顆粒分析試驗密度計法的誤差研究

何巧靈　吳明雷

摘要：以《土工試驗方法標準》為依據，對土樣進行了室內試驗。根據大量室內實測資料，系統地分析了顆粒分析密度計試驗準確性的影響因素，結果表明其影響因素主要包括試樣的煮沸時間，分散劑的加入情況，以及其它一些人為因素等等；同時為了使得試驗結果更加準確，實驗操作需要要嚴格按照規范進行操作，得出在洗篩之前加入分散劑，才能充分發揮分散劑的分散作用。

關鍵詞：密度計試驗；顆粒分析試驗；試驗結果；影響因素；減小誤差

引言

土的顆粒分析試驗是土工試驗中一項重要的內容，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量所占的百分比。曹曉娟（2014）重點從顆分試驗的內容和操作要點出發，分析試驗中產生誤差的可能原因和造成的后果，在試驗中找到相應的應對措施，盡可能的避免誤差的產生，在采用了對應的應對措施之后，使試驗結果與實際天然狀態更接近[1]。王卉（2011）在顆粒分析試驗中分析了系統誤差和隨機誤差產生的原因，得出了一系列結果，包括在不同實驗室中，利用同一土樣得出的試驗結果存在隨機差異；使用不同的分散劑得出的試驗結果有所不同（屬于系統誤差），以及真實狀態的土性與室內顆粒分析試驗所得試驗結果存在著一定誤差，并建議找出這些誤差產生的原因，以及以相應的措施來減少誤差，獲得誤差更小的試驗結果。最后對顆粒分析試驗密度計法，建議用六偏磷酸鈉作分散劑更為合適[2]。高慧君（2014）指出土粒比重試驗方法直接影響土的比重指標值，決定工程的土類評價。結合工作經驗和對天津地區土進行的土粒比重對比試驗，全面分析了影響土粒比重試驗的諸多影響因素，結合實際提出了改進意見，總結出一套快速有效、準確率高的試驗方法[3]。崔海弘（2014）從工程質量和安全的角度出發，認真分析試驗的各個基本步驟，并指出研究人員應該發揮主動能動性，不斷地改進和完善土粒比重試驗方法，以減少試驗誤差給人們帶來的損失 [4]。對于密度計法顆粒分析試驗，易南概（2007）通過對兩種試驗操作方法（《規程》和《土工試驗標準》中的試驗操作方法與改進的試驗操作方法）的對比分析，總結出一種更加準確、有效的試驗方法，為其它土工試驗室人員提供了參考[5]。

本文進行了大量的室內顆粒分析密度計試驗，在試驗結果分析的基礎上，對密度計試驗可能產生的誤差進行了理論分析，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 密度計試驗原理

密度計法，取一定量粒徑小于0.075mm的土樣，煮沸一定的時間，經過孔徑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，根據不同時刻的懸液密度（密度計的讀數）和土顆粒的下沉時間，計算出試樣總質量中小于某一粒徑的顆粒質量所占的百分數。

2 密度計試驗

2.1密度計試驗步驟

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

1.采用風干土樣，進行碾散。

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的土樣反復碾散，直到留在漏斗篩的土顆粒的粒徑大于2mm時為止；

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的三角燒杯中，加入蒸餾水，浸泡24小時；

5.將浸泡后的土樣進行煮沸，從煮沸開始計時，A號試樣煮沸20分鐘，B和C號土樣加熱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.用攪拌器進行攪拌，每兩秒攪拌一次，大約30次，使量筒內的土顆粒均勻分布；

8.從停止攪拌時刻開始，開動秒表，測60、300、1800、3600、7200、10800秒時密度計讀數。

本試驗采用的是TM85型土壤密度計（圖2），對應的讀數是懸液在20℃時每1000 ml所含土質量的刻度來表示的，刻度區間為-5～50，最小分度0.5。密度計讀數時要嚴格按照規定來進行，當密度計放入量筒中時，密度計浮泡不得碰到或靠近量筒壁，讀數以彎液面的頂面為準，如圖3。

3密度計試驗結果分析

密度計是根據20℃的懸液情況而設制的，本試驗進行時的懸液溫度是27℃，溫度會影響密度計浮泡的情況和懸液的密度，導致密度計的讀數出現誤差，所以溫度要進行校正。查表得到溫度校正值（27℃）為2.5，土粒比重校正系數（2.69）為 0.989，TM85型土壤密度計沉降距離校正系數（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數X =100/試樣干土質量×土粒比重校正系數×比重計校

根據土粒直徑和小于某粒徑的土樣百分數繪制出顆粒大小分布試驗數據曲線。

利用巖土工程工勘察繪圖軟件， 將測得的原始數據輸入計算機程序中， 就得到顆粒大小分布的光滑曲線和所要求的試驗數據，如圖4，生成的數據曲線不需要再修改。

4 密度計試驗誤差分析及措施

根據圖4中的試驗結果計算出各粒組的顆粒含量百分數（表1和表2）。

4.1 根據煮沸時間不同的試驗結果分析

表1中，在樣品制備過程中，A號煮沸時間為20分鐘，C號煮沸時間為45分鐘（根據規范規定），試驗使用同一土樣，在洗篩后加入偏磷酸鈉分散劑而制備的，然后利用TM85型密度計進行試驗。由上述試驗數據分析得出，在具有相同條件的情況下，A號砂粒含量多于C號，C號的粘粒含量多于A號，是因為A號煮沸時間短，一部分顆粒結塊未煮散。在規范規定的時間范圍內，隨著煮沸時間的加長，得到的粘粒含量越高，而這種粘粒含量的增加是有限度的，如果煮沸時間無限超過規范規定的時間，會使得土的團粒結構遭到破壞。

4.2根據分散劑加入情況的試驗結果分析

表2 中，在土樣制備過程中，B號是洗篩之前加入分散劑，C號是洗篩之后加入分散劑，試樣使用同一土樣，煮沸一定時間（45分鐘）而制備的，同樣使用TM85型密度計進行試驗。由試驗結果的分析得到，在具備相同條件的情況下，B號的砂粒含量少于C號，B號的粘粒含量多于C號，是因為分散劑在洗篩之前加入，會在洗篩、碾磨過程中起作用，分散劑作用時間更長，使偏磷酸鈉充分起到分散作用。

5 結 論

土樣的密度計法試驗分析會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，因為煮沸過程中，濺出一些土顆粒，以及在洗篩時，可能會粘在燒杯壁上一些土顆粒；b.煮沸時間的影響，要根據規范的規定進行，避免煮沸時間過短或過長；c.本實驗得出結論，在洗篩之前加入，使分散劑的分散作用更充分；d.密度計的選取，使用不同的密度計可能影響到測得的數據，由于受到條件的限制，此試驗以后進行研究；e.不同的試驗人員自身的經驗以及操作技巧會影響到試驗結果；f.懸液在攪拌過程中，由于顆粒的攪拌不均勻，影響到密度計讀數。試驗誤差的存在，會影響到試驗結果，實驗員上崗前要組織培訓，按照土工試驗標準進行操作，來縮小這些誤差，得到更加準確的試驗結果。