土壤顆粒分析試驗探討

王 波

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

1 概述

自然界的土由大小不同的顆粒組成，土粒徑的粗細變化及各粒徑組成的比例不同，導致土的性質(zhì)隨之發(fā)生相應(yīng)改變。根據(jù)土的粒組組成及其所占比例的大小，可以對土進行分類，并初步了解土的某些水文工程地質(zhì)情況。在工程中，一般將土分為兩大類，一類是粗粒土，即粒徑大于0.075 mm的土；另一類是細粒土，即粒徑小于0.075 mm的土。

土壤顆粒分析試驗是土工試驗的重要部分，是用來測定干土中各粒組含量占該土總質(zhì)量的百分數(shù)。土的顆粒大小、級配、粒組在干土中所占比例是土的工程分類的重要依據(jù)。土粒粒徑的大小與土的礦物組成、力學性質(zhì)、形成環(huán)境等有直接聯(lián)系，因此，在試驗過程中，顆粒分析試驗需采用不同的試驗方法來測定土的粒徑大小及組成。根據(jù)土的顆粒大小及級配情況，顆粒分析試驗方法在室內(nèi)實際操作過程中主要采用以下3種：粒徑在0.075～60 mm的土，采用篩析法；粒徑小于0.075 mm的土，用密度計法（甲種比重計法）、移液管法或虹吸比重瓶法；若土中包含中粗細顆粒，且篩分后底盤中土的質(zhì)量超過總質(zhì)量的10%以上，并有超過30 g以上的，采用篩分法與比重計法相結(jié)合的方法測定。下文參照相關(guān)試驗標準及規(guī)程，結(jié)合實際操作，對土的顆粒分析試驗過程中應(yīng)注意的事項及對結(jié)果的影響因素進行分析探討。

2 篩析法

2.1 儀器設(shè)備

分析篩：粗篩孔徑為60 mm，40 mm，20 mm，10 mm，5 mm，2 mm；細篩孔徑為 2 mm，0.5 mm，0.25 mm，0.1 mm，0.075 mm。

天平：感量 0.01 g，稱量 200 g；感量 0.1 g，稱量1000 g；感量 1 g，稱量 5000 g。

其他：烘箱、干燥器、砂浴、量筒、漏斗、木碾、橡皮板、研缽（帶有橡皮頭研杵）、瓷盤、毛刷及振篩機等。

2.2 試驗過程及分析

依據(jù)試驗方法標準及規(guī)程中的具體步驟進行試驗，操作相對簡單，但在試驗過程中，諸多因素會造成試驗結(jié)果的不準確。理論上講，用篩析法測得的留篩土重被視為實際留篩土重，而在室內(nèi)試驗的實際操作中，留篩土重會受到多方面因素的影響，使得測試結(jié)果存在誤差。首先，試驗試樣選取的影響。試驗時所取試樣必須具有代表性，且必須按試驗標準中規(guī)定的取樣數(shù)量取夠試樣的總質(zhì)量，否則，所測得的結(jié)果將可能造成土的定名分類與實際不符。其次，由于篩子的選用不同（主要指篩孔形狀）而造成篩分結(jié)果存在差異。標準中規(guī)定用圓孔篩，則必須選用圓孔篩，且須經(jīng)計量部門檢定合格后方可投入使用。另外，在篩分過程中，當土顆粒處于篩孔上并受到振動時，有的土顆粒可通過篩孔而有的卻被堵在篩孔中，被堵在篩孔中的土顆粒質(zhì)量不能忽略不計，每次留篩稱重時，應(yīng)用毛刷將其從篩底反向刷下后一并稱量，以減小誤差，同時避免由于篩孔堵塞而影響后續(xù)樣品的測試結(jié)果。細篩分析時，須用帶橡皮頭的研杵進行研磨，否則會使土顆粒破碎而造成所測各粒組含量的比例發(fā)生改變。再者，不同的操作者、不同的篩分時間等因素也會對試驗結(jié)果造成誤差。

3 密度計法

3.1 儀器設(shè)備

密度計：TM-85型甲種密度計，刻度-5～50，最小分度值0.5，刻度單位以20℃時1000 mL懸液內(nèi)所含土質(zhì)量的克數(shù)表示。

量筒：容積 1000 mL，內(nèi)徑 60 mm，高度 350±10 mm，刻度 0～1000 mL。

三角瓶：容積500 mL。

其他：天平（感量0.01 g，稱量200 g），煮沸設(shè)備，溫度計（刻度 0～50℃，最小分度值0.5℃），洗篩（孔徑0.075 mm），秒表，蒸餾水等。

3.2 試驗過程及分析

3.2.1 取樣質(zhì)量影響

試樣為風干或烘干試樣，按規(guī)范要求，若用風干試樣應(yīng)測其風干土含水率，換算成干土質(zhì)量，確定試驗時所需的試樣質(zhì)量。如果用風干土直接稱取30 g進行試驗，由于沒有計入風干土的含水率，會使測試結(jié)果偏離正常值。即使按規(guī)范要求測試土的含水率，由于操作過程中步驟增多，會使測試結(jié)果與正常值存在偏差。因此，最好取烘干試樣進行試驗，使所測得的結(jié)果偏差達到最小。

3.2.2 操作過程影響

試驗過程中，須將三角瓶中煮沸過的試樣懸液倒入量筒中，用密度計測讀度數(shù)。將懸液轉(zhuǎn)移到量筒時，須嚴格按規(guī)范要求，懸液必須通過0.075 mm的洗篩后經(jīng)漏斗注入量筒內(nèi)，測記完懸液密度計度數(shù)后，再將懸液過0.075 mm的洗篩。土懸液中，不同粒徑的土顆粒與水的比重、溫度之間存在線性關(guān)系，即土顆粒在水中沉降的時間可以表示其不同的粒徑和質(zhì)量，也即懸液的溫度與土的粒徑比重相關(guān)，懸液中某一時間不同粒徑土顆粒的沉降距離不同。TM-85型密度計的刻度即依據(jù)此原理而定，根據(jù)密度計所測得度數(shù)，即可算出土試樣中土顆粒的不同粒徑及所占比例。因此，如果直接將懸液倒入量筒后進行試驗，由于懸液中含有大于0.075 mm的砂粒，這部分土在懸液中的沉降時間較快，而在沉降過程中砂粒周圍勢必會黏帶少部分的粉粒和黏粒下沉，會造成在同一時間點所測得密度計的度數(shù)偏小，從而影響土中粉粒和黏粒的測試結(jié)果。

3.2.3 TM-85型甲種密度計影響

目前試驗室使用的絕大部分是南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TM-85型密度計，產(chǎn)品說明書中雖然稱無需使用單位作刻度、沉降距離和彎液面校正，但為了避免使用時出現(xiàn)問題，使用單位在使用前宜按密度計校正方法對密度計刻度選取零及數(shù)個刻度進行檢查，確定符合要求時投入使用。否則，此因素會對測試結(jié)果造成較大偏差。

3.2.4 溫度影響

密度計的刻制溫度是20℃，顆粒分析試驗中土粒下沉的標準溫度也是20℃。因此，溫度變化對密度計的刻度影響較小，但對懸液中土顆粒的下沉速度影響較大，溫度的變化將引起懸液體積的不均勻膨脹，從而懸液產(chǎn)生對流現(xiàn)象。流會影響土顆粒的勻速下沉，因此，在試驗時應(yīng)將懸液冷卻至室溫后再進行試驗，且在試驗過程中室內(nèi)溫度不會發(fā)生較大的變化，使懸液的溫度處于一個相對的穩(wěn)定范圍（約±2℃左右）。每次測讀密度計度數(shù)后，馬上測記對應(yīng)的懸液溫度，計算時將溫度校正值計入，絕不能整個試驗過程中只量測一個溫度。

3.2.5 分散劑影響

規(guī)范中規(guī)定使用六偏磷酸鈉作分散劑，一般加入量為4%的六偏磷酸鈉溶液10 mL。因密度計的刻度以存水為標準，懸液中加入分散劑后相對密度增大，因此須進行校正，排除其他影響，分散劑為六偏磷酸鈉的校正系數(shù)參考值一般為-0.5，在計算時應(yīng)將其考慮在內(nèi)。

3.2.6 特殊土影響

特殊土是指易溶鹽含量超過0.5%的土和含有機質(zhì)較多的土。易溶鹽的存在，會使測試結(jié)果中的黏粒含量減低，其含鹽量對黏粒含量影響較大，因此懸液倒入量筒并加入分散劑攪拌后，一般宜靜置過夜再進行測定，以便觀察懸液有無絮凝現(xiàn)象，若有應(yīng)進行洗鹽處理。對含有機質(zhì)較多的土，懸液在攪拌后，液面會產(chǎn)生大量泡沫而影響讀數(shù)，此時可加過氧化氫溶液（100 mL）或硅酸鈉溶液（10 mL）消除泡沫，同時在試驗記錄中加以注明。

3.2.7 其他因素

除上述因素影響外，量筒的高度、攪拌器的形狀及攪拌的頻率、土的比重、測試人員讀數(shù)誤差等也會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。

4 聯(lián)合測定分析法

使用聯(lián)合測定分析法主要是針對兩類土：一是粗粒土用篩析法分析時，粒徑小于0.075 mm的土超過總質(zhì)量的10%以上；二是細粒土中粒徑大于2 mm的土超過總質(zhì)量的10%以上。使用設(shè)備包含上述兩種方法的設(shè)備，影響因素如前所述各方法的影響因素，采用下述公式計算小于某粒徑試樣質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分數(shù)：

式中：х——小于某粒徑試樣質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分數(shù)，%；

mA——小于某粒徑試樣質(zhì)量，g；

mB——篩分時試樣總質(zhì)量，g；

dx——小于2 mm的試樣占試樣總質(zhì)量的百分數(shù)，%。

計算結(jié)果精確至0.1。

5 結(jié)語

土的顆粒分析試驗是土工試驗中的重要項目之一，主要測量土的級配情況，并可根據(jù)不同的級配對土壤進行定性說明。同時其試驗結(jié)果可對土樣的物理性質(zhì)和力學性質(zhì)研究提供幫助。但影響顆粒分析試驗的因素較多，試驗人員應(yīng)嚴格按照相關(guān)規(guī)范要求進行操作，使用檢驗合格的儀器設(shè)備，確保實驗結(jié)果準確可靠。