土的颗粒分析试验.docx

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土的颗粒分析试验

土的颗粒分析试验

土的颗粒分析试验

第一节筛析法

一、试验目的

测定小于某粒径的颗粒或粒组占砂土质量的百分数，以便了解土的粒度成分，并作为砂土分类及土工建筑选料的依据。

二、基本原理

筛析法是利用一套孔径不同的标准筛来分离一定量的砂土中与筛孔径相应的粒组，而后称量，计算各粒组的相对含量，确定砂土的粒度成分。

此法适用于分离粒径大于0.075mm的粒组。

三、仪器设备

1、标准筛一套（图1-1）；

2、普通天平：

称量500g，最小分度值0.1g；

3、磁钵及橡皮头研棒；

4、毛刷、白纸、尺等。

顶盖

2mm

1mm

0.5mm

0.25mm

0.1mm

0.075mm

底盘

1

2

3取走

取走

4

图1－1标准筛

图1－2四分法图解

四、操作步骤

1、制备土样

（1）风干土样，将土样摊成薄层，在空气中放1～2天,使土中水分蒸发。

若土样已干，则可直接使用。

（2）若试样中有结块时，可将试样倒入磁钵中，用橡皮头研棒研磨，使结块成为单独颗粒为止。

但须注意，研磨力度要合适，不能把颗粒研碎。

只适用于粒径小于0.075mm的土样。

密度计法，是将一定量的土样（粒径<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、斯托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比重计直径大得多。

三、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20ºC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20ºC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；

3、漏斗式洗筛：

孔径0.075mm；

4、搅拌器：

轮径50mm，孔径3mm；

5、煮沸设备：

电热器、锥形烧瓶；

6、分散剂：

4%六偏磷酸钠或其他分散剂；

7、其他：

温度计、研钵、秒表、烧杯、瓷皿、天平等。

四、操作步骤

1、密度计的校正

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︒C的纯水为标准的。

由于受实验室多种因素的影响，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。

（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︒C，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（弯液面上缘为准），即为密度计浮泡的中心，将密度计固定在三角架上，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按下式计算土粒有效沉降距离

（1-2）

式中，L为土粒有效沉降距离，cm；

为水面至密度计浮泡中心的距离，cm；L1为最低刻度至玻璃杆上各刻度的距离，cm；L0为密度计浮泡中心至最低刻度的距离，cm；Vb为密度计浮泡体积，cm3；A为1000mL量筒的截面积，cm。

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（1-2）,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。

图1-3弯液面校正

（2）刻度及弯液面校正

试验时密度计的读数应以弯液面的上缘为准，而密度计制造时其刻度是以弯液面的下缘为准（图1-3），因此应对密度计刻度及弯液面进行校正。

将密度计放入20ºC纯水中，此时密度计上弯液面的上、下缘的读数之差即为弯液面的校正值。

因弯液面上缘刻度永远大于下缘刻度，故此值永远为正。

某些密度计出厂时已注明以弯液面上缘为准，即校正值为零。

（3）温度校正

密度计刻度是在20ºC时刻制的,但试验时的悬液温度不一定恰好等于20ºC,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值可从表1-1查得。

（4）分散剂校正

为了使悬液充分分散，常加一定量的分散剂，悬液的密度则比原来的增大，因此应考虑分散剂对密度计读数的影响。

具体方法是：

将量筒内1000mL的纯水恒温至20ºC,先测出密度计在20ºC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。

（5）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制作的，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由表1-2查得。

表1-1温度校正值

悬液

温度（℃）

甲种密度计温度

校正值

乙种密度计温度

校正值

悬液

温度（℃）

甲种密度计温度

校正值

乙种密度计温度

校正值

悬液

温度（℃）

甲种密度计温度

校正值

乙种密度计温度

校正值

10.0

-2.0

-0.0012

17.0

-0.8

-0.0005

24.0

1.3

0.0008

10.5

-1.9

-0.0012

17.5

-0.7

-0.0004

24.5

1.5

0.0009

11.0

-1.9

-0.0012

18.0

-0.5

-0.0003

25.0

1.7

0.0010

11.5

-1.8

-0.0011

18.5

-0.4

-0.0003

25.5

1.9

0.0011

12.0

-1.8

-0.0011

19.0

-0.3

-0.0002

26.0

2.1

0.0013

12.5

-1.7

-0.0010

19.5

-0.1

-0.0001

26.5

2.2

0.0014

13.0

-1.6

-0.0010

20.0

0

0

27.0

2.5

0.0015

13.5

-1.5

-0.0009

20.5

0.1

0.0001

27.5

2.6

0.0016

14.0

-1.4

-0.0009

51.0

0.3

0.0002

28.0

2.9

0.0018

14.5

-1.3

-0.0008

21.5

0.5

0.0003

28.5

3.3

0.0019

15.0

-1.2

-0.0008

22.0

0.6

0.0004

29.0

3.3

0.0021

15.5

-1.1

-0.0007

22.5

0.8

0.0005

29.5

3.5

0.0022

16.0

-1.0

-0.0006

23.0

0.9

0.0006

30.0

3.7

0.0023

16.5

-0.9

-0.0006

23.5

1.1

0.0007

表1-2土粒比重校正值

土粒比重

2.50

2.52

2.54

2.56

2.58

2.60

2.62

2.64

2.66

校正值

甲种密度计

1.038

1.032

1.027

1.022

1.017

1.012

1.007

1.002

0.998

乙种密度计

1.666

1.658

1.649

1.641

1.632

1.625

1.617

1.609

1.603

土粒比重

2.68

2.70

2.72

2.74

2.76

2.78

2.80

2.82

2.84

校正值

甲种密度计

0.993

0.989

0.985

0.981

0.977

0.973

0.969

0.965

0.961

乙种密度计

1.595

1.588

1.581

1.575

1.568

1.562

1.556

1.549

1.543

2、处理土样及制备悬液

（1）取代表性试样200～300g,风干并测定试样的风干含水率，放入研钵中，用带橡皮头的研棒研散。

（2）称风干试样30g，倒入500mL锥形瓶，注入纯水200ml,浸泡过夜。

（3）将盛土液的锥形瓶稍加摇晃后放在煮沸设备上进行煮沸，煮沸时间宜为40min。

（4）将冷却后的悬液全部冲入烧杯中，用带橡皮头研棒研磨；静止约1min，将上部悬液倒在0.075mm洗筛上，经漏斗注入1000mL的大量筒内，遗留杯底沉淀物用橡皮头研棒研散，再加适量纯水搅拌，倒出上部悬液过筛入量筒内。

如此反复，直至悬液澄清后将烧杯中全部试样过筛，冲洗干净；将筛上砂粒移入蒸发皿内，烘干后，按试验一步骤2过筛称量，并计算各粒组百分含量。

（5）在大量筒中加入4%浓度的六偏磷酸钠10mL，再注入纯水至1000mL。

3、按时测定悬液的密度及温度

（1）将搅拌器放入量筒中，沿悬液深度上下搅拌1min，使土粒完全均布到整个悬液中。

注意搅拌时勿使悬液溅出量筒外。

（2）取出搅拌器，同时立即开动秒表，将密度计放入悬液中，测记0.5、1、2、5、15、30、60、120和1440min时的密度计读数，并测定其相应的悬液温度。

根据试验情况或实际需要，可增加密度计读数次数，或缩短最后一次读数时间。

（3）每次读数时均应在预定时间前10～20s将密度计徐徐放入悬液中部，不得贴近筒壁，并使密度计竖直，还应在近似于悬液密度的刻度处放手，以免搅动悬液。

（4）密度计读数以弯液面上缘为准。

甲种密度计应准确至0.5,估读至0.1；乙种密度计应准确至0.0002,估读至0.0001。

每次读数完毕，立即取出密度计，放入盛有清水的量筒中。

（5）测定悬液温度，应准确至0.5ºC。

五、成果整理

1、试样颗粒粒径按斯托克斯公式（1-3）计算：

（1-3）

式中，d为土颗粒粒径，mm；η为水的动力粘滞系数（kPa·s×10－6）；Gs为土粒比重；Gwt为tºC时水的比重；ρwt为4ºC时纯水的密度，g/cm3；L为土粒下沉距离，cm；t为土粒下沉时间，s；g为重力加速度（cm/s2）；A为粒径计算系数，与悬液温度和土粒比重有关，可由表1-3查得。

表1-3粒径计算系数A值表

温度

t（℃）

土粒比重Gs

2.45

2.50

2.55

2.60

2.65

2.70

2.75

2.80

2.85

5

0.1385

0.1360

0.1399

0.1318

0.1298

0.1279

0.1261

0.1243

0.1226

6

0.1365

0.1342

0.1320

0.1299

0.1280

0.1261

0.1243

0.1225

0.1208

7

0.1344

0.1321

0.1300

0.1280

0.1260

0.1241

0.1224

0.1206

0.1189

8

0.1324

0.1302

0.1281

0.1260

0.1241

0.1223

0.1205

0.1188

0.1182

9

0.1305

0.1283

0.1262

0.1242

0.1224

0.1205

0.1187

0.1171

0.1164

10

0.1288

0.1267

0.1247

0.1227

0.1208

0.1189

0.1173

0.1156

0.1141

11

0.1270

0.1249

0.1229

0.1209

0.1190

0.1173

0.1156

0.1140

0.1124

12

0.1253

0.1232

0.1212

0.1193

0.1175

0.1157

0.1140

0.1124

0.1109

13

0.1235

0.1214

0.1195

0.1175

0.1158

0.1141

0.1124

0.1109

0.1094

14

0.1221

0.1200

0.1180

0.1162

0.1149

0.1127

0.1111

0.1095

0.1080

15

0.1205

0.1184

0.1165

0.1148

0.1130

0.1113

0.1096

0.1081

0.1067

16

0.1189

0.1169

0.1150

0.1132

0.1115

0.1098

0.1083

0.1067

0.1053

17

0.1173

0.1154

0.1135

0.1118

0.1100

0.1085

0.1069

0.1047

0.1039

18

0.1159

0.1140

0.1121

0.1103

0.1086

0.1071

0.1055

0.1040

0.1026

19

0.1145

0.1125

0.1108

0.1090

0.1073

0.1058

0.1031

0.1088

0.1014

20

0.1130

0.1111

0.1093

0.1075

0.1059

0.1043

0.1029

0.1014

0.1000

21

0.1118

0.1099

0.1081

0.1064

0.1043

0.1033

0.1018

0.1003

0.0990

22

0.1103

0.1085

0.1067

0.1050

0.1035

0.1019

0.1004

0.0990

0.0977

23

0.1091

0.1072

0.1055

0.1038

0.1023

0.1007

0.0993

0.0979

0.0966

24

0.1078

0.1061

0.1044

0.1028

0.1012

0.0997

0.0982

0.0960

0.0956

25

0.1065

0.1047

0.1031

0.1014

0.0999

0.0984

0.0970

0.0957

0.0943

26

0.1054

0.1035

0.1019

0.1003

0.0988

0.0973

0.0959

0.0945

0.0933

27

0.1041

0.1024

0.1007

0.0992

0.0977

0.0962

0.0948

0.0935

0.0923

28

0.1032

0.1014

0.0998

0.0982

0.0967

0.0953

0.0939

0.0926

0.0913

29

0.1019

0.1002

0.0986

0.0971

0.0956

0.0941

0.0928

0.0914

0.0903

30

0.1008

0.0991

0.0975

0.0960

0.0945

0.0931

0.0918

0.0905

0.0893

2、小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比可按式（1-4）或式（1-5）计算：

（1）甲种比重计

（1-4）

式中，X为小于某粒径的试样质量的百分比，％；ms为土样干质量，g；CG为土粒比重校正值,查表1-2；R为甲种密度计读数；mt为悬液温度校正值，查表1-1；

为弯液面校正值；

为分散剂校正值。

（2）乙种比重计

（1-5）

式中，

为土粒比重校正值，查表1-2；

为乙种密度计读数；

为悬液温度校正值，查表1-1；

为弯液面校正值；

为分散剂校正值；Vx为悬液体积（＝1000mL）；ρw20为20℃时纯水的密度，取0.9982g/cm3。

3、在半对数坐标上绘制颗粒大小分布曲线，求不均匀系数Cu和曲率系数Cc，说明该土的均一性。

必须指出的是,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析法联合分析时,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（1-4）或式（1-5）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析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。

4、填写试验报告。

六、注意事项

1、每次测得悬液密度后，均应将密度计轻轻放在盛水的量筒中。

2、读数要迅速准确，不宜将密度计在悬液中放置时间过久。

在正式试验前，必须多次练习密度计的准确读数方法。

3、试验前，应将量筒放在固定平稳的地方，试验中不得移动，并保持悬液温度稳定。