任务1.4　土的颗粒分析试验

【任务描述】

天然土都是由大小不同的颗粒所组成的，土粒的粒径从粗到细逐渐变化时，土的性质也随之相应地发生变化，在工程上把粒径大小相近的土粒，按适当的粒径范围归并为一组，称为粒组，各个粒组随着粒径分界尺寸的不同而呈现出一定质的变化。土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。

土的颗粒组成在一定程度上反映了土的某些性质，因此工程上常依据颗粒组成对土进行分类，粗粒土主要是依据颗粒组成进行分类的，而细粒土由于矿物成分、颗粒形状及胶体含量等因素，则不能单以颗粒组成进行分类，而要借助于塑性图或塑性指数进行分类。土的颗粒组成还可概略判断土的工程性质以及供建材选料之用。然而如何正确评价土的颗粒组成？我们来学习土的颗粒分析试验。

【任务分析】

本任务首先学习土的颗粒分析测试方法、适用范围、仪器配备、步骤、数据的记录整理。掌握了土的颗粒分析试验方法，再结合具体的工程实例进行实践操作和数据的分析整理，最后把成果运用于项目工程当中。

颗粒分析试验就是测定土中各种粒组所占该土总质量的百分数的试验方法，可分为筛分法和沉降分析法，其中沉降分析法又有密度计法（比重计法）和移液管法等。对于粒径大于0.075mm的土粒可用筛分析的方法来测定，而对于粒径小于0.075mm的土粒则用沉降分析方法（密度计法或移液管法）来测定。

【任务实施】

11.4.1　筛分法

筛分法就是将土样通过各种不同孔径的筛子，并按筛子孔径的大小将颗粒加以分组，然后再称量并计算出各个粒组占总质量的百分数。筛分法是测定土的颗粒组成最简单、迅速的一种直接分析方法。

1.适用范围

筛分法适用于粒径不大于60mm，大于0.075mm的土。

2.仪器设备

（1）分析筛。

1）圆孔粗筛。孔径为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm和2mm。

2）圆孔细筛。孔径为2.0mm、1.0mm、0.5mm、0.25mm和0.075mm。

筛分法在选用分析筛的孔径时，可根据试样颗粒的粗细情况和工程要求灵活选用。

（2）天平。称量5000g，最小分度值1g；称量1000g，最小分度值0.1g；称量200g，最小分度值0.01g。

（3）振筛机。筛分过程中应能上下振动、水平转动。

（4）其他。烘箱、量筒、漏斗、木碾、研钵、瓷盘、筛刷、匙等。

3.试样数量

先用风干法制样，然后从风干松散的土样中，用四分法按表1.12称取有代表性的试样，称量应准确至0.1g，当试样质量超过500g时，称量应准确至1g。

含砾土在现场分布极不均匀，选取代表性试样不易，一般要求：①现场多选几个随机点取样；②实验室内先充分拌而后用四分法取样；③取样数量应随粒径大小而异，粒径越大，数量越多。

4.操作步骤

（1）无黏性土：

1）将按表1.12规定称取试样，过孔径为2mm的筛，分别称出留在筛子上和已通过筛子孔径的筛子下试样质量。当筛下的试样质量小于试样总质量的10%时，不作细筛分析；当筛上的试样质量小于试样总质量的10%时，不作粗筛分析。粗筛筛分时可多筛几次，以确保每级筛上只有比它直径大的土粒。

2）取2mm筛上的试样倒入依次叠好的粗筛的最上层筛中，进行粗筛筛分，然后再取2mm筛下的试样倒入依次叠好的细筛的最上层筛中，进行细筛筛分。细筛宜置于振筛机上进行振筛，振筛时间一般为10～15min。

3）按由最大孔径的筛开始，由上而下顺序将各筛取下，在白纸上用手轻叩摇晃，至每分钟筛下数量不大于该级筛余质量的1%为止，漏下的土粒应全部放入下一级筛内，然后分别称留在各级筛上及底盘内试样的质量，准确至0.1g。

（2）含有细粒土颗粒的砂土：

1）将土样放在橡皮板上，用木碾将黏结的土团充分碾散、拌匀、烘干、称量。

2）按表2.13规定称取代表性试样，置于盛有清水的容器中，浸泡并用搅棒充分搅拌，使试样的粗细颗粒完全分离。

3）将容器中的试样悬液通过2mm筛，边冲边洗过筛，直至筛上仅留大于2mm以上的颗粒为止。然后取留在筛上的试样烘至恒量，并称烘干试样质量，准确到0.1g，按上面无黏性土的筛分步骤对该部分土样进行粗筛分析。对于无黏性土，可用干筛法；而对于含有部分细粒土的粗粒土，必须用水筛法，以保证颗粒的充分分散。

4）将通过2mm筛下的试样悬液存放在盆中，待稍沉淀，将上部悬液过0.075mm洗筛，用带橡皮头的玻璃棒研磨盆内浆液，再加清水、搅拌、研磨、静置、过筛，反复进行，直至盆内悬液澄清。最后将全部土粒倒在0.075mm筛上，用水冲洗，直到筛上仅留大于0.075mm净砂为止。将大于0.075mm的净砂烘干后称量，准确至0.1g，按上面无黏性土的筛分步骤对该部分土样进行细筛分析。

5）《土工试验方法标准》（GB/T　50123—1999）规定，当大于0.075mm的颗粒超过试样总质量的10%；《公路土工试验规程》（JTG　E40—2007）规定，当大于0.075mm的颗粒超过试样总质量的15%时，应先进行筛分试验，然后经过洗筛，过0.075mm筛，再用密度计法或移液管法进行试验。

5.结果整理

（1）计算和绘图：

1）小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比可按式（1.18）计算：

2）制图。以小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比为纵坐标，以颗粒粒径为对数横坐标，在单对数坐标上绘制颗粒大小分布曲线，如图1.5所示。

3）计算级配指标。不均匀系数和曲率系数。按式（1.19）计算不均匀系数：

按式（1.20）计算曲率系数：

（2）试验记录。筛分法颗粒分析试验记录见表1.13。

（3）允许差值。筛后各级筛上及底盘内试样质量的总和与筛前试样总质量的差值，不得大于试样总质量的1%。

11.4.2　密度计法

司笃克斯（Stokes）定律指出，小球体在水中沉降速率时恒定的；小球体沉降速率大小与其直径的平方成正比。密度计法是依据司笃克斯定律进行测定的。当土粒在液体中靠自重下沉时，较大的颗粒下沉较快，而较小的颗粒下沉则较慢。一般认为，对于粒径为0.2～0.002mm的颗粒，在液体中靠自重下沉时，做等速运动，这符合司笃克斯定律。

司笃克斯定律是以单个球体在液体内部的沉降为讨论对象，而实际上土颗粒多呈扁平状或棒状，密度计法依据司笃克斯定律计算时，将土颗粒按等效粒径处理，且没考虑颗粒一起沉降时的相互干扰和影响，差异较大，因此按筛分法和按密度计法分别求得的粒径累积曲线的衔接处往往不连续。

密度计法，是将一定量的土样（粒径小于0.075mm）放在量筒中，然后加纯水，经过搅拌，使土的大小颗粒在水中均匀分布，制成一定量的均匀浓度的土悬液（1000mL）。静止悬液，让土粒沉降，在土粒下沉过程中，用密度计测出在悬液中对应于不同时间的不同悬液密度，根据密度计读数和土粒的下沉时间，就可计算出粒径小于某一粒径d（mm）的颗粒占土样的百分数。

用密度计进行颗粒分析须作下列三个假定：

（1）司笃克斯定律能适用于用土样颗粒组成的悬液。

（2）试验开始时，土的大小颗粒均匀地分布在悬液中。

（3）所采用量筒的直径较密度计直径大得多。

1.适用范围

密度计法是沉降分析法的一种，只适用于粒径小于0.075mm的细粒土。

2.仪器设备

（1）密度计。目前通常采用的密度计有甲、乙两种，这两种密度计的制造原理及使用方法基本相同，但密度计的读数所表示的含义则是不同的，甲种密度计读数所表示的是一定量悬液中的干土质量；乙种密度计读数所表示的是悬液比重。

1）甲种密度计。刻度单位以在摄氏20℃时每1000mL悬液内所含土质量的克数来表示，刻度为－5～50，最小分度值为0.5。

2）乙种密度计。刻度单位以在摄氏20℃时悬液的比重来表示，刻度为0.995～1.020，最小分度值为0.0002。

（2）量筒。容积1000mL，内径约60mm，高约420mm，刻度0～1000mL，准确至10mL。

（3）细筛。孔径2mm、1mm、0.5mm、0.25mm；洗筛：孔径0.075mm。

（4）洗筛漏斗。上口直径略大于洗筛直径，下口直径略小于量筒内径。

（5）天平。称量1000g，最小分度值0.1g；称量200g，最小分度值0.01g。

（6）搅拌器。轮径50mm，孔径3mm，杆长约450mm，带螺旋叶。

（7）煮沸设备。电砂浴或电热板（附冷凝管装置）。

（8）温度计。刻度0～50℃，最小分度值0.5℃。

（9）其他。秒表、烘箱、容积500mL的锥形烧瓶、研钵、木杵、电导率仪等。

3.试剂

（1）分散剂。4%六偏磷酸钠溶液，在100mL水中溶解4g六偏磷酸钠（NaPO3）6。

（2）易溶盐检验试剂。5%酸性硝酸银溶液，在100mL的10%硝酸（HNO3）溶液中溶解5g硝酸银（AgNO3）。

（3）易溶盐检验试剂。5%酸性氯化钡溶液，在100mL的10%盐酸（HCl）溶液中溶解5g氯化钡（BaCl2）。

4.操作步骤

（1）称取具有代表性的风干试样200～300g，土样的风干可自然干燥，也可在烘箱内以不超过50℃进行鼓风干燥，过2mm筛，并求出留在筛上试样占试样总质量的百分比。取过2mm筛的土测定试样的风干含水率。

（2）称取干土质量为30g的风干试样，所需风干试样的质量可按下列公式计算。

当易溶盐含量小于1%时：

当易溶盐含量不小于1%时：

（3）当试样中易溶盐含量大于0.5%时，则说明试样中含有了足以使悬液中土粒成团下降的易溶盐，须经过洗盐才能进行密度计法试验，否则会对试验结果产生显著影响。

1）易溶盐含量检验。易溶盐含量的检验方法可采用电导法或目测法。电导法效率高，操作方便、准确，其原理是根据电导率在低浓度溶液范围内与悬液中的易溶盐含量成正比关系。目测法是比较简易的方法，在没有电导率仪时可用目测法检验试样溶液是否含盐。

a.电导法。采用电导率仪，测定温度为T℃时试样溶液（土水比为15）的电导率，并按式（1.23）计算20℃时的电导率：

实验证明，当K20小于1000μS/cm时，相应的含盐量不会大于0.5%，所以当K20大于1000μS/cm时，应进行洗盐；若K20大于2000μS/cm时，应通过易溶盐试验测定易溶盐含量。另外，当试样溶液的K20大于1000μS/cm时应将含盐量计入，否则会影响试验的计算结果。

b.目测法。取均匀风干试样3g放入烧杯中，加4～6mL纯水调成糊状，并用带橡皮头的玻璃棒研散，再加25mL纯水，然后煮沸10min，冷却后经漏斗注入30mL的试管中，塞住瓶口，放至试管架上静置过夜。观察试管，若发现试管中悬液有凝聚现象（在沉积物上部呈松散絮绒状），则说明试样中含足以使悬液中土粒成团下降的易溶盐，应进行洗盐。

2）洗盐方法。按式（1.22）计算并称取干土质量为30g的风干试样，准确至0.01g，倒入500mL的锥形瓶中，加纯水200mL，搅拌后用滤纸过滤法或抽气过滤法进行洗盐。对于滤纸过滤法，将加水搅拌后的试样迅速倒入贴有滤纸的漏斗中，并注入纯水冲洗过滤，若发现滤液混浊，则必须重新过滤，直到滤液的电导率K20小于1000μS/cm或用两个试管各取刚滤下的滤液3～5mL，分别加入数滴5%酸性硝酸银溶液和5%酸性氯化钡溶液后均无白色沉淀反应为止。将漏斗上的土样细心洗下，然后风干试样。

（4）将风干试样或洗盐后在滤纸上的试样，倒入500mL锥形瓶，注入200mL纯水，浸泡过夜；然后将锥形瓶置于煮沸设备上煮沸，煮沸时间为40min。黏性土的土粒可分成原级颗粒和团粒两种，对于试样的分散标准，目前多采用煮沸加化学分散剂的方法，这样即可使土粒充分分散，又不破坏土的原级颗粒及其聚合体，基本上可以使土结构单元在不受任何破坏的前提下求得土样各粒组质量所占土总质量的百分数。

（5）将冷却后的悬液倒入烧杯中，静置1min，通过洗筛漏斗将上部悬液过0.075mm筛，注入1000mL量筒内。遗留杯底沉淀物用带橡皮头研杆研散，再加适量水搅拌，静置1min，再将上部悬液过0.075mm筛，如此重复进行，直至静置1min后，上部悬液澄清为止。最后将全部土粒倒入筛内，用水冲洗至仅有大于0.075mm净砂为止。但是须注意的是，最后所得悬液不得超过1000mL。

（6）将筛上和杯中砂粒合并洗入蒸发皿中，倒去清水，烘干，称量，然后进行筛孔径分别为2mm、1mm、0.5mm、0.25mm的细筛分析，并计算大于0.075mm的各级颗粒占试样总质量的百分比。

（7）将已通过0.075mm筛的悬液倒入量筒内，加入10mL的4%六偏磷酸钠分散剂，再注入纯水至1000mL，如果加入六偏磷酸钠后仍产生凝聚的试样应选用其他分散剂。

国内对土的分散剂品种选用，有从不同土类的角度出发选择的，有从不同的分散理论出发选择的。《土工试验方法标准》（GB/T　50123—1999）结合我国以往对分散剂的使用现状及我国土类分布的多样性，规定对于一般易分散的土用浓度4%六偏磷酸钠作为分散剂，至于特殊土类，可按工程实际需要及土类特点选择不同的合适分散剂。《公路土工试验规程》（JTG　E40—2007）则从土悬液pH值大小来考虑分散剂品种的选用，对酸性土（pH值≤6.5），加0.5mol/L氢氧化钠20mL；对中性土（6.5＜pH值≤7.5），加0.25mol/L草酸钠18mL；对碱性土（pH值＞7.5），加0.083mol/L六偏磷酸钠15mL；若土的pH值大于8，六偏磷酸钠的分散效果不好或无法分散时，可另用30g土样加0.125mol/L焦磷酸钠14mL进行分散。而当土中有机质含量较高时，许多分散剂失效，密度计法结果可能不可靠。

（8）将搅拌器放入量筒内，沿悬液深度上下搅拌1min，往复约30次，使悬液内土粒均匀分布，但在搅拌时注意不能使悬液溅出筒外。

（9）取出搅拌器，将密度计放入悬液中的同时，立即开动秒表，测记0.5min、1min、2min、5min、15min、30min、60min、120min和1440min时的密度计读数，直至小于某粒径的土质量百分数小于10%为止。每次读数前10～20s，均应将密度计放入悬液中，且在接近读数的深度保持密度计浮泡处在量筒中心，不得贴近量筒内壁。在悬液中放入或取出密度计时，应轻、稳和小心，尽量勿搅拌悬液，动作要快，应控制在10s左右。

（10）密度计读数均以弯液面上缘为准。甲种密度计应准确至0.5，乙种密度计应准确至0.0002。每次读数后，应取出密度计放入盛有纯水的量筒中，并测定相应的悬液温度，准确至0.5℃，放入或取出密度计时，应小心轻放，不得扰动悬液。

5.密度计校正

密度计在制造过程中，其浮泡体积及刻度往往不易准确，况且，密度计的刻度是以20℃温度下的纯水为标准的，当悬液中加入分散剂后，悬液的比重则比原来增大，因此，密度计在使用前应对刻度、弯液面、土粒沉降距离、温度、分散剂等的影响进行校正。

密度计刻度、弯液面、土粒有效沉降距离的校正工作很繁重，所以当生产单位对密度计刻度和土粒有效沉降距离及弯液面在已进行校正并备有检定合格证时，《土工试验方法标准》（GB/T　50123—1999）规定，在使用前不需要对密度计这些方面进行校正；《公路土工试验规程》（JTG　E40—2007）仍要求进行校正。所有密度计均应进行温度、土粒比重和分散剂的校正。

（1）土粒沉降距离校正：

1）测定密度计浮泡体积。在250mL量筒内倒入约130mL纯水，并保持水温为20℃，以弯液面上缘为准，测记水面在量筒上的读数并划一标记，然后将密度计缓慢放入量筒中，使水面达密度计的最低刻度处（以弯液面上缘为准）时，测记水面在量筒上的读数并再划一标记，水面在量筒上的两个读数之差即为密度计的浮泡体积，读数准确至1mL。

2）测定密度计浮泡体积中心。在测定密度计浮泡体积之后，将密度计垂直向上缓慢提起，并使水面恰好落在两标记的中间，此时，水面与浮泡的相切处（以弯液面上缘为准），即为密度计浮泡的中心，将密度计固定在三脚架上，用直尺量出浮泡中心至密度计最低刻度的垂直距离。

3）测定1000mL量筒的内径（准确至1mm），并计算出量筒的截面积。

4）量出密度计最低刻度至玻璃杆上各刻度的距离，每5格量距1次。

5）按式（1.24）计算土粒有效沉降距离：

6）用所量出的最低刻度至玻璃杆上各刻度的不同距离L1值代入式（1.24），可计算出各相应的土粒有效沉降距离L值，并绘制密度计读数与土粒有效沉降距离的关系曲线，从而根据密度计的读数就可得出土粒有效沉降距离。

（2）刻度及弯液面校正。试验时密度计的读数是以弯液面的上缘为准的，而密度计制造时其刻度是以弯液面的下缘为准，因此应对密度计刻度及弯液面进行校正。将密度计放入20℃纯水中，此时密度计上弯液面得上、下缘的读数之差即为弯液面的校正值。

（3）土粒比重校正。密度计刻度系假定悬液内土粒的比重为2.65，若试验时土粒的比重不是2.65，则必须加以校正，甲、乙两种密度计的比重校正值可分别按式（1.26）和式（1.28）计算，或由表1.14查得。

（4）温度校正。密度计刻度是在20℃时刻制的，但试验时的悬液温度不一定恰好等于20℃，而水的密度变化及密度计浮泡体积的膨胀，会影响到密度计的准确读数，因此需要加以温度校正。密度计读数的温度校正可从表1.15查得。

（5）分散剂校正。在用密度计读数时，若在悬液中加入分散剂，则也应考虑分散剂对密度计读数的影响。具体方法是，将1000mL的纯水恒温至20℃，先测出密度计在20℃纯水中的读数，然后再加试验时采用的分散剂，用搅拌器在量筒内沿整个深度上下搅拌均匀，并将密度计放入溶液中测记密度计读数，两者之差，即为分散剂校正值。

6.结果整理

（1）计算和绘图：

1）小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比，可按下式公式计算：

a.甲种密度计：

b.乙种密度计：

Vx——悬液体积（＝1000mL）。

2）试样颗粒粒径按司笃克斯公式［式（1.29）］计算：

3）制图。以小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比为纵坐标，以颗粒粒径为对数横坐标，在半对数坐标上绘制颗粒大小分布曲线，如图1.5所示。求出各粒组的颗粒质量百分数，且不大于d10的数据点至少一个。

必须注意的是，当试样中既有小于0.075mm的颗粒，又有大于0.075mm的颗粒，需进行密度计法和筛分法联合分析时，应考虑到小于0.075mm的试样质量占试样总质量的百分比，即应将按式（1.25）或式（1.27）所得的计算结果，再乘以小于0.075mm的试样质量占试样总质量的百分数，然后再分别绘制密度计法和筛分法所得的颗粒大小分布曲线，并将两段曲线连成一条平滑的曲线。

（2）试验记录。密度计法颗粒分析试验记录见表1.18。