室內土工試驗顆粒分析試驗用水的探討

余道洋

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

工程建設中需要了解地基土的性質和組成，為地基基礎設計和施工提供依據，在建筑現場采取土樣進行室內土工試驗是最基本的手段。通過各種室內試驗可以判斷地基土的組成并獲取地基土的物理力學性質指標，其中顆粒分析試驗是一種重要的室內試驗方法。顆粒分析試驗可以測定土樣中各粒徑組土顆粒的含量（以該土占該土樣總質量的百分數表示），用于粉（砂）性土的分類定名和地基土液化判別，另外，在地下工程及水利堤防工程中，也是判別和防治流砂管涌的重要指標，還可為地鐵工程盾構選型提供依據。顆粒分析試驗分為兩種：一種是篩析法，適用于粒徑大于0.075mm的土顆粒試樣，采用標準篩對土試樣進行機械震蕩分類，以求得各粒徑組土的顆粒質量；二是密度計法，適用于粒徑小于0.075mm的土顆粒試樣，通過化學和物理方法處理后的懸浮溶液，置于量筒中，根據土顆粒在懸浮溶液中不同的下沉速度引起溶液密度變化，用密度計讀取密度變化值后，得出各個粒徑組土的顆粒質量。在工程實踐中，密度計法應用更為普遍，現有的土工試驗標準中均規定采用純水（蒸餾水或去離子水）作為試驗用水。由于生產試驗過程中對水的需求量很大，純水的來源需要使用專用設備制取或者外購，對生產帶來不便，也大大增加了試驗成本。關于試驗用水的研究較少，本文對自來水作為試驗用水進行研究，通過對比分析純水和自來水分別作為試驗用水得出的試驗結果，探討試驗的可行性，以達到合理利用資源，提高生產效率，簡化試驗方法的目的。

1 顆粒分析試驗密度計法的試驗原理

根據斯篤克在1851年的研究結果，球體微粒在靜水中沉降，其沉降速度與球體微粒的半徑平方成正比，而與介質的粘滯系數成反比。相關實踐表明，當土顆粒在靜水中自由下沉時，較大的顆粒下沉速度快，較小的顆粒下沉速度慢，顆粒直徑在0.002～0.2mm的顆粒在液體中下沉作等速運動，比較符合斯篤克定律。顆粒分析試驗密度計法是依據斯篤克定律，選擇一定質量的風干土樣放入三角瓶中，注入純水加熱讓土顆粒完全散開，然后將溶液過0.075mm篩后倒入量筒中，加入化學分散劑，再注入純水至1 000m L進行充分攪拌1min，保證所有的土顆粒在水中均勻分布，形成一定量的懸浮溶液，然后讓土顆粒憑借自重逐漸下沉。用密度計測量不同時間下懸液的讀數，從而計算出某一粒徑土的顆粒質量占總土樣的質量百分數。

2 試驗用水分析

2.1 水質測試

純水與自來水都是無色無味的透明液體，在外觀上沒有差別難以區分。為探查兩種水質的差別，現分別取1 000m L的代表性純水水樣和自來水水樣進行水質成分測試，分析兩者的差異。測試根據國家標準《巖土工程勘察規范》（GB 50021—2001）（2009年版）和行業標準《水電工程地質勘察水質分析規程》（NB/T 35052—2015）相關要求進行。經測試和計算得出各種指標結果見表1。

2.2 水質差異分析

通過水質分析結果可以看出，純水和自來水的水質有一定差異，其中游離二氧化碳CO2、氯離子Cl-、鈣離子Ca2+、僅在自來水中檢出，氫氧根離子OH-、碳酸根離子CO32-、銨根離子NH4+、侵蝕性CO2兩者都未檢出，其余測試指標兩者都有檢出，部分指標如碳酸氫根離子HCO3-、總礦化度等相差較大，但p H值相差不大。

純水通過蒸餾或離子交換方式去除水中氣體（游離二氧化碳CO2等）及各種游離離子（如氯離子Cl-、鈣離子Ca2+等）等雜質，因此水中離子總體含量較低，而自來水主要通過沉淀、消毒、過濾等工藝流程處理，去除水中對人體有害的雜質，故水中離子總體含量較高，尤其是氯離子含量。

進一步分析兩者的p H值，純水為6.50，自來水為7.29，有一定差別但差別不大，都接近于中性水7.00。純水剛生產出來時為中性水，后期由于運輸及使用過程中，難免接觸空氣，故導致p H值有所降低。

總體而言，純水和自來水的p H值差異不大，但從氣體及離子含量方面，水質有一定差異，因此需考慮水質差異對試驗結果的影響。

3 試驗方法

3.1 試驗方案

上海地區土性以黏性土、粉性土（黏質粉土、砂質粉土）、砂性土為主，顆粒分析試驗主要針對粉性土和砂性土，為充分對比兩種試驗用水的結果，選取代表性土樣30組，其中10組為黏質粉土、10組為砂質粉土、10組為粉砂，每組分別采用純水和自來水進行顆粒分析試驗，共計60組，研究其對定名、顆粒組成含量的影響程度。

3.2 試驗標準和步驟[1-3]

試驗標準根據上海《巖土工程勘察規范》（D J G 08-37—2012）確定，采用甲種密度計。試驗設備包括：1 000m L量筒、燒瓶、天平、甲種密度計、秒表、0.075mm的標準篩、分散劑（六偏磷酸鈉）、溫度計等。

根據試驗方案，每組樣品根據土性均選取代表性試樣（經烘箱108℃和6 h以上烘干）40 g，倒入不同的燒瓶中，分別加入純水和自來水加熱至沸騰，沸騰時間約40 min，冷卻至室溫，過0.075 mm篩，篩上顆粒烘干稱重，篩下溶液倒入量筒并加分散劑，根據既定水類別定容至1 000m L。攪拌器放入量筒中上下攪拌1min，放入甲種密度計，分別讀取 1 min、5 min、15 min、30 min、60 min、210 min時密度計讀數，精確至刻度0.5。每次讀數均在欲讀數10～20 s前將密度計小心放入懸液接近讀數的深度，并注意密度計保持在量筒中部位置不得貼近筒壁，密度計讀數均以彎液面上緣為準，每次讀數后測定相應的懸液溫度，準確至0.5℃，并盡量減少對懸液的擾動。

3.3 試驗結果

根據上述試驗方案和試驗標準方法，獲得不同土性（黏質粉土、砂質粉土、粉砂）60組樣品的自來水和純水的顆粒分析試驗結果見表2～表7。

4 試驗結果分析

根據60組樣品的顆粒分析試驗結果，純水和自來水對土樣定名和顆粒組成含量影響分析如下。

4.1 黏質粉土

對純水和自來水的試驗結果進行比較，各項指標的單個樣品和全部樣品的平均值，試驗數據基本相同，尤其是黏粒含量基本接近，定名也一致，表明試驗用水對土樣定名和顆粒組成含量結果影響不大，對黏質粉土采用自來水進行試驗是可行的。

表3 顆粒分析試驗結果表（純水、黏質粉土）

4.2 砂質粉土

兩種試驗用水得到的試驗數據有一定差異，個別樣品的試驗值差異較大，但樣品的平均值差異不大，尤其是關鍵性指標黏粒含量基本接近，定名也相同，表明試驗用水對試驗結果影響不大。考慮試驗方法和試驗過程本身也具有一定的誤差，故對砂質粉土采用自來水進行試驗是可行的。

4.3 粉砂

比較兩種試驗用水的試驗結果，單個樣品的試驗值差異相對較大，但樣品的平均值相差不大，定名也相同。分析試驗值差異的原因，主要由于上海地區粉砂含黏量較大，土性差異較大，導致各粒徑土顆粒分布不均，且粉砂組成土顆粒粒徑跨度較大，故對試驗結果影響相對較大。對定名來說，決定因素是由0.075篩上顆粒質量決定，密度計讀數只決定粉砂的黏粒含量，所以水質對定名沒有影響。采用自來水對粉砂有一定差異，但考慮試驗方法和試驗過程本身也具有一定的誤差，且對土樣定名沒有影響，故采用自來水對粉砂進行試驗可行。

表5 顆粒分析試驗結果表（純水、砂質粉土）

總結各土性的試驗分析結果，表明采用自來水進行顆粒分析試驗，對土樣定名沒有影響，得到的顆粒組成數據結果存在一定差異，但差異并不明顯，尤其是黏質粉土和砂質粉土。存在差異的原因主要有試驗樣品的土性、均勻性、試驗設備的精度、人工操作方法差異等，表明水對試驗結果的影響不明顯，因此采用自來水進行顆粒分析試驗基本可行。

表6 顆粒分析試驗結果表（自來水、粉砂）

表7 顆粒分析試驗結果表（純水、粉砂）

5 結語

（1）通過水質分析試驗，純水和自來水的水質有一定差異，其中氣體和部分離子的含量相差較大，但p H值相差不大。

（2）通過對上海地區典型地基土分別采用純水和自來水作為水源進行顆粒分析試驗，結果表明對土樣定名沒有影響；得到的顆粒組成含量結果差異較小，表明水對試驗結果的影響較小，采用自來水代替純水進行顆粒分析試驗基本可行。

（3）該次試驗是以60組土樣樣品進行試驗，數據的來源有限，需要在今后的工程實踐中進一步積累經驗，以充分驗證試驗的可行性。