颗粒分析试验密度计法的误差研究

颗粒分析试验密度计法的误差研究

作者：何巧灵吴明雷

来源：《科学与财富》2016年第06期

摘要：以《土工试验方法标准》为依据，对土样进行了室内试验。根据大量室内实测资料，系统地分析了颗粒分析密度计试验准确性的影响因素，结果表明其影响因素主要包括试样的煮沸时间，分散剂的加入情况，以及其它一些人为因素等等；同时为了使得试验结果更加准确，实验操作需要要严格按照规范进行操作，得出在洗筛之前加入分散剂，才能充分发挥分散剂的分散作用。

关键词：密度计试验；颗粒分析试验；试验结果；影响因素；减小误差

引言

土的颗粒分析试验是土工试验中一项重要的内容，可用于土的分类和建筑材料的选用。为了了解土颗粒的组成情况，以及绘制出颗粒大小分布曲线，需要测定在该土中各粒组干土质量所占的百分比。曹晓娟（2014）重点从颗分试验的内容和操作要点出发，分析试验中产生误差的可能原因和造成的后果，在试验中找到相应的应对措施，尽可能的避免误差的产生，在采用了对应的应对措施之后，使试验结果与实际天然状态更接近[1]。王卉（2011）在颗粒分析试验中分析了系统误差和随机误差产生的原因，得出了一系列结果，包括在不同实验室中，利用同一土样得出的试验结果存在随机差异；使用不同的分散剂得出的试验结果有所不同（属于系统误差），以及真实状态的土性与室内颗粒分析试验所得试验结果存在着一定误差，并建议找出这些误差产生的原因，以及以相应的措施来减少误差，获得误差更小的试验结果。最后对颗粒分析试验密度计法，建议用六偏磷酸钠作分散剂更为合适[2]。高慧君（2014）指出土粒比重试验方法直接影响土的比重指标值，决定工程的土类评价。结合工作经验和对天津地区土进行的土粒比重对比试验，全面分析了影响土粒比重试验的诸多影响因素，结合实际提出了改进意见，总结出一套快速有效、准确率高的试验方法[3]。崔海弘（2014）从工程质量和安全的角度出发，认真分析试验的各个基本步骤，并指出研究人员应该发挥主动能动性，不断地改进和完善土粒比重试验方法，以减少试验误差给人们带来的损失 [4]。对于密度计法颗粒分析试验，易南概（2007）通过对两种试验操作方法（《规程》和《土工试验标准》中的试验操作方法与改进的试验操作方法）的对比分析，总结出一种更加准确、有效的试验方法，为其它土工试验室人员提供了参考[5]。

本文进行了大量的室内颗粒分析密度计试验，在试验结果分析的基础上，对密度计试验可能产生的误差进行了理论分析，提出了缩小该误差的方法，并从理论上论证了该方法的可行性。

1 密度计试验原理

密度计法，取一定量粒径小于0.075mm的土样，煮沸一定的时间，经过孔径0.075 mm的洗筛漏斗，全部洗入量筒中，加纯水至1000ml，然后，通过搅拌形成浓度均匀的悬液。静止悬液中，土颗粒由于自身的重量，开始下沉，粒径越大的土颗粒下沉速度越快。同时，根据不同时刻的悬液密度（密度计的读数）和土颗粒的下沉时间，计算出试样总质量中小于某一粒径的颗粒质量所占的百分数。

2 密度计试验

2.1密度计试验步骤

本次试验需要三份土样作为样品，试样编号为A（煮沸20分钟）、B（洗筛之前加入分散剂）和C（根据规范所制备的试样）。

1.采用风干土样，进行碾散。

2.取碾散的土样300-400g，利用孔径2mm的漏斗筛，使得粒径小于2mm的土颗粒过筛，将筛上粒径大于2mm的土样反复碾散，直到留在漏斗筛的土颗粒的粒径大于2mm时为止；

3.将（粒径）小于2mm土样拌匀，取三份30g土样作为样品；

4.将三份样品分别放入已编号的三角烧杯中，加入蒸馏水，浸泡24小时；

5.将浸泡后的土样进行煮沸，从煮沸开始计时，A号试样煮沸20分钟，B和C号土样加热45分钟。

6.等样品冷却后，通过孔径0.075mm的洗筛漏斗，全部洗入量筒中，加入4%的六偏磷酸钠，然后加蒸馏水至1000ml，如图1。

7.用搅拌器进行搅拌，每两秒搅拌一次，大约30次，使量筒内的土颗粒均匀分布；

8.从停止搅拌时刻开始，开动秒表，测60、300、1800、3600、7200、10800秒时密度计读数。

本试验采用的是TM85型土壤密度计（图2），对应的读数是悬液在20℃时每1000 ml所含土质量的刻度来表示的，刻度区间为-5～50，最小分度0.5。密度计读数时要严格按照规定来进行，当密度计放入量筒中时，密度计浮泡不得碰到或靠近量筒壁，读数以弯液面的顶面为准，如图3。

3密度计试验结果分析

密度计是根据20℃的悬液情况而设制的，本试验进行时的悬液温度是27℃，温度会影响密度计浮泡的情况和悬液的密度，导致密度计的读数出现误差，所以温度要进行校正。查表得到温度校正值（27℃）为2.5，土粒比重校正系数（2.69）为 0.989，TM85型土壤密度计沉降距离校正系数（a，b）值由厂家给出（a=21.07，b=0.284）得

小于某粒径的土样百分数X =100/试样干土质量×土粒比重校正系数×比重计校

根据土粒直径和小于某粒径的土样百分数绘制出颗粒大小分布试验数据曲线。

利用岩土工程工勘察绘图软件，将测得的原始数据输入计算机程序中，就得到颗粒大小分布的光滑曲线和所要求的试验数据，如图4，生成的数据曲线不需要再修改。

4 密度计试验误差分析及措施

根据图4中的试验结果计算出各粒组的颗粒含量百分数（表1和表2）。

4.1 根据煮沸时间不同的试验结果分析

表1中，在样品制备过程中，A号煮沸时间为20分钟，C号煮沸时间为45分钟（根据规范规定），试验使用同一土样，在洗筛后加入偏磷酸钠分散剂而制备的，然后利用TM85型密度计进行试验。由上述试验数据分析得出，在具有相同条件的情况下，A号砂粒含量多于C 号，C号的粘粒含量多于A号，是因为A号煮沸时间短，一部分颗粒结块未煮散。在规范规定的时间范围内，随着煮沸时间的加长，得到的粘粒含量越高，而这种粘粒含量的增加是有限度的，如果煮沸时间无限超过规范规定的时间，会使得土的团粒结构遭到破坏。

4.2根据分散剂加入情况的试验结果分析

表2 中，在土样制备过程中，B号是洗筛之前加入分散剂，C号是洗筛之后加入分散剂，试样使用同一土样，煮沸一定时间（45分钟）而制备的，同样使用TM85型密度计进行试验。由试验结果的分析得到，在具备相同条件的情况下，B号的砂粒含量少于C号，B号的粘粒含量多于C号，是因为分散剂在洗筛之前加入，会在洗筛、碾磨过程中起作用，分散剂作用时间更长，使偏磷酸钠充分起到分散作用。

5 结论

土样的密度计法试验分析会受到很多因素的影响，包括：a.试样制备过程中，要称取多余30g的土样，因为煮沸过程中，溅出一些土颗粒，以及在洗筛时，可能会粘在烧杯壁上一些土颗粒；b.煮沸时间的影响，要根据规范的规定进行，避免煮沸时间过短或过长；c.本实验得出结论，在洗筛之前加入，使分散剂的分散作用更充分；d.密度计的选取，使用不同的密度计可能影响到测得的数据，由于受到条件的限制，此试验以后进行研究；e.不同的试验人员自身的经验以及操作技巧会影响到试验结果；f.悬液在搅拌过程中，由于颗粒的搅拌不均匀，影响到