颗粒分析试验方法及存在的问题与解决方案

程永飞 武 斌

(1.西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650224； 2.长安大学地质与测绘工程学院，陕西 西安 710064)

颗粒分析试验方法及存在的问题与解决方案

程永飞1武 斌2

(1.西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650224； 2.长安大学地质与测绘工程学院，陕西 西安 710064)

从试验内容和操作方法出发，介绍了土的颗粒组成及颗分试验的方法，分析了试验中误差产生的原因，并找出了减小误差的解决方法，为后续的基坑工程及填方工程提供准确的工程资料。

土工试验，颗粒分析，筛析法，密度计法

1 概述

颗粒分析试验是确定土样中各粒径干土质量占土样总质量百分比的一种方法，适用于粒径d>0.075 mm的颗粒质量超过总质量50%的土样。根据土样粒径大小不同可以分为筛析法和密度计法。筛析法适用于粒径在0.075 mm～60 mm之间较粗颗粒土样，密度计法适用于粒径小于0.075 mm的细粒土。

根据GB 50021—2001岩土工程勘察规范土的定名比较表见表1。

表1 土的定名比较表

2 试验方法

1)筛析法。设备：分析筛(包括粗筛孔径60 mm,40 mm,20 mm,10 mm,5 mm,2 mm；细筛孔径2 mm,1 mm,0.5 mm,0.25 mm,0.075 mm)、电子称、筛析机，其他设备(烘箱、瓷盘、研磨棒)。对于粒径小于2 mm的土样，可取100 g左右进行试验。

a.将烘干后的土样在橡皮板上用木碾充分碾散，然后用四分法取代表性土样100 g～300 g，称其质量，将土样倒入盛有清水的称量瓶中并充分搅拌，用带橡皮板的研杵研磨后通过0.075 mm的筛，并反复加水研磨过筛，直至悬液澄清，将筛上试样烘干称量。

b.将烘干后的土样称量试样倒入分析筛中(按筛孔大小从上到下依次排)，置于振筛机上振筛，一般为10 min～15 min,取下并称量各级筛上及底盘内土样的质量。注意筛后各级筛上和底盘内土样质量总和与筛前试样质量之差不得大于1%。

c.粒径小于0.075 mm试样质量超过总质量的10%应采用密度计法。

d.小于某粒径试样质量占总试样的百分比。

其中，dx为d<2 mm试样占试样总质量百分比。

2)根据斯托克斯定律，土粒在液体中自重下沉时，质量较大的颗粒下沉速度快，质量较小的颗粒则下沉慢。对于粒径在0.002 mm～0.2 mm的颗粒，靠重力在液体中下沉时速度很慢，可认为是作匀速运动。

密度计法是称取100 g烘干后的土样(d<0.075 mm)倒入称量瓶中，加蒸馏水200 mL～250 mL，用玻璃棒搅拌使土颗粒与水混合充分，形成具有一定浓度的土悬液。静置1 h～2 h使土粒充分沉降。在土粒下沉过程中，分别读出在不同时间悬液内密度计的读数，根据土粒下沉时间和对应的密度计读数，就可以计算出小于某一粒径的颗粒占土样总量的百分比。

密度计法适用于d<0.075 mm的土。《土工试验方法标准》中试样颗粒粒径计算公式如下：

其中，d为试样颗粒粒径；η为水的动力粘滞系数,10-6kPa·s；GwT为T℃时水的比重；Gs为土粒比重；ρwT为4 ℃时纯水的密度,g/cm3；L为某一时间内的土粒沉降距离,cm；t为沉降时间，s；g为重力加速度，cm/s2。

用密度计法进行颗分试验时，必须假定所用量筒直径与比重计直径相比大得多；悬液必须是由均匀分散的土颗粒组成。

3 误差产生的原因分析

3.1 筛析法误差产生的原因

1)采用不同的分析筛、称量瓶及天平等产生的试验仪器误差。2)不同试验人员操作产生的试验人员误差。3)试验的温度、湿度不同产生的试验环境误差。4)试验过程中的随机误差。

就随机误差来讲，理论上实际留筛质量即为筛析法计算的留筛质量。而在实际操作中，土粒并非都是圆球形，对于方形或是椭圆形的土粒，直径相同的土颗粒位于筛面受到震动时，有些可以通过筛孔而有的却不能通过。产生的原因主要由于筛分时间的长短及筛分震动时力度的大小，更重要的是土颗粒此时处于筛孔的角度。

应当注意的是，堵在筛孔中的土粒不能参与到该层粒级的计算中，而应计入下一级筛中。在实际操作过程中，并不能保证相应的土粒完全通过筛孔，堵筛的现象在每一个筛分试验中都普遍存在，这就会造成各级筛上的实际留筛质量与下一级筛面的留筛质量发生变化，从而造成所测得的各粒径含量百分比也发生变化，土的定名与实际存在误差。对于此种情况可以通过增加试验土样的质量，以减小误差，使土的定名与实际相一致。

因此，在实际操作过程中，为减小筛析法所产生的误差应做到：1)应当定期对实验室的称量设备进行校验。2)针对不同的土样选择合理规范的试验方法。3)根据试验设备和操作规范的更新情况，定期安排试验操作人员进行培训。

3.2 密度计法误差产生的原因

1)颗粒形状对试验精度产生的影响。斯托克斯公式是以球形颗粒在介质中沉降为依据导出的。对于方形或椭圆形等不规则土粒，在液体中下沉时所受的阻力要大于规则球形颗粒下沉受到的阻力，沉降速度就会相应的减小，而斯托克斯定律在进行土粒分析时并没有考虑到颗粒形状对土粒下沉产生的影响，实测的沉降速度要偏大，同时颗粒在匀速下沉时忽略了其他相邻土粒的影响，使得计算的粒径结果偏大，这会造成试验测得的粘粒含量偏大，故在使用实验结果时应对试验数据进行适当的经验修正。

4 结语

土工试验分析土颗粒时，采用筛分法，应选择适当孔径的分析筛。若筛后各级筛上和底盘内土样的质量之和与筛前土试样之差大于1%，应进行平差。采用密度计法时，若有多组试验同时进行，应合理安排，控制好记录密度计下沉读数的时间，可以缩短试验的持续时间。

岩土工程勘察中首要工作就是对土的分类。土的定名不同，其工程性质差别就很大。所以应当提高对土工试验操作的重视程度，加强土工试验操作规程的学习，减少在操作过程中产生的误差，为后续的基坑工程及填方工程等提供准确的工程资料。

[1] GB/T 50123—1999,土工试验方法标准[S].

[2] 赵忠义，王 建.颗粒分析中密度计法土粒粒径计算公式研究[J].岩土工程学报，2001，23(2)：247-249.

[3] 曹晓娟.关于颗粒分析试验的误差分析和对策研究[J].铁道工程学报，2014(2)：38-40.

[4] 龙礼斌.张呼和吉珲客运专线铁路黏性地基土物理力学特性试验研究[D].成都：西南交通大学硕士论文，2013.

[5] 潘广灿，张金来.岩土工程勘察土工试验中的常见问题[J].地质灾害与环境保护，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

程永飞(1988- )，男，在读硕士； 武 斌(1989- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)23-0048-02

TU411

A