关于颗粒分析试验的研究

摘　要：颗粒分析试验是对土壤粒径级配的分析过程，是土工试验的重要组成部分。本文从土工试验的内容和关键点出发，分析了土工试验中所有项目都是具有相互关联的，且将直接影响土的物理性质和力学性质。其中颗粒分析中利用比重计对土样进行级配分析是确定土壤性质的重要环节，其准确性也会对土工试验的结果造成影响，所以在试验中应利用合理的方式对其进行检验以保证准确。

关键词：土工试验　　颗粒试验　　土壤性质　　力学性质 颗粒试验 比重计法
一、引言
　　土壤颗粒分析是土工试验中的一个重要内容，因此要明晰颗粒试验对工程项目的意义就应当先分析土工试验需要解决的问题和研究的方向。从试验对象看，土工试验是岩土工程中的重要的试验检测项，其主要的目的就是对土壤的基本物理性质和力学特性进行检验并定性，为工程所需的勘查和设计等提供必要的科学依据。因为自然界土壤自身的性质是不均匀的，同时取样和保存、运输等都会对原有的土壤结构产生破坏，试验仪器的误差和操作方法的差异也容易导致人为的试验误差，因此在土工试验中容易产生各种问题，本文就将从土工试验中的问题出发，并进一步对土壤所具备的性质进行分析，并最终以比重计法为例分析其误差的产生和校正。
二、土的物理性质和相关物理性质参数
　　在颗粒分析的时候，土的物理性质是对其影响较大的因素。因为土工试验中所分析的就是土的物理和力学性质，而物理和力学性质对土的颗粒分析也将起到一定的影响作用。因此在分析颗粒分析试验的时候就需要对土的基本性质和指标进行简要介绍。
　　1、土的物理性质分析
　　土的自然成分：土的形成多为岩石风化而来，主要是无极矿物质的颗粒构成了其主体，通常含有水和气体。其分别为孔隙水、孔隙气体。土中还会含有盐类或者石灰类的物质。受到生物的影响而形成的土通常还含有不同程度的有机物或者腐殖质等。
　　从颗粒分析的角度看，颗粒、水、气体成为了构成土的三个不同相。当土颗粒之间的孔隙全部充满水或者空气时，此为二相图，被水充满其孔隙的也可以称之为饱和土。当孔隙中有水也有空气的时候则为三相土，也就是非饱和土。当非饱和性土质出现在冻土地带的时候，其孔隙间也会出现冰，此时就成为了四相土了。在试验的过程中对土的各相占有的比例进行分析就可以获得土的密度、稠度等状态，对于强度、压缩、渗透性等影响较大。
　　土的颗粒有大有小，小的胶质颗粒甚至可以低于0.001mm，而大的粒径则可以大于300mm。加大的颗粒所呈现的状态多为圆形或者尖角状，通常都有保持着原生岩石所具备的矿物质成分。粒径较小的则呈现为层片状，主要是次生的黏土矿物质组成。黏土矿物质颗粒之间对水分的反应为吸附，即孔隙水含量大，因此其孔隙区域多带有不同形态的水。如：吸附水、黏滞水、自由水。其中吸附和黏滞水具有较强的凝聚能力，使其具备可塑性、触变性。黏滞水和自由水与土的变形和渗流过程息息相关。因为孔隙水对细小颗粒的粘附性能，对其土的工程的影响较大，而且孔隙水也是控制粗颗粒级配的重要标准。
　　2）土的微观结构
　　土的微观结构主要是指颗粒的几何排列情况，土在生成的过程中会受到各种外部干扰的影响，沉积、自身压力、地质作用、机械作用等等，都会对土的结构产生影响。通常细小的颗粒会形成集合体，即成为结构单元或者组构。若干的单元就构成了土的结构。而较大的颗粒型所形成的单元没有细小结构所性的结构紧密，其一个颗粒即可成为一个单元。也会形成蜂窝状或者片状结构。具有蜂窝状和絮凝结构的土之间依靠的是接触点的表面连接而构成松散的整体，孔隙大于细小颗粒所构成的集合体。如某些黏土的结构不稳定，在振动中结构就会受到破坏从而失去强度，所体现的是高灵敏度，这就是松散结构的具体力学性质。
三、颗粒分析试验中的比重计法
　　通过上面的阐述，可以了解土的颗粒分析试验是土工试验中的一个重要环节，其所表达的是土的粒径级配，对工程实践有重要的参考价值。因此下面就颗粒分析试验中的比重计法的度数校验进行简要的介绍：
　　1、方法概述
　　测量土的颗粒如前面所述其可以利用筛分法和比重计法，具体的试验步骤应参考的是国家标准而进行，某些颗粒分析计算的软件可以对比重计法和筛分法颗粒分析的数值进行校正。比重计法是根据斯托克斯定律而进行的测量与试验，基本的原理认为微小粒径颗粒在液体中下沉的时候其速度是等速的，较大的颗粒下沉的快而小的则慢，而前面提到过比重计法适用于小颗粒土，如粒径小于0.075mm的土样。
　　试验时，假定圆球性的颗粒在无限大而不可压缩的液体中，其所产生的重力和浮力是一定的，且液体对其阻力也是一定的，此时其下沉就是一种等速运动。经过一系列的分析计算，就可以获得一个结果论，不同的粒径与水的温度、比重之间存在着线性的关系，即土颗粒在水中沉降的时间可以表示其不同的粒径和质量。同时悬液的温度与土的粒径比重相关系，按照此思路，土中不同粒径的沉降距离就不同，进而可以实现对小粒径土样的级配划分。利用比重计的度数和液面的距离就可对其进行级配进行衡量，将最低刻度和玻璃杆上的刻度代入到公式中就可计算出不同土粒的有效沉降值，同时将其绘制成为一个有效的沉降距离与比重计度数的关系曲线，从而就可以试验测量土样粒径的级配情况。
　　2、读数的校验
　　在比重计的读取和试验过程中难免会存在一定的误差，此时就需要对数据进行必要的校正。当然每个比重计的沉降距离都有校正系数，并由厂家给定。结合上面的分析，比重计与其配合的量筒都是可保证精度的，则土样颗粒沉降只与比重计的读数相关。
　　具体对比重计校正读数的形成过程为：在进行粒径分析的时候将一定量的干物质土放入量杯，然后加入纯净水，经过搅拌使得各种粒径的土在溶液中悬浮，并尽量均匀分布，即各种不同粒径的土在悬液中处在不同的深度，且相等，静止后悬液的不同颗粒会以不同的沉降速度进行沉降运动，较大的沉降的快而较小的沉降的慢，在不同的深度位置其沉降的速度由其运动的距离和时间而形成，所以在一定的深度范围内是没有相同粒径的土粒的，也就是在特定的时间内某一段的沉降距离只属于一个特定的粒径，这样在某一个深度上按照沉降系数和公式计算就可获得其粒径的范围。
　　此时如果设定悬液体积为一定，其中所含的小于某个粒径的土粒的质量一定，则在某个深度范围内其密度就是一定的。土颗粒的密度和水（20℃）的密度是一定的。对于常用的甲种比重计其系数都是根据上面提及的理想状况而完成校对的，即假定土粒的比重为2.65而20℃水的密度为1，利用公式则可获得其刻度数值，此时小于某粒径的试样质量占有试样总质量的百分比也是在此条件下计算获得的。
　　所以颗粒下沉的试验中应控制其环境温度为20℃，这样才能获得较为理想的度数，即保证比重计的度数是准确的，而不会因为温度的影响而导致度数的误差出现，但是在实际的试验中其温度不会绝对控制在20℃，土的比重当然也就不是2.65，因此必须加以矫正才能获得理想结果。
　　做试验时密度计的度数是以弯液面的上缘为准，而密度计制造的刻度是以弯液面的下缘为准，所以应对密度计的弯液面进行必要的校正，其弯液面的校正值为固定的一个数值。在使用密度计的时候如在悬液中加入分散剂则应考虑分散剂对密度的干扰，而将分散剂的这部分干扰计入到密度计的度数中，以达到校正的目的。土工试验的试验温度范围设定在10-30℃，同时给出了相应的校正值以及土粒比重在2.5-2.88之间的土粒比重的校正值。这样在某一个温度、密度、土粒比重范围内就可将校正系数代入到公式中参与实际的比重计算，从而获得校正后的质量百分比，这样就实现了对比重计法测量级配的数据校正。
　　
四、结束语
　　土的颗粒分析试验是土工试验中的一个重要项目，其测量的是土的级配情况，并可以根据不同的级配对土壤进行定性说明，即对其性质性描述。同时其试验的结果对土样的物理性质和力学性质研究提供帮助。而比重计法是测量细小土粒级配的主要方法，其关键点在于对度数的校正，即在不同的环境中针对不同的粒径而引入不同的校正系数进而保证试验结果的准确性。
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