粉土颗粒分析试验影响因素分析

刘 猛, 许晨曦, 孟凡会, 高静静, 白 赟, 宋琳琳

(1. 山东省水利勘测设计院有限公司, 山东 济南 250013; 2. 招远市金都水利勘测设计有限公司, 山东 烟台 265400)

土的粒径分布是影响土的工程特性的重要因素。不同的粒组具有不同的工程特性: 砂粒透水性较强,无黏性;粉粒透水性较小,遇水稍有黏性;黏粒湿时具有可塑性,并对饱和土体的液化判断具有重要影响[1-2]。粉土广泛分布于第四系浅表,是介于黏性土与砂性土之间工程性质较特殊的一类土。粉土作为由砂粒、粉粒、黏粒3种粒组构成的一种特殊的过渡性土,了解其颗粒组成和粒径分布,特别是黏粒含量,对了解土的工程特性、防治工程地质问题乃至工程投资等均有较大的影响[3-7]。当前,主要采用颗粒分析试验测定土的颗粒组成和粒径分布,颗粒分析试验方法主要有筛析法、 密度计法和移液管法3种,不同方法的适用性不同,实际操作中通常将密度计法与筛析法结合起来。筛析法将土粒通过不同孔径的标准筛,分别称取留筛质量,获取不同粒级土粒的含量;密度计法测定水中土粒搅拌后经过不同时间的沉降速率[1],再根据Stocks定律反演土的粒径。密度计法测量过程相对复杂,任何一个环节都可能对颗粒分析试验的结果产生影响,尤其是对黏粒含量较小的粉土。由此可知,对粉土颗粒分析试验的影响因素进行研究是极其必要的。

颗粒分析试验的影响因素直接影响粉土的黏粒含量的分析结果,而黏粒含量是影响粉土力学性质的重要因素。目前,国内外学者对颗粒分析试验进行的大量研究大多集中于某种特定的影响因素,对颗粒分析试验影响因素的综合分析较少。钟伶志等[8]通过研究洗盐前、后盐渍土的粒径分布特点,确定氯化钡滴定法是检验盐渍土洗盐效果的有效方法。蒲泉等[9]研究了5种化学分散剂对贵州红黏土颗粒分析试验结果的影响,结果表明,在温度约为40 ℃时,贵州红黏土在体积为10～15 mL且质量分数为2%的六偏磷酸钠溶液中分散效果最优。刘娉慧等[10]研究了不同分散剂对膨润土颗粒分析试验的影响,发现六偏磷酸钠作为分散剂的效果最好,氨水次之,氢氧化钠的分散效果最差。陈炽锋等[11]研究了不同分散剂对黏土黏粒含量分析结果的影响,结果表明,焦磷酸钠和六偏磷酸钠分散效果最佳,氨水分散效果最差。李瑜霞[12]通过分析密度计法产生误差的原因,得出空白试验法可以减少颗粒分析过程中误差的结论。程永飞等[13]、 王卉[14]研究了颗粒分析过程中产生误差的原因,得出使用六偏磷酸钠作为分散剂能使土分散更彻底的结论。这些研究大多数是对颗粒分析试验单一因素的研究,并且以黏土和粉质黏土为主。黏土和粉质黏土的黏粒含量较大,颗粒分析试验误差对黏土和粉质黏土的定名及分散程度产生的影响较小,但是粉土黏粒含量较小,颗粒分析试验精度要求较高,颗粒分析试验较复杂,不是单一因素作用的结果[15]。现行的颗粒分析试验规范中对颗粒分析试验过程中产生的误差没有明确的规定,因此对于颗粒分析试验在粉土中产生误差的影响仍须进一步研究。颗粒分析试验结果对了解粉土的基本工程特性具有重要影响。为了提高颗粒分析试验的精度,优化试验方法,本文中基于大量室内颗粒分析试验结果与实践经验,结合Stocks定律公式,从密度计种类、温度、分散剂浓度和种类3个方面,探讨粉土颗粒分析试验产生误差的原因,分析密度计种类、温度、分散剂种类和浓度对颗粒分析试验结果误差的影响。

1 试验

1.1 试验设备

主要试验设备包括: 1)2种密度计。186型甲种密度计的刻度为20 ℃时每1 000 mL悬液中所含土的质量,刻度为-5～50 g,分度值为0.5 g;407型乙种密度计的刻度为20 ℃时的悬液比重,即悬液与标准大气压时4 ℃纯水的密度比,刻度为0.995～1.020,分度值为0.000 2。2)量筒。容积为1 000 mL,分度值为10 mL。3)其他设备。包括标准筛、 天平、 搅拌器、 温度计、 煮沸设备、 秒表、 锥形瓶、 研钵、 木杵等。

1.2 试验方法

选取鲁西南地区的代表性粉土进行研究,按照国家标准GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[16](简称国家标准)要求,将试样在温度为105 ℃的烘箱中烘至恒量,烘干时间一般为24 h,然后按照四分法均匀分成若干份,分别称取质量为30 g的干土,放入三角烧瓶中,保持煮沸时间均为1 h,静置冷却后, 在量筒中加入一定量的分散剂,过孔径为0.075 mm的标准筛,再加纯水将试样配置成体积为1 000 mL的悬液, 将悬液沿量筒深度上下均匀搅拌,静置悬液,使土粒在水中下沉,通过密度计测定不同下沉时间的悬液的密度,根据密度计读数和下沉时间,计算粒径以及粒径小于某粒径的试样的质量分数,并采用控制变量法对不同的影响因素分别进行颗粒分析试验。不同密度计颗粒分析试验结果和粒径公式参照国家标准。

根据Stocks定律,颗粒粒径计算公式[16]为

(1)

式中:d为粒径;η为水的动力黏滞系数, 取为10-6kPa·s;Gs为土粒比重,即土粒与等体积4 ℃纯水的质量比;Gw,T为温度为T时水的密度;ρw,4为4 ℃时水的密度;g为重力加速度,取为981 cm/s2;t为沉降时间;Lt某时间t内的土粒沉降距离。

利用甲、 乙2种密度计,粒径小于某粒径的试样的质量分数X1、X2计算公式[16]分别为

(2)

(3)

由式(2)、 (3)可知,粒径小于某值的试样质量分数的大小主要取决于密度计读数、土粒比重校正值、温度校正值、弯液面校正值和分散剂校正值。土粒比重校正值主要体现在不同类型土的密度,而本文中主要研究粉土颗粒分析试验的影响因素,比重校正值对粉土的试验结果影响较小,弯液面校正值数值很小,基本可以忽略。

2 影响因素分析

基于颗粒分析试验经验,并根据式(1)—(3),得出粉土颗粒分析试验的影响因素主要为密度计种类,温度,分散剂种类、 浓度3个方面,因此本文中以此为切入点,分析密度计种类、温度、分散剂种类和浓度对粉土颗粒分析试验的影响。

2.1 密度计种类

密度计的读数直接影响试验结果。目前采用的密度计主要包括甲、 乙种密度计2种。虽然在国家标准中明确规定,这2种密度计均可使用,但是大量试验表明,不同种类密度计的适用条件是不同的。为了对2种密度计实验结果进行对比,分析2种密度计的适用条件,进一步核实2种密度计的读数是否有差异,本文中选用9组试样进行同步试验,对比2种密度计的测定结果,如图1所示。由图可知: 第7组试样的黏粒质量分数大于15%,其余试样均为黏粒质量分数小于15%的粉土;在相同试验条件下,甲种密度计测定的黏粒含量大于乙种密度计测定的黏粒含量, 前6组试样黏粒含量较小, 后3组试样黏粒含量较大; 对于前6组试样, 甲、 乙密度计测定的黏粒含量差值比变化幅度较大且差值比较大, 而后3组的变化幅度较小且差值比较小, 因此不同密度计呈现出黏粒含量越小则差值比越大的特点。

图1 利用甲、乙种密度计测定9组试样黏粒含量结果

为了进一步研究密度计种类对粉土黏粒含量的影响,另选择10组试样,其中1—4、 6—9组试样(共8组)为黏粒质量分数小于15%的粉土,5、 10组试样为黏粒质量分数大于15%的壤土,选择这2组试样的主要目的是与粉土进行对比。将选取的试样间隔8 h后分别采用甲、 乙种密度计进行第2次读数,以便对比不同时间的密度计读数变化,结果如图2所示。由图可知,甲种密度计第1、 2次读数差别较小,但是乙种密度计2次黏粒含量分析结果差别相对较大。由此可知,2种密度计均可用于颗粒分析试验,其中甲种密度计更稳定,而乙种密度计灵敏度更高。

图2 利用甲、 乙种密度计2次测定10组试样黏粒含量结果

2.2 温度校正值

研究[17]表明, 温度影响颗粒之间的碰撞频率, 悬浮颗粒的内能随着温度的升高而逐渐增大, 从而加快了颗粒之间的热动力学过程。 密度计法的颗粒分析试验结果的有效性是建立在颗粒之间无互相干扰的基本假设前提下的, 因此温度的变化对颗粒分析试验结果影响较大。 目前, 颗粒分析试验中所用的密度计均以20 ℃为标准温度, 但是在实际生产实践中, 随着季节的变化, 室内温度始终在变化, 难以保证室内试验温度始终保持在20 ℃。 在国家标准中有明确要求, 基于温度对颗粒的影响, 应对不同温度进行校正, 但是在实际计算中, 温度校正值仍有一定的误差。 本文中使用乙种密度计在清水中测定不同温度时的读数, 判定是否与密度计校正值一致。 图3所示为不同温度时实际测量温度校正值与国家标准中理论温度校正值的对比。

由图可知: 国家标准中规定的理论温度校正值整体上呈线性分布, 实际测量的温度校正值整体上随着温度的升高而增大, 但是线性相关性较差; 在不同温度条件下, 乙种密度计的读数与理论温度校正值并不完全相同, 仅在标准温度20 ℃时才能完全重合, 因此在进行颗粒分析试验时应保持温度恒定为20 ℃。 实际生产过程中, 很难保证室内温度始终不变, 因此应在同一环境中增加空白温度校正, 才能减小温度对黏粒含量分析结果的影响, 同时, 在颗分试验过程中, 应保持温度稳定, 避免因试样未冷却而造成温度的差异。

2.3 分散剂种类和浓度

在颗粒分析试验过程中,主要采用物理分散与化学分散相结合的方式对土粒进行分散。物理分散主要采用煮沸法,而化学分散主要采用不同的化学分散剂,但是分散剂种类和浓度目前没有统一的标准。目前我国现行的国家标准主要采用质量分数为4%的六偏磷酸钠,行业标准JTG 3430—2020《公路土工试验规程》[18]中规定使用质量分数为5.1%且体积为15 mL的六偏磷酸钠,一些研究者则采用质量分数为25%的氨水作为分散剂。不同的分散剂种类和浓度对颗粒分析试验结果的影响较大。

2.3.1 分散剂种类

为了研究分散剂种类对试验结果的影响,本文中选取粉土在相同的试验条件下分别对未加入分散剂、加入10 mL质量分数为4%的六偏磷酸钠及加入1 mL质量分数为25%的氨水进行对比,结果如表1所示。由表可知:未添加分散剂的试样的黏粒含量明显低于加入分散剂的试样的,且加入分散剂使得粉粒和砂粒的含量降低,表明仅依靠物理分散,土粒分散效果较差;而氨水作为分散剂比六偏磷酸钠作为分散剂的黏粒含量低,表明加入氨水作为分散剂的试样并未完全分散,加入六偏磷酸钠作为分散剂的试样分散效果更好。

表1 分散剂种类不同时不同粒径试样的黏粒含量

为了进一步对比氨水和六偏磷酸钠2种分散剂的分散效果,选取15组试样,对比试样的黏粒含量的分析结果,如表2所示。由表可知:以氨水为分散剂的黏粒含量明显小于以六偏磷酸钠为分散剂的黏粒含量;通过统计试样中加入氨水和六偏磷酸钠黏粒含量之间的差值发现,黏粒含量越小,2种分散剂对应的黏粒含量差值越大。由此可知,不适宜以氨水作为分散剂。

表2 加入不同分散剂时15组试样的黏粒含量

2.3.2 分散剂浓度

分别加入10 mL质量分数为4%的六偏磷酸钠和15 mL质量分数为5.1%的六偏磷酸钠作为分散剂, 分散剂浓度对试样的黏粒含量分析结果的影响如图4所示。由图可知,黏粒含量变化幅度较小,因此这2种浓度的六偏磷酸钠对试验结果影响较小。

图4 分散剂浓度对试样的黏粒含量分析结果的影响

2.3.3 分散剂校正值

为了研究分散剂校正值对颗粒分析试验的影响,采用控制变量法对比颗粒分析试验结果,其他参数保持不变,仅改变分散剂校正值,计算不同粒径范围内土粒的质量分数,得出不同分散剂校正值时颗粒分析试验数据,如图5所示。由图可知: 分散剂校正值为0.000 5时小于某粒径的试样的质量分数略小于分散剂校正值为0.000 2时的,因此当分散剂校正值增大时,小于某粒径的试样的质量分数均减小,但是整体减小幅度较小;当分散剂校正值为0.000 5时, 试样的黏粒质量分数为2.65%, 当分散剂校正值为0.000 2时, 试样的黏粒质量分数为4.23%; 虽然黏粒含量变化幅度较小, 但是粉土的黏粒含量本身较小, 分散剂校正值的大小仍不能忽略, 因此应在每次使用密度计测量之前, 确定分散剂校正值的大小。

图5 不同分散剂校正值时颗粒分析试验数据

3 结论

本文中以鲁西南地区的代表性粉土为研究对象,通过大量的室内颗粒分析试验,定量分析和对比了不同因素对颗粒分析试验的影响,以期为粉土地区的工程建设提供更精准的基础数据,对现行土工试验规程的修订具有重要的指导意义。

1)甲、 乙种密度计读数略有差异,甲种密度计较稳定,乙种密度计灵敏度更高,但是不同的密度计有所差异,该结论仅适用于本文中的密度计型号。

2)在不同温度条件下, 温度校正值与密度计本身关系密切, 并且不同密度计不完全与国家标准中的理论温度校正值完全一致, 应在每次颗粒分析试验中增加空白温度校正值, 以减小温度对试验结果的影响。

3)分散剂种类和浓度对颗粒分析试验的结果影响较大,尤其对粉土的黏粒含量分析结果影响较大,对于鲁西南地区的试样,应采用六偏磷酸钠作为分散剂。确定分散剂校正值的大小对粉土的颗粒分析试验结果至关重要。