顆粒分析試驗(yàn)密度計(jì)法的誤差研究

何巧靈　吳明雷

摘要：以《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)，對(duì)土樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。根據(jù)大量室內(nèi)實(shí)測資料，系統(tǒng)地分析了顆粒分析密度計(jì)試驗(yàn)準(zhǔn)確性的影響因素，結(jié)果表明其影響因素主要包括試樣的煮沸時(shí)間，分散劑的加入情況，以及其它一些人為因素等等；同時(shí)為了使得試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)操作需要要嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行操作，得出在洗篩之前加入分散劑，才能充分發(fā)揮分散劑的分散作用。

關(guān)鍵詞：密度計(jì)試驗(yàn)；顆粒分析試驗(yàn)；試驗(yàn)結(jié)果；影響因素；減小誤差

引言

土的顆粒分析試驗(yàn)是土工試驗(yàn)中一項(xiàng)重要的內(nèi)容，可用于土的分類和建筑材料的選用。為了了解土顆粒的組成情況，以及繪制出顆粒大小分布曲線，需要測定在該土中各粒組干土質(zhì)量所占的百分比。曹曉娟（2014）重點(diǎn)從顆分試驗(yàn)的內(nèi)容和操作要點(diǎn)出發(fā)，分析試驗(yàn)中產(chǎn)生誤差的可能原因和造成的后果，在試驗(yàn)中找到相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，盡可能的避免誤差的產(chǎn)生，在采用了對(duì)應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施之后，使試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際天然狀態(tài)更接近[1]。王卉（2011）在顆粒分析試驗(yàn)中分析了系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差產(chǎn)生的原因，得出了一系列結(jié)果，包括在不同實(shí)驗(yàn)室中，利用同一土樣得出的試驗(yàn)結(jié)果存在隨機(jī)差異；使用不同的分散劑得出的試驗(yàn)結(jié)果有所不同（屬于系統(tǒng)誤差），以及真實(shí)狀態(tài)的土性與室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)所得試驗(yàn)結(jié)果存在著一定誤差，并建議找出這些誤差產(chǎn)生的原因，以及以相應(yīng)的措施來減少誤差，獲得誤差更小的試驗(yàn)結(jié)果。最后對(duì)顆粒分析試驗(yàn)密度計(jì)法，建議用六偏磷酸鈉作分散劑更為合適[2]。高慧君（2014）指出土粒比重試驗(yàn)方法直接影響土的比重指標(biāo)值，決定工程的土類評(píng)價(jià)。結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)和對(duì)天津地區(qū)土進(jìn)行的土粒比重對(duì)比試驗(yàn)，全面分析了影響土粒比重試驗(yàn)的諸多影響因素，結(jié)合實(shí)際提出了改進(jìn)意見，總結(jié)出一套快速有效、準(zhǔn)確率高的試驗(yàn)方法[3]。崔海弘（2014）從工程質(zhì)量和安全的角度出發(fā)，認(rèn)真分析試驗(yàn)的各個(gè)基本步驟，并指出研究人員應(yīng)該發(fā)揮主動(dòng)能動(dòng)性，不斷地改進(jìn)和完善土粒比重試驗(yàn)方法，以減少試驗(yàn)誤差給人們帶來的損失 [4]。對(duì)于密度計(jì)法顆粒分析試驗(yàn)，易南概（2007）通過對(duì)兩種試驗(yàn)操作方法（《規(guī)程》和《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》中的試驗(yàn)操作方法與改進(jìn)的試驗(yàn)操作方法）的對(duì)比分析，總結(jié)出一種更加準(zhǔn)確、有效的試驗(yàn)方法，為其它土工試驗(yàn)室人員提供了參考[5]。

本文進(jìn)行了大量的室內(nèi)顆粒分析密度計(jì)試驗(yàn)，在試驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，對(duì)密度計(jì)試驗(yàn)可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了理論分析，提出了縮小該誤差的方法，并從理論上論證了該方法的可行性。

1 密度計(jì)試驗(yàn)原理

密度計(jì)法，取一定量粒徑小于0.075mm的土樣，煮沸一定的時(shí)間，經(jīng)過孔徑0.075 mm的洗篩漏斗，全部洗入量筒中，加純水至1000ml，然后，通過攪拌形成濃度均勻的懸液。靜止懸液中，土顆粒由于自身的重量，開始下沉，粒徑越大的土顆粒下沉速度越快。同時(shí)，根據(jù)不同時(shí)刻的懸液密度（密度計(jì)的讀數(shù)）和土顆粒的下沉?xí)r間，計(jì)算出試樣總質(zhì)量中小于某一粒徑的顆粒質(zhì)量所占的百分?jǐn)?shù)。

2 密度計(jì)試驗(yàn)

2.1密度計(jì)試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)需要三份土樣作為樣品，試樣編號(hào)為A（煮沸20分鐘）、B（洗篩之前加入分散劑）和C（根據(jù)規(guī)范所制備的試樣）。

1.采用風(fēng)干土樣，進(jìn)行碾散。

2.取碾散的土樣300-400g，利用孔徑2mm的漏斗篩，使得粒徑小于2mm的土顆粒過篩，將篩上粒徑大于2mm的土樣反復(fù)碾散，直到留在漏斗篩的土顆粒的粒徑大于2mm時(shí)為止；

3.將（粒徑）小于2mm土樣拌勻，取三份30g土樣作為樣品；

4.將三份樣品分別放入已編號(hào)的三角燒杯中，加入蒸餾水，浸泡24小時(shí)；

5.將浸泡后的土樣進(jìn)行煮沸，從煮沸開始計(jì)時(shí)，A號(hào)試樣煮沸20分鐘，B和C號(hào)土樣加熱45分鐘。

6.等樣品冷卻后，通過孔徑0.075mm的洗篩漏斗，全部洗入量筒中，加入4%的六偏磷酸鈉，然后加蒸餾水至1000ml，如圖1。

7.用攪拌器進(jìn)行攪拌，每兩秒攪拌一次，大約30次，使量筒內(nèi)的土顆粒均勻分布；

8.從停止攪拌時(shí)刻開始，開動(dòng)秒表，測60、300、1800、3600、7200、10800秒時(shí)密度計(jì)讀數(shù)。

本試驗(yàn)采用的是TM85型土壤密度計(jì)（圖2），對(duì)應(yīng)的讀數(shù)是懸液在20℃時(shí)每1000 ml所含土質(zhì)量的刻度來表示的，刻度區(qū)間為-5～50，最小分度0.5。密度計(jì)讀數(shù)時(shí)要嚴(yán)格按照規(guī)定來進(jìn)行，當(dāng)密度計(jì)放入量筒中時(shí)，密度計(jì)浮泡不得碰到或靠近量筒壁，讀數(shù)以彎液面的頂面為準(zhǔn)，如圖3。

3密度計(jì)試驗(yàn)結(jié)果分析

密度計(jì)是根據(jù)20℃的懸液情況而設(shè)制的，本試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)的懸液溫度是27℃，溫度會(huì)影響密度計(jì)浮泡的情況和懸液的密度，導(dǎo)致密度計(jì)的讀數(shù)出現(xiàn)誤差，所以溫度要進(jìn)行校正。查表得到溫度校正值（27℃）為2.5，土粒比重校正系數(shù)（2.69）為 0.989，TM85型土壤密度計(jì)沉降距離校正系數(shù)（a，b）值由廠家給出（a=21.07，b=0.284）得

小于某粒徑的土樣百分?jǐn)?shù)X =100/試樣干土質(zhì)量×土粒比重校正系數(shù)×比重計(jì)校

根據(jù)土粒直徑和小于某粒徑的土樣百分?jǐn)?shù)繪制出顆粒大小分布試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線。

利用巖土工程工勘察繪圖軟件， 將測得的原始數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)程序中， 就得到顆粒大小分布的光滑曲線和所要求的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖4，生成的數(shù)據(jù)曲線不需要再修改。

4 密度計(jì)試驗(yàn)誤差分析及措施

根據(jù)圖4中的試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出各粒組的顆粒含量百分?jǐn)?shù)（表1和表2）。

4.1 根據(jù)煮沸時(shí)間不同的試驗(yàn)結(jié)果分析

表1中，在樣品制備過程中，A號(hào)煮沸時(shí)間為20分鐘，C號(hào)煮沸時(shí)間為45分鐘（根據(jù)規(guī)范規(guī)定），試驗(yàn)使用同一土樣，在洗篩后加入偏磷酸鈉分散劑而制備的，然后利用TM85型密度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，在具有相同條件的情況下，A號(hào)砂粒含量多于C號(hào)，C號(hào)的粘粒含量多于A號(hào)，是因?yàn)锳號(hào)煮沸時(shí)間短，一部分顆粒結(jié)塊未煮散。在規(guī)范規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)，隨著煮沸時(shí)間的加長，得到的粘粒含量越高，而這種粘粒含量的增加是有限度的，如果煮沸時(shí)間無限超過規(guī)范規(guī)定的時(shí)間，會(huì)使得土的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)遭到破壞。

4.2根據(jù)分散劑加入情況的試驗(yàn)結(jié)果分析

表2 中，在土樣制備過程中，B號(hào)是洗篩之前加入分散劑，C號(hào)是洗篩之后加入分散劑，試樣使用同一土樣，煮沸一定時(shí)間（45分鐘）而制備的，同樣使用TM85型密度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。由試驗(yàn)結(jié)果的分析得到，在具備相同條件的情況下，B號(hào)的砂粒含量少于C號(hào)，B號(hào)的粘粒含量多于C號(hào)，是因?yàn)榉稚┰谙春Y之前加入，會(huì)在洗篩、碾磨過程中起作用，分散劑作用時(shí)間更長，使偏磷酸鈉充分起到分散作用。

5 結(jié) 論

土樣的密度計(jì)法試驗(yàn)分析會(huì)受到很多因素的影響，包括：a.試樣制備過程中，要稱取多余30g的土樣，因?yàn)橹蠓羞^程中，濺出一些土顆粒，以及在洗篩時(shí)，可能會(huì)粘在燒杯壁上一些土顆粒；b.煮沸時(shí)間的影響，要根據(jù)規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行，避免煮沸時(shí)間過短或過長；c.本實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，在洗篩之前加入，使分散劑的分散作用更充分；d.密度計(jì)的選取，使用不同的密度計(jì)可能影響到測得的數(shù)據(jù)，由于受到條件的限制，此試驗(yàn)以后進(jìn)行研究；e.不同的試驗(yàn)人員自身的經(jīng)驗(yàn)以及操作技巧會(huì)影響到試驗(yàn)結(jié)果；f.懸液在攪拌過程中，由于顆粒的攪拌不均勻，影響到密度計(jì)讀數(shù)。試驗(yàn)誤差的存在，會(huì)影響到試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)員上崗前要組織培訓(xùn)，按照土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，來縮小這些誤差，得到更加準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。