劉 猛, 許晨曦, 孟凡會(huì), 高靜靜, 白 赟, 宋琳琳

(1. 山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司, 山東 濟(jì)南 250013; 2. 招遠(yuǎn)市金都水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司, 山東 煙臺(tái) 265400)

土的粒徑分布是影響土的工程特性的重要因素。不同的粒組具有不同的工程特性: 砂粒透水性較強(qiáng),無(wú)黏性;粉粒透水性較小,遇水稍有黏性;黏粒濕時(shí)具有可塑性,并對(duì)飽和土體的液化判斷具有重要影響[1-2]。粉土廣泛分布于第四系淺表,是介于黏性土與砂性土之間工程性質(zhì)較特殊的一類土。粉土作為由砂粒、粉粒、黏粒3種粒組構(gòu)成的一種特殊的過(guò)渡性土,了解其顆粒組成和粒徑分布,特別是黏粒含量,對(duì)了解土的工程特性、防治工程地質(zhì)問(wèn)題乃至工程投資等均有較大的影響[3-7]。當(dāng)前,主要采用顆粒分析試驗(yàn)測(cè)定土的顆粒組成和粒徑分布,顆粒分析試驗(yàn)方法主要有篩析法、 密度計(jì)法和移液管法3種,不同方法的適用性不同,實(shí)際操作中通常將密度計(jì)法與篩析法結(jié)合起來(lái)。篩析法將土粒通過(guò)不同孔徑的標(biāo)準(zhǔn)篩,分別稱取留篩質(zhì)量,獲取不同粒級(jí)土粒的含量;密度計(jì)法測(cè)定水中土粒攪拌后經(jīng)過(guò)不同時(shí)間的沉降速率[1],再根據(jù)Stocks定律反演土的粒徑。密度計(jì)法測(cè)量過(guò)程相對(duì)復(fù)雜,任何一個(gè)環(huán)節(jié)都可能對(duì)顆粒分析試驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生影響,尤其是對(duì)黏粒含量較小的粉土。由此可知,對(duì)粉土顆粒分析試驗(yàn)的影響因素進(jìn)行研究是極其必要的。

顆粒分析試驗(yàn)的影響因素直接影響粉土的黏粒含量的分析結(jié)果,而黏粒含量是影響粉土力學(xué)性質(zhì)的重要因素。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)顆粒分析試驗(yàn)進(jìn)行的大量研究大多集中于某種特定的影響因素,對(duì)顆粒分析試驗(yàn)影響因素的綜合分析較少。鐘伶志等[8]通過(guò)研究洗鹽前、后鹽漬土的粒徑分布特點(diǎn),確定氯化鋇滴定法是檢驗(yàn)鹽漬土洗鹽效果的有效方法。蒲泉等[9]研究了5種化學(xué)分散劑對(duì)貴州紅黏土顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果的影響,結(jié)果表明,在溫度約為40 ℃時(shí),貴州紅黏土在體積為10～15 mL且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的六偏磷酸鈉溶液中分散效果最優(yōu)。劉娉慧等[10]研究了不同分散劑對(duì)膨潤(rùn)土顆粒分析試驗(yàn)的影響,發(fā)現(xiàn)六偏磷酸鈉作為分散劑的效果最好,氨水次之,氫氧化鈉的分散效果最差。陳熾鋒等[11]研究了不同分散劑對(duì)黏土黏粒含量分析結(jié)果的影響,結(jié)果表明,焦磷酸鈉和六偏磷酸鈉分散效果最佳,氨水分散效果最差。李瑜霞[12]通過(guò)分析密度計(jì)法產(chǎn)生誤差的原因,得出空白試驗(yàn)法可以減少顆粒分析過(guò)程中誤差的結(jié)論。程永飛等[13]、 王卉[14]研究了顆粒分析過(guò)程中產(chǎn)生誤差的原因,得出使用六偏磷酸鈉作為分散劑能使土分散更徹底的結(jié)論。這些研究大多數(shù)是對(duì)顆粒分析試驗(yàn)單一因素的研究,并且以黏土和粉質(zhì)黏土為主。黏土和粉質(zhì)黏土的黏粒含量較大,顆粒分析試驗(yàn)誤差對(duì)黏土和粉質(zhì)黏土的定名及分散程度產(chǎn)生的影響較小,但是粉土黏粒含量較小,顆粒分析試驗(yàn)精度要求較高,顆粒分析試驗(yàn)較復(fù)雜,不是單一因素作用的結(jié)果[15]?，F(xiàn)行的顆粒分析試驗(yàn)規(guī)范中對(duì)顆粒分析試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差沒(méi)有明確的規(guī)定,因此對(duì)于顆粒分析試驗(yàn)在粉土中產(chǎn)生誤差的影響仍須進(jìn)一步研究。顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果對(duì)了解粉土的基本工程特性具有重要影響。為了提高顆粒分析試驗(yàn)的精度,優(yōu)化試驗(yàn)方法,本文中基于大量室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),結(jié)合Stocks定律公式,從密度計(jì)種類、溫度、分散劑濃度和種類3個(gè)方面,探討粉土顆粒分析試驗(yàn)產(chǎn)生誤差的原因,分析密度計(jì)種類、溫度、分散劑種類和濃度對(duì)顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果誤差的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

主要試驗(yàn)設(shè)備包括: 1)2種密度計(jì)。186型甲種密度計(jì)的刻度為20 ℃時(shí)每1 000 mL懸液中所含土的質(zhì)量,刻度為-5～50 g,分度值為0.5 g;407型乙種密度計(jì)的刻度為20 ℃時(shí)的懸液比重,即懸液與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)4 ℃純水的密度比,刻度為0.995～1.020,分度值為0.000 2。2)量筒。容積為1 000 mL,分度值為10 mL。3)其他設(shè)備。包括標(biāo)準(zhǔn)篩、 天平、 攪拌器、 溫度計(jì)、 煮沸設(shè)備、 秒表、 錐形瓶、 研缽、 木杵等。

1.2 試驗(yàn)方法

選取魯西南地區(qū)的代表性粉土進(jìn)行研究,按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16](簡(jiǎn)稱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))要求,將試樣在溫度為105 ℃的烘箱中烘至恒量,烘干時(shí)間一般為24 h,然后按照四分法均勻分成若干份,分別稱取質(zhì)量為30 g的干土,放入三角燒瓶中,保持煮沸時(shí)間均為1 h,靜置冷卻后, 在量筒中加入一定量的分散劑,過(guò)孔徑為0.075 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩,再加純水將試樣配置成體積為1 000 mL的懸液, 將懸液沿量筒深度上下均勻攪拌,靜置懸液,使土粒在水中下沉,通過(guò)密度計(jì)測(cè)定不同下沉?xí)r間的懸液的密度,根據(jù)密度計(jì)讀數(shù)和下沉?xí)r間,計(jì)算粒徑以及粒徑小于某粒徑的試樣的質(zhì)量分?jǐn)?shù),并采用控制變量法對(duì)不同的影響因素分別進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)。不同密度計(jì)顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果和粒徑公式參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)Stocks定律,顆粒粒徑計(jì)算公式[16]為

(1)

式中:d為粒徑;η為水的動(dòng)力黏滯系數(shù), 取為10-6kPa·s;Gs為土粒比重,即土粒與等體積4 ℃純水的質(zhì)量比;Gw,T為溫度為T(mén)時(shí)水的密度;ρw,4為4 ℃時(shí)水的密度;g為重力加速度,取為981 cm/s2;t為沉降時(shí)間;Lt某時(shí)間t內(nèi)的土粒沉降距離。

利用甲、 乙2種密度計(jì),粒徑小于某粒徑的試樣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)X1、X2計(jì)算公式[16]分別為

(2)

(3)

由式(2)、 (3)可知,粒徑小于某值的試樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的大小主要取決于密度計(jì)讀數(shù)、土粒比重校正值、溫度校正值、彎液面校正值和分散劑校正值。土粒比重校正值主要體現(xiàn)在不同類型土的密度,而本文中主要研究粉土顆粒分析試驗(yàn)的影響因素,比重校正值對(duì)粉土的試驗(yàn)結(jié)果影響較小,彎液面校正值數(shù)值很小,基本可以忽略。

2 影響因素分析

基于顆粒分析試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),并根據(jù)式(1)—(3),得出粉土顆粒分析試驗(yàn)的影響因素主要為密度計(jì)種類,溫度,分散劑種類、 濃度3個(gè)方面,因此本文中以此為切入點(diǎn),分析密度計(jì)種類、溫度、分散劑種類和濃度對(duì)粉土顆粒分析試驗(yàn)的影響。

2.1 密度計(jì)種類

密度計(jì)的讀數(shù)直接影響試驗(yàn)結(jié)果。目前采用的密度計(jì)主要包括甲、 乙種密度計(jì)2種。雖然在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定,這2種密度計(jì)均可使用,但是大量試驗(yàn)表明,不同種類密度計(jì)的適用條件是不同的。為了對(duì)2種密度計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分析2種密度計(jì)的適用條件,進(jìn)一步核實(shí)2種密度計(jì)的讀數(shù)是否有差異,本文中選用9組試樣進(jìn)行同步試驗(yàn),對(duì)比2種密度計(jì)的測(cè)定結(jié)果,如圖1所示。由圖可知: 第7組試樣的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%,其余試樣均為黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%的粉土;在相同試驗(yàn)條件下,甲種密度計(jì)測(cè)定的黏粒含量大于乙種密度計(jì)測(cè)定的黏粒含量, 前6組試樣黏粒含量較小, 后3組試樣黏粒含量較大; 對(duì)于前6組試樣, 甲、 乙密度計(jì)測(cè)定的黏粒含量差值比變化幅度較大且差值比較大, 而后3組的變化幅度較小且差值比較小, 因此不同密度計(jì)呈現(xiàn)出黏粒含量越小則差值比越大的特點(diǎn)。

圖1 利用甲、乙種密度計(jì)測(cè)定9組試樣黏粒含量結(jié)果

為了進(jìn)一步研究密度計(jì)種類對(duì)粉土黏粒含量的影響,另選擇10組試樣,其中1—4、 6—9組試樣(共8組)為黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%的粉土,5、 10組試樣為黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%的壤土,選擇這2組試樣的主要目的是與粉土進(jìn)行對(duì)比。將選取的試樣間隔8 h后分別采用甲、 乙種密度計(jì)進(jìn)行第2次讀數(shù),以便對(duì)比不同時(shí)間的密度計(jì)讀數(shù)變化,結(jié)果如圖2所示。由圖可知,甲種密度計(jì)第1、 2次讀數(shù)差別較小,但是乙種密度計(jì)2次黏粒含量分析結(jié)果差別相對(duì)較大。由此可知,2種密度計(jì)均可用于顆粒分析試驗(yàn),其中甲種密度計(jì)更穩(wěn)定,而乙種密度計(jì)靈敏度更高。

圖2 利用甲、 乙種密度計(jì)2次測(cè)定10組試樣黏粒含量結(jié)果

2.2 溫度校正值

研究[17]表明, 溫度影響顆粒之間的碰撞頻率, 懸浮顆粒的內(nèi)能隨著溫度的升高而逐漸增大, 從而加快了顆粒之間的熱動(dòng)力學(xué)過(guò)程。 密度計(jì)法的顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果的有效性是建立在顆粒之間無(wú)互相干擾的基本假設(shè)前提下的, 因此溫度的變化對(duì)顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果影響較大。 目前, 顆粒分析試驗(yàn)中所用的密度計(jì)均以20 ℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度, 但是在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中, 隨著季節(jié)的變化, 室內(nèi)溫度始終在變化, 難以保證室內(nèi)試驗(yàn)溫度始終保持在20 ℃。 在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有明確要求, 基于溫度對(duì)顆粒的影響, 應(yīng)對(duì)不同溫度進(jìn)行校正, 但是在實(shí)際計(jì)算中, 溫度校正值仍有一定的誤差。 本文中使用乙種密度計(jì)在清水中測(cè)定不同溫度時(shí)的讀數(shù), 判定是否與密度計(jì)校正值一致。 圖3所示為不同溫度時(shí)實(shí)際測(cè)量溫度校正值與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中理論溫度校正值的對(duì)比。

由圖可知: 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的理論溫度校正值整體上呈線性分布, 實(shí)際測(cè)量的溫度校正值整體上隨著溫度的升高而增大, 但是線性相關(guān)性較差; 在不同溫度條件下, 乙種密度計(jì)的讀數(shù)與理論溫度校正值并不完全相同, 僅在標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃時(shí)才能完全重合, 因此在進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)時(shí)應(yīng)保持溫度恒定為20 ℃。 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中, 很難保證室內(nèi)溫度始終不變, 因此應(yīng)在同一環(huán)境中增加空白溫度校正, 才能減小溫度對(duì)黏粒含量分析結(jié)果的影響, 同時(shí), 在顆分試驗(yàn)過(guò)程中, 應(yīng)保持溫度穩(wěn)定, 避免因試樣未冷卻而造成溫度的差異。

2.3 分散劑種類和濃度

在顆粒分析試驗(yàn)過(guò)程中,主要采用物理分散與化學(xué)分散相結(jié)合的方式對(duì)土粒進(jìn)行分散。物理分散主要采用煮沸法,而化學(xué)分散主要采用不同的化學(xué)分散劑,但是分散劑種類和濃度目前沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)主要采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的六偏磷酸鈉,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG 3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[18]中規(guī)定使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.1%且體積為15 mL的六偏磷酸鈉,一些研究者則采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的氨水作為分散劑。不同的分散劑種類和濃度對(duì)顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果的影響較大。

2.3.1 分散劑種類

為了研究分散劑種類對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,本文中選取粉土在相同的試驗(yàn)條件下分別對(duì)未加入分散劑、加入10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的六偏磷酸鈉及加入1 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的氨水進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表1所示。由表可知:未添加分散劑的試樣的黏粒含量明顯低于加入分散劑的試樣的,且加入分散劑使得粉粒和砂粒的含量降低,表明僅依靠物理分散,土粒分散效果較差;而氨水作為分散劑比六偏磷酸鈉作為分散劑的黏粒含量低,表明加入氨水作為分散劑的試樣并未完全分散,加入六偏磷酸鈉作為分散劑的試樣分散效果更好。

表1 分散劑種類不同時(shí)不同粒徑試樣的黏粒含量

為了進(jìn)一步對(duì)比氨水和六偏磷酸鈉2種分散劑的分散效果,選取15組試樣,對(duì)比試樣的黏粒含量的分析結(jié)果,如表2所示。由表可知:以氨水為分散劑的黏粒含量明顯小于以六偏磷酸鈉為分散劑的黏粒含量;通過(guò)統(tǒng)計(jì)試樣中加入氨水和六偏磷酸鈉黏粒含量之間的差值發(fā)現(xiàn),黏粒含量越小,2種分散劑對(duì)應(yīng)的黏粒含量差值越大。由此可知,不適宜以氨水作為分散劑。

表2 加入不同分散劑時(shí)15組試樣的黏粒含量

2.3.2 分散劑濃度

分別加入10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的六偏磷酸鈉和15 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.1%的六偏磷酸鈉作為分散劑, 分散劑濃度對(duì)試樣的黏粒含量分析結(jié)果的影響如圖4所示。由圖可知,黏粒含量變化幅度較小,因此這2種濃度的六偏磷酸鈉對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小。

圖4 分散劑濃度對(duì)試樣的黏粒含量分析結(jié)果的影響

2.3.3 分散劑校正值

為了研究分散劑校正值對(duì)顆粒分析試驗(yàn)的影響,采用控制變量法對(duì)比顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果,其他參數(shù)保持不變,僅改變分散劑校正值,計(jì)算不同粒徑范圍內(nèi)土粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù),得出不同分散劑校正值時(shí)顆粒分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),如圖5所示。由圖可知: 分散劑校正值為0.000 5時(shí)小于某粒徑的試樣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略小于分散劑校正值為0.000 2時(shí)的,因此當(dāng)分散劑校正值增大時(shí),小于某粒徑的試樣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均減小,但是整體減小幅度較小;當(dāng)分散劑校正值為0.000 5時(shí), 試樣的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.65%, 當(dāng)分散劑校正值為0.000 2時(shí), 試樣的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.23%; 雖然黏粒含量變化幅度較小, 但是粉土的黏粒含量本身較小, 分散劑校正值的大小仍不能忽略, 因此應(yīng)在每次使用密度計(jì)測(cè)量之前, 確定分散劑校正值的大小。

圖5 不同分散劑校正值時(shí)顆粒分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文中以魯西南地區(qū)的代表性粉土為研究對(duì)象,通過(guò)大量的室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn),定量分析和對(duì)比了不同因素對(duì)顆粒分析試驗(yàn)的影響,以期為粉土地區(qū)的工程建設(shè)提供更精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對(duì)現(xiàn)行土工試驗(yàn)規(guī)程的修訂具有重要的指導(dǎo)意義。

1)甲、 乙種密度計(jì)讀數(shù)略有差異,甲種密度計(jì)較穩(wěn)定,乙種密度計(jì)靈敏度更高,但是不同的密度計(jì)有所差異,該結(jié)論僅適用于本文中的密度計(jì)型號(hào)。

2)在不同溫度條件下, 溫度校正值與密度計(jì)本身關(guān)系密切, 并且不同密度計(jì)不完全與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的理論溫度校正值完全一致, 應(yīng)在每次顆粒分析試驗(yàn)中增加空白溫度校正值, 以減小溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

3)分散劑種類和濃度對(duì)顆粒分析試驗(yàn)的結(jié)果影響較大,尤其對(duì)粉土的黏粒含量分析結(jié)果影響較大,對(duì)于魯西南地區(qū)的試樣,應(yīng)采用六偏磷酸鈉作為分散劑。確定分散劑校正值的大小對(duì)粉土的顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果至關(guān)重要。