顆粒分析試驗方法及存在的問題與解決方案

程永飛 武 斌

(1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224； 2.長安大學(xué)地質(zhì)與測繪工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

顆粒分析試驗方法及存在的問題與解決方案

程永飛1武 斌2

(1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224； 2.長安大學(xué)地質(zhì)與測繪工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

從試驗內(nèi)容和操作方法出發(fā)，介紹了土的顆粒組成及顆分試驗的方法，分析了試驗中誤差產(chǎn)生的原因，并找出了減小誤差的解決方法，為后續(xù)的基坑工程及填方工程提供準確的工程資料。

土工試驗，顆粒分析，篩析法，密度計法

1 概述

顆粒分析試驗是確定土樣中各粒徑干土質(zhì)量占土樣總質(zhì)量百分比的一種方法，適用于粒徑d>0.075 mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量50%的土樣。根據(jù)土樣粒徑大小不同可以分為篩析法和密度計法。篩析法適用于粒徑在0.075 mm～60 mm之間較粗顆粒土樣，密度計法適用于粒徑小于0.075 mm的細粒土。

根據(jù)GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范土的定名比較表見表1。

表1 土的定名比較表

2 試驗方法

1)篩析法。設(shè)備：分析篩(包括粗篩孔徑60 mm,40 mm,20 mm,10 mm,5 mm,2 mm；細篩孔徑2 mm,1 mm,0.5 mm,0.25 mm,0.075 mm)、電子稱、篩析機，其他設(shè)備(烘箱、瓷盤、研磨棒)。對于粒徑小于2 mm的土樣，可取100 g左右進行試驗。

a.將烘干后的土樣在橡皮板上用木碾充分碾散，然后用四分法取代表性土樣100 g～300 g，稱其質(zhì)量，將土樣倒入盛有清水的稱量瓶中并充分攪拌，用帶橡皮板的研杵研磨后通過0.075 mm的篩，并反復(fù)加水研磨過篩，直至懸液澄清，將篩上試樣烘干稱量。

b.將烘干后的土樣稱量試樣倒入分析篩中(按篩孔大小從上到下依次排)，置于振篩機上振篩，一般為10 min～15 min,取下并稱量各級篩上及底盤內(nèi)土樣的質(zhì)量。注意篩后各級篩上和底盤內(nèi)土樣質(zhì)量總和與篩前試樣質(zhì)量之差不得大于1%。

c.粒徑小于0.075 mm試樣質(zhì)量超過總質(zhì)量的10%應(yīng)采用密度計法。

d.小于某粒徑試樣質(zhì)量占總試樣的百分比。

其中，dx為d<2 mm試樣占試樣總質(zhì)量百分比。

2)根據(jù)斯托克斯定律，土粒在液體中自重下沉?xí)r，質(zhì)量較大的顆粒下沉速度快，質(zhì)量較小的顆粒則下沉慢。對于粒徑在0.002 mm～0.2 mm的顆粒，靠重力在液體中下沉?xí)r速度很慢，可認為是作勻速運動。

密度計法是稱取100 g烘干后的土樣(d<0.075 mm)倒入稱量瓶中，加蒸餾水200 mL～250 mL，用玻璃棒攪拌使土顆粒與水混合充分，形成具有一定濃度的土懸液。靜置1 h～2 h使土粒充分沉降。在土粒下沉過程中，分別讀出在不同時間懸液內(nèi)密度計的讀數(shù)，根據(jù)土粒下沉?xí)r間和對應(yīng)的密度計讀數(shù)，就可以計算出小于某一粒徑的顆粒占土樣總量的百分比。

密度計法適用于d<0.075 mm的土?！锻凉ぴ囼灧椒?biāo)準》中試樣顆粒粒徑計算公式如下：

其中，d為試樣顆粒粒徑；η為水的動力粘滯系數(shù),10-6kPa·s；GwT為T℃時水的比重；Gs為土粒比重；ρwT為4 ℃時純水的密度,g/cm3；L為某一時間內(nèi)的土粒沉降距離,cm；t為沉降時間，s；g為重力加速度，cm/s2。

用密度計法進行顆分試驗時，必須假定所用量筒直徑與比重計直徑相比大得多；懸液必須是由均勻分散的土顆粒組成。

3 誤差產(chǎn)生的原因分析

3.1 篩析法誤差產(chǎn)生的原因

1)采用不同的分析篩、稱量瓶及天平等產(chǎn)生的試驗儀器誤差。2)不同試驗人員操作產(chǎn)生的試驗人員誤差。3)試驗的溫度、濕度不同產(chǎn)生的試驗環(huán)境誤差。4)試驗過程中的隨機誤差。

就隨機誤差來講，理論上實際留篩質(zhì)量即為篩析法計算的留篩質(zhì)量。而在實際操作中，土粒并非都是圓球形，對于方形或是橢圓形的土粒，直徑相同的土顆粒位于篩面受到震動時，有些可以通過篩孔而有的卻不能通過。產(chǎn)生的原因主要由于篩分時間的長短及篩分震動時力度的大小，更重要的是土顆粒此時處于篩孔的角度。

應(yīng)當(dāng)注意的是，堵在篩孔中的土粒不能參與到該層粒級的計算中，而應(yīng)計入下一級篩中。在實際操作過程中，并不能保證相應(yīng)的土粒完全通過篩孔，堵篩的現(xiàn)象在每一個篩分試驗中都普遍存在，這就會造成各級篩上的實際留篩質(zhì)量與下一級篩面的留篩質(zhì)量發(fā)生變化，從而造成所測得的各粒徑含量百分比也發(fā)生變化，土的定名與實際存在誤差。對于此種情況可以通過增加試驗土樣的質(zhì)量，以減小誤差，使土的定名與實際相一致。

因此，在實際操作過程中，為減小篩析法所產(chǎn)生的誤差應(yīng)做到：1)應(yīng)當(dāng)定期對實驗室的稱量設(shè)備進行校驗。2)針對不同的土樣選擇合理規(guī)范的試驗方法。3)根據(jù)試驗設(shè)備和操作規(guī)范的更新情況，定期安排試驗操作人員進行培訓(xùn)。

3.2 密度計法誤差產(chǎn)生的原因

1)顆粒形狀對試驗精度產(chǎn)生的影響。斯托克斯公式是以球形顆粒在介質(zhì)中沉降為依據(jù)導(dǎo)出的。對于方形或橢圓形等不規(guī)則土粒，在液體中下沉?xí)r所受的阻力要大于規(guī)則球形顆粒下沉受到的阻力，沉降速度就會相應(yīng)的減小，而斯托克斯定律在進行土粒分析時并沒有考慮到顆粒形狀對土粒下沉產(chǎn)生的影響，實測的沉降速度要偏大，同時顆粒在勻速下沉?xí)r忽略了其他相鄰?fù)亮５挠绊?，使得計算的粒徑結(jié)果偏大，這會造成試驗測得的粘粒含量偏大，故在使用實驗結(jié)果時應(yīng)對試驗數(shù)據(jù)進行適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗修正。

4 結(jié)語

土工試驗分析土顆粒時，采用篩分法，應(yīng)選擇適當(dāng)孔徑的分析篩。若篩后各級篩上和底盤內(nèi)土樣的質(zhì)量之和與篩前土試樣之差大于1%，應(yīng)進行平差。采用密度計法時，若有多組試驗同時進行，應(yīng)合理安排，控制好記錄密度計下沉讀數(shù)的時間，可以縮短試驗的持續(xù)時間。

巖土工程勘察中首要工作就是對土的分類。土的定名不同，其工程性質(zhì)差別就很大。所以應(yīng)當(dāng)提高對土工試驗操作的重視程度，加強土工試驗操作規(guī)程的學(xué)習(xí)，減少在操作過程中產(chǎn)生的誤差，為后續(xù)的基坑工程及填方工程等提供準確的工程資料。

[1] GB/T 50123—1999,土工試驗方法標(biāo)準[S].

[2] 趙忠義，王 建.顆粒分析中密度計法土粒粒徑計算公式研究[J].巖土工程學(xué)報，2001，23(2)：247-249.

[3] 曹曉娟.關(guān)于顆粒分析試驗的誤差分析和對策研究[J].鐵道工程學(xué)報，2014(2)：38-40.

[4] 龍禮斌.張呼和吉琿客運專線鐵路黏性地基土物理力學(xué)特性試驗研究[D].成都：西南交通大學(xué)碩士論文，2013.

[5] 潘廣燦，張金來.巖土工程勘察土工試驗中的常見問題[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2012，23(1):40-45.

The particle analysis test method and existing problems and solutions

Cheng Yongfei1Wu Bin2

(1.CivilEngineeringCollege,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China;2.GeologicalandSurveyingEngineeringCollege,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

From the test content and operation method, this paper introduced the soil particle composition and particle analysis test method, analyzed error reason in test, and found out the solutions to reduce error, provided accurate engineering data for subsequent foundation pit excavation and filling project.

geotechnical test, particle analysis, sieve analysis method, density meter method

2015-06-08

程永飛(1988- )，男，在讀碩士； 武 斌(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)23-0048-02

TU411

A