粉土顆粒分析試驗影響因素分析

劉 猛, 許晨曦, 孟凡會, 高靜靜, 白 赟, 宋琳琳

(1. 山東省水利勘測設計院有限公司, 山東 濟南 250013; 2. 招遠市金都水利勘測設計有限公司, 山東 煙臺 265400)

土的粒徑分布是影響土的工程特性的重要因素。不同的粒組具有不同的工程特性: 砂粒透水性較強,無黏性;粉粒透水性較小,遇水稍有黏性;黏粒濕時具有可塑性,并對飽和土體的液化判斷具有重要影響[1-2]。粉土廣泛分布于第四系淺表,是介于黏性土與砂性土之間工程性質(zhì)較特殊的一類土。粉土作為由砂粒、粉粒、黏粒3種粒組構(gòu)成的一種特殊的過渡性土,了解其顆粒組成和粒徑分布,特別是黏粒含量,對了解土的工程特性、防治工程地質(zhì)問題乃至工程投資等均有較大的影響[3-7]。當前,主要采用顆粒分析試驗測定土的顆粒組成和粒徑分布,顆粒分析試驗方法主要有篩析法、 密度計法和移液管法3種,不同方法的適用性不同,實際操作中通常將密度計法與篩析法結(jié)合起來。篩析法將土粒通過不同孔徑的標準篩,分別稱取留篩質(zhì)量,獲取不同粒級土粒的含量;密度計法測定水中土粒攪拌后經(jīng)過不同時間的沉降速率[1],再根據(jù)Stocks定律反演土的粒徑。密度計法測量過程相對復雜,任何一個環(huán)節(jié)都可能對顆粒分析試驗的結(jié)果產(chǎn)生影響,尤其是對黏粒含量較小的粉土。由此可知,對粉土顆粒分析試驗的影響因素進行研究是極其必要的。

顆粒分析試驗的影響因素直接影響粉土的黏粒含量的分析結(jié)果,而黏粒含量是影響粉土力學性質(zhì)的重要因素。目前,國內(nèi)外學者對顆粒分析試驗進行的大量研究大多集中于某種特定的影響因素,對顆粒分析試驗影響因素的綜合分析較少。鐘伶志等[8]通過研究洗鹽前、后鹽漬土的粒徑分布特點,確定氯化鋇滴定法是檢驗鹽漬土洗鹽效果的有效方法。蒲泉等[9]研究了5種化學分散劑對貴州紅黏土顆粒分析試驗結(jié)果的影響,結(jié)果表明,在溫度約為40 ℃時,貴州紅黏土在體積為10～15 mL且質(zhì)量分數(shù)為2%的六偏磷酸鈉溶液中分散效果最優(yōu)。劉娉慧等[10]研究了不同分散劑對膨潤土顆粒分析試驗的影響,發(fā)現(xiàn)六偏磷酸鈉作為分散劑的效果最好,氨水次之,氫氧化鈉的分散效果最差。陳熾鋒等[11]研究了不同分散劑對黏土黏粒含量分析結(jié)果的影響,結(jié)果表明,焦磷酸鈉和六偏磷酸鈉分散效果最佳,氨水分散效果最差。李瑜霞[12]通過分析密度計法產(chǎn)生誤差的原因,得出空白試驗法可以減少顆粒分析過程中誤差的結(jié)論。程永飛等[13]、 王卉[14]研究了顆粒分析過程中產(chǎn)生誤差的原因,得出使用六偏磷酸鈉作為分散劑能使土分散更徹底的結(jié)論。這些研究大多數(shù)是對顆粒分析試驗單一因素的研究,并且以黏土和粉質(zhì)黏土為主。黏土和粉質(zhì)黏土的黏粒含量較大,顆粒分析試驗誤差對黏土和粉質(zhì)黏土的定名及分散程度產(chǎn)生的影響較小,但是粉土黏粒含量較小,顆粒分析試驗精度要求較高,顆粒分析試驗較復雜,不是單一因素作用的結(jié)果[15]?，F(xiàn)行的顆粒分析試驗規(guī)范中對顆粒分析試驗過程中產(chǎn)生的誤差沒有明確的規(guī)定,因此對于顆粒分析試驗在粉土中產(chǎn)生誤差的影響仍須進一步研究。顆粒分析試驗結(jié)果對了解粉土的基本工程特性具有重要影響。為了提高顆粒分析試驗的精度,優(yōu)化試驗方法,本文中基于大量室內(nèi)顆粒分析試驗結(jié)果與實踐經(jīng)驗,結(jié)合Stocks定律公式,從密度計種類、溫度、分散劑濃度和種類3個方面,探討粉土顆粒分析試驗產(chǎn)生誤差的原因,分析密度計種類、溫度、分散劑種類和濃度對顆粒分析試驗結(jié)果誤差的影響。

1 試驗

1.1 試驗設備

主要試驗設備包括: 1)2種密度計。186型甲種密度計的刻度為20 ℃時每1 000 mL懸液中所含土的質(zhì)量,刻度為-5～50 g,分度值為0.5 g;407型乙種密度計的刻度為20 ℃時的懸液比重,即懸液與標準大氣壓時4 ℃純水的密度比,刻度為0.995～1.020,分度值為0.000 2。2)量筒。容積為1 000 mL,分度值為10 mL。3)其他設備。包括標準篩、 天平、 攪拌器、 溫度計、 煮沸設備、 秒表、 錐形瓶、 研缽、 木杵等。

1.2 試驗方法

選取魯西南地區(qū)的代表性粉土進行研究,按照國家標準GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[16](簡稱國家標準)要求,將試樣在溫度為105 ℃的烘箱中烘至恒量,烘干時間一般為24 h,然后按照四分法均勻分成若干份,分別稱取質(zhì)量為30 g的干土,放入三角燒瓶中,保持煮沸時間均為1 h,靜置冷卻后, 在量筒中加入一定量的分散劑,過孔徑為0.075 mm的標準篩,再加純水將試樣配置成體積為1 000 mL的懸液, 將懸液沿量筒深度上下均勻攪拌,靜置懸液,使土粒在水中下沉,通過密度計測定不同下沉時間的懸液的密度,根據(jù)密度計讀數(shù)和下沉時間,計算粒徑以及粒徑小于某粒徑的試樣的質(zhì)量分數(shù),并采用控制變量法對不同的影響因素分別進行顆粒分析試驗。不同密度計顆粒分析試驗結(jié)果和粒徑公式參照國家標準。

根據(jù)Stocks定律,顆粒粒徑計算公式[16]為

(1)

式中:d為粒徑;η為水的動力黏滯系數(shù), 取為10-6kPa·s;Gs為土粒比重,即土粒與等體積4 ℃純水的質(zhì)量比;Gw,T為溫度為T時水的密度;ρw,4為4 ℃時水的密度;g為重力加速度,取為981 cm/s2;t為沉降時間;Lt某時間t內(nèi)的土粒沉降距離。

利用甲、 乙2種密度計,粒徑小于某粒徑的試樣的質(zhì)量分數(shù)X1、X2計算公式[16]分別為

(2)

(3)

由式(2)、 (3)可知,粒徑小于某值的試樣質(zhì)量分數(shù)的大小主要取決于密度計讀數(shù)、土粒比重校正值、溫度校正值、彎液面校正值和分散劑校正值。土粒比重校正值主要體現(xiàn)在不同類型土的密度,而本文中主要研究粉土顆粒分析試驗的影響因素,比重校正值對粉土的試驗結(jié)果影響較小,彎液面校正值數(shù)值很小,基本可以忽略。

2 影響因素分析

基于顆粒分析試驗經(jīng)驗,并根據(jù)式(1)—(3),得出粉土顆粒分析試驗的影響因素主要為密度計種類,溫度,分散劑種類、 濃度3個方面,因此本文中以此為切入點,分析密度計種類、溫度、分散劑種類和濃度對粉土顆粒分析試驗的影響。

2.1 密度計種類

密度計的讀數(shù)直接影響試驗結(jié)果。目前采用的密度計主要包括甲、 乙種密度計2種。雖然在國家標準中明確規(guī)定,這2種密度計均可使用,但是大量試驗表明,不同種類密度計的適用條件是不同的。為了對2種密度計實驗結(jié)果進行對比,分析2種密度計的適用條件,進一步核實2種密度計的讀數(shù)是否有差異,本文中選用9組試樣進行同步試驗,對比2種密度計的測定結(jié)果,如圖1所示。由圖可知: 第7組試樣的黏粒質(zhì)量分數(shù)大于15%,其余試樣均為黏粒質(zhì)量分數(shù)小于15%的粉土;在相同試驗條件下,甲種密度計測定的黏粒含量大于乙種密度計測定的黏粒含量, 前6組試樣黏粒含量較小, 后3組試樣黏粒含量較大; 對于前6組試樣, 甲、 乙密度計測定的黏粒含量差值比變化幅度較大且差值比較大, 而后3組的變化幅度較小且差值比較小, 因此不同密度計呈現(xiàn)出黏粒含量越小則差值比越大的特點。

圖1 利用甲、乙種密度計測定9組試樣黏粒含量結(jié)果

為了進一步研究密度計種類對粉土黏粒含量的影響,另選擇10組試樣,其中1—4、 6—9組試樣(共8組)為黏粒質(zhì)量分數(shù)小于15%的粉土,5、 10組試樣為黏粒質(zhì)量分數(shù)大于15%的壤土,選擇這2組試樣的主要目的是與粉土進行對比。將選取的試樣間隔8 h后分別采用甲、 乙種密度計進行第2次讀數(shù),以便對比不同時間的密度計讀數(shù)變化,結(jié)果如圖2所示。由圖可知,甲種密度計第1、 2次讀數(shù)差別較小,但是乙種密度計2次黏粒含量分析結(jié)果差別相對較大。由此可知,2種密度計均可用于顆粒分析試驗,其中甲種密度計更穩(wěn)定,而乙種密度計靈敏度更高。

圖2 利用甲、 乙種密度計2次測定10組試樣黏粒含量結(jié)果

2.2 溫度校正值

研究[17]表明, 溫度影響顆粒之間的碰撞頻率, 懸浮顆粒的內(nèi)能隨著溫度的升高而逐漸增大, 從而加快了顆粒之間的熱動力學過程。 密度計法的顆粒分析試驗結(jié)果的有效性是建立在顆粒之間無互相干擾的基本假設前提下的, 因此溫度的變化對顆粒分析試驗結(jié)果影響較大。 目前, 顆粒分析試驗中所用的密度計均以20 ℃為標準溫度, 但是在實際生產(chǎn)實踐中, 隨著季節(jié)的變化, 室內(nèi)溫度始終在變化, 難以保證室內(nèi)試驗溫度始終保持在20 ℃。 在國家標準中有明確要求, 基于溫度對顆粒的影響, 應對不同溫度進行校正, 但是在實際計算中, 溫度校正值仍有一定的誤差。 本文中使用乙種密度計在清水中測定不同溫度時的讀數(shù), 判定是否與密度計校正值一致。 圖3所示為不同溫度時實際測量溫度校正值與國家標準中理論溫度校正值的對比。

由圖可知: 國家標準中規(guī)定的理論溫度校正值整體上呈線性分布, 實際測量的溫度校正值整體上隨著溫度的升高而增大, 但是線性相關性較差; 在不同溫度條件下, 乙種密度計的讀數(shù)與理論溫度校正值并不完全相同, 僅在標準溫度20 ℃時才能完全重合, 因此在進行顆粒分析試驗時應保持溫度恒定為20 ℃。 實際生產(chǎn)過程中, 很難保證室內(nèi)溫度始終不變, 因此應在同一環(huán)境中增加空白溫度校正, 才能減小溫度對黏粒含量分析結(jié)果的影響, 同時, 在顆分試驗過程中, 應保持溫度穩(wěn)定, 避免因試樣未冷卻而造成溫度的差異。

2.3 分散劑種類和濃度

在顆粒分析試驗過程中,主要采用物理分散與化學分散相結(jié)合的方式對土粒進行分散。物理分散主要采用煮沸法,而化學分散主要采用不同的化學分散劑,但是分散劑種類和濃度目前沒有統(tǒng)一的標準。目前我國現(xiàn)行的國家標準主要采用質(zhì)量分數(shù)為4%的六偏磷酸鈉,行業(yè)標準JTG 3430—2020《公路土工試驗規(guī)程》[18]中規(guī)定使用質(zhì)量分數(shù)為5.1%且體積為15 mL的六偏磷酸鈉,一些研究者則采用質(zhì)量分數(shù)為25%的氨水作為分散劑。不同的分散劑種類和濃度對顆粒分析試驗結(jié)果的影響較大。

2.3.1 分散劑種類

為了研究分散劑種類對試驗結(jié)果的影響,本文中選取粉土在相同的試驗條件下分別對未加入分散劑、加入10 mL質(zhì)量分數(shù)為4%的六偏磷酸鈉及加入1 mL質(zhì)量分數(shù)為25%的氨水進行對比,結(jié)果如表1所示。由表可知:未添加分散劑的試樣的黏粒含量明顯低于加入分散劑的試樣的,且加入分散劑使得粉粒和砂粒的含量降低,表明僅依靠物理分散,土粒分散效果較差;而氨水作為分散劑比六偏磷酸鈉作為分散劑的黏粒含量低,表明加入氨水作為分散劑的試樣并未完全分散,加入六偏磷酸鈉作為分散劑的試樣分散效果更好。

表1 分散劑種類不同時不同粒徑試樣的黏粒含量

為了進一步對比氨水和六偏磷酸鈉2種分散劑的分散效果,選取15組試樣,對比試樣的黏粒含量的分析結(jié)果,如表2所示。由表可知:以氨水為分散劑的黏粒含量明顯小于以六偏磷酸鈉為分散劑的黏粒含量;通過統(tǒng)計試樣中加入氨水和六偏磷酸鈉黏粒含量之間的差值發(fā)現(xiàn),黏粒含量越小,2種分散劑對應的黏粒含量差值越大。由此可知,不適宜以氨水作為分散劑。

表2 加入不同分散劑時15組試樣的黏粒含量

2.3.2 分散劑濃度

分別加入10 mL質(zhì)量分數(shù)為4%的六偏磷酸鈉和15 mL質(zhì)量分數(shù)為5.1%的六偏磷酸鈉作為分散劑, 分散劑濃度對試樣的黏粒含量分析結(jié)果的影響如圖4所示。由圖可知,黏粒含量變化幅度較小,因此這2種濃度的六偏磷酸鈉對試驗結(jié)果影響較小。

圖4 分散劑濃度對試樣的黏粒含量分析結(jié)果的影響

2.3.3 分散劑校正值

為了研究分散劑校正值對顆粒分析試驗的影響,采用控制變量法對比顆粒分析試驗結(jié)果,其他參數(shù)保持不變,僅改變分散劑校正值,計算不同粒徑范圍內(nèi)土粒的質(zhì)量分數(shù),得出不同分散劑校正值時顆粒分析試驗數(shù)據(jù),如圖5所示。由圖可知: 分散劑校正值為0.000 5時小于某粒徑的試樣的質(zhì)量分數(shù)略小于分散劑校正值為0.000 2時的,因此當分散劑校正值增大時,小于某粒徑的試樣的質(zhì)量分數(shù)均減小,但是整體減小幅度較小;當分散劑校正值為0.000 5時, 試樣的黏粒質(zhì)量分數(shù)為2.65%, 當分散劑校正值為0.000 2時, 試樣的黏粒質(zhì)量分數(shù)為4.23%; 雖然黏粒含量變化幅度較小, 但是粉土的黏粒含量本身較小, 分散劑校正值的大小仍不能忽略, 因此應在每次使用密度計測量之前, 確定分散劑校正值的大小。

圖5 不同分散劑校正值時顆粒分析試驗數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文中以魯西南地區(qū)的代表性粉土為研究對象,通過大量的室內(nèi)顆粒分析試驗,定量分析和對比了不同因素對顆粒分析試驗的影響,以期為粉土地區(qū)的工程建設提供更精準的基礎數(shù)據(jù),對現(xiàn)行土工試驗規(guī)程的修訂具有重要的指導意義。

1)甲、 乙種密度計讀數(shù)略有差異,甲種密度計較穩(wěn)定,乙種密度計靈敏度更高,但是不同的密度計有所差異,該結(jié)論僅適用于本文中的密度計型號。

2)在不同溫度條件下, 溫度校正值與密度計本身關系密切, 并且不同密度計不完全與國家標準中的理論溫度校正值完全一致, 應在每次顆粒分析試驗中增加空白溫度校正值, 以減小溫度對試驗結(jié)果的影響。

3)分散劑種類和濃度對顆粒分析試驗的結(jié)果影響較大,尤其對粉土的黏粒含量分析結(jié)果影響較大,對于魯西南地區(qū)的試樣,應采用六偏磷酸鈉作為分散劑。確定分散劑校正值的大小對粉土的顆粒分析試驗結(jié)果至關重要。