环境湿度发生显著变化、使用前及补充新沙时，皆应重新测定其密度（见注5）。

注2：某些人造沙（破碎沙），如爆破后形成的沙，已经被成功地使用过。在选择使用带棱角的沙之前，必须在实验室条件下进行可重复性使用测试。

注3：许多机构发现，填充沙应贮藏在密闭的容器中，以防止其吸引湿气。一般情况下，填充少应存放在干燥处，避免露天存放。同时，也发现在填充沙中或其邻近处放有发光球形物或其它加热源，也同样能够保持填充沙处于干燥状态。

注4：通常情况下，避免回收使用过的填充沙。

注5：大多数沙都有引湿性能。只要吸收少量的湿气，填充沙密度就会发生较大的变化。在高湿润地区，或湿度变化频繁的地区，填充密度的测定时间间隔应远小于14天。检查的频度，根据同一填充沙在同一使用条件下，其密度不产生较大变化的时间而定。

6.3、天平及其称重范围称重填充沙及取样沙的天平，应符合D4753规范所要求的分度为5克或更小一些。当使用图1所示的测试设备时，称重填充沙及取样沙的天平应至少称量2公斤，分度为5克。

6.4、烘干设备适合于本方法测定含水率的烘干设备，可根据D2216、D43、D4959或D4944规范要求确定。

6.5、辅助设备刀、小鹤嘴锄、凿子、泥铲、螺丝起子、匙勺等用于挖掘测试孔。钉子或长钉用于固定底盘；带盖的桶、塑料袋或其它容器等分别盛装填充沙和所取的用于测试密度及含水率的样品；小毛刷、计算器、笔记本或记录表等。

7、操作程序

7.1、用于测试密度时，现场选址应遵循如下原则：

7.1.1、检查沙锥和底，看阀门是否损坏、转动是否顺畅。将合格的填充沙装入容器中，填充沙的密度及质量依附录A2测定。

7.1.2、平整所选定的地点。底盘更易于平整地表。

7.1.3、放置底盘，保证底盘孔与地面紧密接触，并在底盘周围划线作标记，以便于在测试过程中随时检查底盘是否移动。如果必要，为防止底盘移动，可以用钉子或其他手段将其固定，但不能扰动土壤。

7.1.4、如果地面无法整平或地面有空隙，测试孔横向体积受漏斗、底盘及地表所限，应进行预测试。用填充沙填平地表空间，并测定所用沙的质量，重新装满容器，并在进行测试前测定填充沙及容器的质量。测试完成后，用毛刷小心地扫除地面上的沙（见注6）。

注6：如果预期会出现这种这种情况，应该多带一套校准好的的仪器设备到现场，以备进行新的测试。当希望较好的精度时，每一次测试都应重复进行7.1.4段落所提及的操作程序，当然，如果地表情况比较平整，就没有必要这样做。7.1.5、通过底盘孔挖掘测试孔，避免扰动或挤压孔壁周围的土壤。测试孔的体积应尽可能地大，以最大程度地减小误差，或不小于表1中所列情况。测试孔边缘应有微坡，孔底成平面或凹面。避免袋子、手臂及锐物等碰触孔壁，任何碰触都会影响测试精度。粒状土壤应格外小心，或者将测试孔挖掘成圆锥形的。挖掘出的土壤及挖掘过程中松脱的土壤，都应一起装入密封容器中，容器上应标明测试序列号。切忌丢失任何材料。在测定质量及含水率前，应避免材料失水。

表1：基于最大粒径的最小测试孔体积

7.1.6、清洁底盘孔边缘，将沙锥及漏斗放入孔标定时记下的位置（见附录A1）。在测试区域避免或尽可能减小人为的及仪器的振动。打开阀门让填充沙填充测试孔、漏斗及底盘，同时，在填充过程中尽量避免震动或摇摆仪器设备。沙停止流动时，关闭阀门。

7.1.7、测定沙及仪器的质量，做好记录，计算所用沙量。

7.1.8、测定并记录从测试孔中提取的湿润材料的质量。当需要对包含特大型颗粒的材料进行修正时，使用相应的筛子将这些颗粒选出，确定其质量，做好记录，同时应避免其中水份的损失。如果需要，请根据D4718规范所规定的惯例，对含特大型颗粒材料做出相应的修正。

7.1.9、彻底混合材料，然后，取一部分或全部做含水率测试。

7.1.10、根据D2216、D43、D4944或D4959规范所规定的测试方法测定含水率。如果其它测试方法需要时，应确定其与D2216规范的相关性。

7.2、测定含水率的样品量应足够大，且应能代表从测试孔中所提取的全部土样样品。测定含水率的最小样品量应能保证精度不超过1%。

8、计算

8.1、此处的计算，质量以克为单位，体积以立方厘米为单位。为保证计算结果的统一性，只要能够做出相应的变换，也允许使用其它的计量单位。关于英尺—磅计量体系，请参阅1.6段落。

8.2、用下式计算测试孔体积：

V ＝（M1－M2）／ρ1

其中，

V ＝测试孔体积，cm3；

M1＝填充测试孔、漏斗及底盘的填充沙的质量，g（见7.1.7）；

M2＝填充漏斗及底盘的填充沙的的质量，g（见附录A1.2.2.6）；

ρ1＝填充沙容积密度，g／cm3（见附录A2.3.5）；

8.3、从测试孔中所提取样品的干质量由下式计算：

M4 ＝100M3／（w＋100）

其中，

w ＝从测试孔中所提取样品的含水率，%（见7.1.7）；

M3 ＝从测试孔中所提取样品的湿质量，g（见7.1.8）；

M4 ＝从测试孔中所提取样品的干质量，g，或，若采用磅为计量单位，则英磅乘以0.002205。

8.4、现场材料干、湿容重由下式计算：

ρm ＝M3／V

ρd ＝M4／V

其中，

V ＝测试孔体积，cm3（见8.2）；

M3 ＝从测试孔中所提取样品的湿质量，g（见7.1.8）；

M4 ＝从测试孔中所提取样品的干质量，g（见8.3）。

ρm ＝所测试材料的湿密度，g／cm3，或其单位重量γm，1b／ft3（磅／立方英尺），其中，γm ＝ρm×62.43；

ρd ＝所测试材料的干密度，g／cm3，或其单位重量γd，1b／ft3（磅／立方英尺），其中，γd ＝ρd×62.43；

8.5、通常情况下，期望用某种参考密度的百分比来表达现场材料密度，这种参考密度如，根据D698、D1557、D4253及D4254规范所规定的测试方法测试的实验室密度。这一百分比数值为现场密度除以实验室密度，然后，再乘以100。相对密度的计算，参阅D4254规范所规定的测试方法。对于包含特大型颗粒材料密度的修正，请参阅D4718规范。

9、测试报告

9.1、测试报告中应至少包括如下内容：

9.1.1、取样地点、高程、测试层厚度，或其它能表明取样位置或确定测试手段的数据。

9.1.2、测试孔体积，立方厘米或立方英尺。

9.1.3、现场材料湿密度，g／cm3或1b/ft3（磅每立方英尺）。

9.1.4、现场材料干密度，ρd，g／cm3。

9.1.5、现场材料单位干重量，KN／m3（ρd×9.807），或1b／ft3（ρd×62.43），精确至0.1 KN／m3或1.01b／ft3。

9.1.6、现场土壤含水率以其干质量的百分比表达，或依测试方法而定。

9.1.7、仪器设备的选定及体积标定。

9.1.8、所用测试沙容积密度，g／cm3或1b／ft3。

9.1.9、土壤或指定材料的客观描述。

9.1.10、特大颗粒质量、所占百分比、所用筛径。

9.1.11、如果可能，测试评价。

9.1.12、如果现场材料干密度或单位干重量是以某一参考值的百分比来表示的，则应包括下述内容：

9.1.12.1、实验室所采用的测试方法；

9.1.12.2、所采用的干密度或单位干重量及含水率的参考数值。

9.1.12.3、如果必要，对包含特大颗粒材料的相关数值进行修正，以及修正方法等详细情况。

9.1.12.4、现场材料有关数值与相应比较值的百分比。

9.1.13、如果所测试的现场材料密度、单位重量及含水率是合理的，应说明测试结果合理性的判别标准。

10、精度及误差10.1、精度由于所测试土壤或岩石材料的自然特性，要在试验时提取多个具有同一物理特性的样品或许不太可能或许价格昂贵。数据的任何明显变化，极有可能是因为不同的操作者所提取的不同样品，或在实验室测试过程中的任何变化。D18.08规范小组委员会欢迎有效改进和完善测试精度的任何建议。

10.2、误差尚没有任何确定本方法误差的参考数据。

10.3、在没有进行足够的重复试验的情况下，测试精度只能由D18.08规范小组委员在确定的时间、针对同一地点，由熟练的操作者进行重复试验，然后对两组数据进行评估，两组数据的偏差不能大于2 1b／ft3（3.2 K g／m3）。

11、主题词

11.1、根据D3584规范，本方法中包含下列主题词：合理试验、压实试验、压实度、密度测试、填方、筑堤、现场密度调试、现场测试、现场密度、现场干密度、原始土壤密度、相对密度、沙锥、土壤压实、土壤试验、单位重量。

附录

（强制标准）

A1、沙锥仪器标定

A1.1、适用范围

A1.1.1、本附录为测试包含在沙锥仪漏斗及其底盘中填充沙质量的操作程序。

A1.1.2、沙锥仪中填充沙的质量可根据沙的容重来确定。通常情况下，无论填充沙的容重是否发生变化，都要依程序进行此操作。

A1.2、标定程序

A1.2.1、沙锥仪的标定可依下述两种方法中的任意一种进行：

A1.2.1.1、方法一：测定填充在沙锥仪漏斗及底盘中沙的质量。

A1.2.1.2、方法二：测定填充在沙锥仪漏斗及底盘中沙的体积，然后无论填充沙是否变换，都将其作为常量进行引用。

A1.2.1.3、由于填充沙的质量决定于其容重，因此，如果采用方法一，只要填充沙的容重发生变化，其质量必然发生改变。

A1.2.2、确定填充的质量时，精度要求为5克。

A1.2.3、方法一：

A1.2.3.1、用干沙填充沙锥仪，填充沙必须经过烘干，且应使其达到与预期使用时相同的状态条件。

A1.2.3.2、测定包含填充沙的仪器质量，单位为克。

A1.2.3.3、将底盘置放在干净、水平且平坦的平面上。倒转容器及仪器，使漏斗倒转与底盘孔对接。然后，将所使用的仪器及底盘进行标记，以便于在测试过程中保证所用仪器与相应的底盘及其上所做的标记位置相匹配。

A1.2.3.4、将阀门完全打开，直至填充沙停止流动，在关闭阀门前，应确定仪器、底盘及平面未被扰动或振动。

A1.2.3.5、快速关闭阀门，取下仪器并测定仪器及残存在其中填充沙的质量。计算填充在漏斗及底盘中沙的质量，即：起始含沙仪器质量与填充完毕后仪器及残存沙质量之差。

A1.2.3.6、重复上述程序至少三次，每测次的测定质量与所有测次测定质量的平均值之差都不应超过1%。然后，将此平均值作为测试计算时的引用数据值。

A1.2.4、方法二（可选方法）：

A1.2.4.1、当测次数较多或所用沙量较大时，或许测定仪器及底盘所用填充沙的体积要较为便捷、优越的多。除非仪器被损坏或底盘与仪器不匹配，否则，该体积应为常量。而且，当填充沙的容重发生变化时，该方法可用来评估方法一可重复的次数（见注A1.1）。如果选用此可选方法，现场计算须同时改为确定测试孔及仪器的总体积，总体积减去仪器体积即为测试孔的体积。

A1.2.4.2、根据A1.2.3中的步骤A1.2.3.1至A1.2.3.6，确定每一测次中填充仪器及底盘的沙的质量。

A1.2.4.3、用A1.2.4.2步所确定的沙的质量除以沙的容重，计算出仪器及底盘的体积（参阅附录A2）。应至少进行三次测试，并依次计算出体积，取其平均值。每一测次的体积与平均值之差都不应超过1%。然后，将此平均值作为引用数据值。

注A1.1：应随时检查沙锥仪设备是否损坏，任何损坏都会引起其体积的改变。碰撞、不圆及其它损坏都会影响沙锥仪器设备体积的变化，须重新测定。

附录A2、填充沙密度标定

A2.1、适用范围

A2.1.1、本附录用于测定（标定）本测试方法所用填充沙的容重。

A2.1.2、所测定的填充沙的标定容重，在本测试方法中用于计算测试孔的体积。A2.2、所需设备

A2.2.1、容器选择已知体积的容器，其体积所装填充沙应能足以填满测试孔及沙锥仪器设备。建议采用D698规范中所要求的1／30 ft3（944 cm3）和1／13.33 ft3（2124 cm3）的容器，或D4253规范中所要求的0.1 ft3（2830 cm3）的容器。作为备选方案，可采用铸模法测试测试孔的体积。具体方法是在测试孔测试体积中注入巴黎白石膏制成模件，然后以此模件为基础，用波特兰水泥混凝土制作成一个新模件。新模件内表面必须是光滑的，除去石膏模件后，在新模件中注入水，如此，即可依据D4253规范所制成的测试方法确定测试孔的体积（见10.2..2）。A2.2.1.1、按照D4253规范所制成的测试方法，注水确定测试孔的体积时，误差不能大于1%。

A2.2.2、沙锥仪器设备沙锥仪器设备的尺寸依所设计的样本制作。

A2.2.2.1、经过试验证明，通过不同阀门组件的流体特性不同，因而会影响到流体的容重。因此，除非确定其它阀门组件能够提供完全相同的流动环境条件，否则，在使用每一套仪器设备时，都应进行密度测定。

A2.2.3、天平及其称量范围天平及其称重范围要足够大，以便于能称量出容器及其所含填充沙的质量。对于容量为0.500 ft3（14200 cm3）的容器来说，要求天平最小称重量为501b（20 K g），同时要符合D4753规范对对天平分度为0.01 1b（5 g）的要求。

A2.2.4、金属直尺约2英寸（50厘米）宽，至少1／8英寸（3毫米）厚，长度约为待标定容器直径的1.5倍。

A2.3、容重的测定

A2.3.1、以填充沙装满已装配好的仪器设备，填充沙要经过烘干，且要求其达到与预期使用时相同的状态条件。

A2.3.2、倒空标定容器，然后确定其质量并做记录。

A2.3.3、方法一（推荐方法）：A2.3.3.1、如果标定容器直径与底盘孔直径一致，倒转沙锥及底盘使其与容器对接。

A2.3.3.2、彻底打开阀门，以便填充沙装满容器。当沙停止流动时，关闭阀门。A2.3.3.3、确定仪器及残存填充沙的质量。以填充沙总质量减去剩余在沙锥及底盘中沙的质量，即为容器中填充沙的质量（与A1附录中的方式完全相同），做好记录。

A2.3.4、方法二（可选方法）：

A2.3.4.1、将仪器倒转放置在容器上，这样，填充沙在在标定时即要经过与现场测试大体相同的途径和位置，然后彻底打开阀门。

A2.3.4.2、装满容器至填充沙刚刚超出容器时关闭阀门。然后微微敲击数下，注意不能扰动或密实填充沙，仔细将超出容器的填充沙轻击至一平滑的平面上。在填充沙容重过程中，任何扰动或振动都会使填充沙下陷或密实，从而导致错误的测试结果。

A2.3.4.3、清理标定容器以外的填充沙。测定容器及其内填充沙的质量，然后减去空容器的质量，即得出容器内填充沙的质量，记录之。

A2.3.5、至少测定三次填充沙的容重，然后计算其平均值。每一测次的容重值与平均值之差不能超过1%。不符合这些要求的重复测试显示测试沙为非均匀沙，原料沙的可用性值得重新评估。所获得的平均值即作为计算的依据。

A2.4、计算

A2.4.1、由下式计算填充沙的容重：

ρ＝M5／V1

其中：

ρ＝填充沙容重，g／cm3，（乘以9.807后，单位为KN／m3，乘以62.43后，单位为b／ft3）；

M5＝填充标定容器沙的质量，g，（由A2.3.4.3步骤确定）；

V1＝标定容器的体积，（由A2.2.1.1步骤确定）。