静水沉降颗粒分析法计算细颗粒土粒径级配的两种方法

静水沉降颗粒分析法计算细颗粒土粒径级配的两种方法

1沉降剂的使用分析大小的实验方法主要有两种。其中之一是机械分析法，如筛选法。其次，物理分析方法（现在主要使用静水沉降法，如密度计法和液相萃取法）。筛析法适宜于颗粒大于0.1mm或0.074mm的土,密度计法和移液管法适用于颗粒小于0.1mm或0.074mm的土,若土中粗细兼有,则联合使用筛析法及密度计法或移液管法。2土粒质量百分率gs静水沉降法是以司托克定律为基础的,该定律自身要求满足的条件有如下6条:(1)土颗粒的粒径远大于水分子直径(2.7×10-10m);(2)悬液浓度很小,且试验开始时土的颗粒大小均匀分布于水中;(3)悬液的粘滞系数是常数;(4)土粒密度相等;(5)土粒呈球形;(6)土粒沉速很小。这样可导出:d=1800η(Gs−GωT)ρω0gLT−−−−−−−−−−−−√(1)d=1800η(Gs-GωΤ)ρω0gLΤ(1)其中:d为球体直径,cm;η为水的动力粘滞系数,Pa.s(10-3);g为重力加速度(=981),cm/s2;Gs为土粒比重;GωT为温度为T℃时水的密度;ρω0为4℃时水的密度,g/cm3;L为某一时间T内的土粒沉降距离,cm;T为沉降时间,s。悬液中等于及小于某粒径d的土粒质量百分率按下式计算:X(%)=GsGs−1×Vms[(ρsu)T−ρω20]×100X(%)=GsGs-1×Vms[(ρsu)Τ-ρω20]×100式中:ms悬液中土粒的总质量,g;V为悬液的总体积,cm3;Gs为土粒比重;ρω20为20℃时水的密度。g/cm33密度计法与液体流动法之间的差异3.1悬液密度计算密度计法有甲种密度计法和乙种密度计法两种,甲种密度计法的读数是表示悬液中的干土量,乙种密度计读数则表示悬液密度。密度计法是通过读取不同时刻1000ml悬液中测定段的干土量或悬液的密度来计算悬液中不同粒径及其百分含量,从而求得其颗粒级配曲线。3.2颗粒级配曲线的确定移液管法是根据土粒的密度、悬液的温度计算出一定深度处吸取含粒径小于0.05、0.01、0.005mm及其它所需粒径的规定时间,吸管按粒径由粗到细的顺序,在规定时间吸取等体积的所需粒径的悬液,再通过烘干这些吸取的悬液测得所吸取悬液的干土质量,求得小于各粒径的土质量百分数,从而计算出其颗粒级配曲线。从以上两种方法求取细颗粒土粒径及其含量的原理来看,密度计是通过读取密度计读数来计算悬液中小于某粒径的百分含量,而移液管法是通过在一定深度处吸取含粒径小于某粒径所需时间吸取的悬液中土颗粒的含量来求得悬液中小于某粒径的百分含量。4种样试验结果为了比较两种方法的差别,我们选用了6种不同的土,分别采用甲种密度计和移液管法对试样进行试验。首先将6种土过0.1mm筛,取筛下30克干土通过煮沸,制成1000ml悬液,为了能保证在一种试样中进行两种方法的试验,先进行甲种密度计法试验,对这6组试样密度计法完成后,立即进行移液管法试验。两种方法进行颗粒分析的结果见下图1～图6。以上试验结果反映一个共同特点:移液管法所测得小于某粒径的土质量百分率普遍较甲种密度计的高,各试样两种方法小于某粒径的土质量百分率值及其差值见下表1。从表1所列数据可见,两种方法的最大绝对误差达11%,且大误差多出现在0.05(mm)粒径组,随着颗粒的减小,其误差有收敛之趋势。5导致密度计和变液管试验方法之间的误差原因，以及密度计方法的优点5.1雷诺数re移液管法在吸取悬液时,由于吸力的作用,使得悬液向吸管流动,在流动过程中,其运动速度急增,雷诺数Re(Re=vρωd/η)会变大,有可能使得水流的运动呈紊流状态,从而使得计算的小于某粒径的土质量百分率明显偏大。而密度计在读取数据时虽对悬液有一定的扰动,但相对移液管而言,扰动的程度可能要小得多。5.2悬液直径和时间对颗粒直径的影响因为在移液管试验中,是根据所需粒径的规定时间吸取悬液,这就要求在试验中吸取悬液时应在尽可能短的时间内将悬液吸取完,而实际试验中要吸满25ml悬液一般需要8秒左右的时间,根据式(1),其颗粒的直径就存在一定的误差。对于试验初期,8秒的误差对试验的影响是很大的,所以造成了两种方法在颗粒越大时,其误差越大。然而如果在太短的时间内吸满悬液,又有可能使得颗粒的运动呈紊流状态,两者成了一对矛盾。而密度计法在读数上,只要把握得好,将读取数据的时间误差控制在一至两秒内是很容易的,这样密度计法明显降低了误差。5.3相关设备的配套移液管法因是按规定的时间吸取悬液,其悬液又必须在烘箱中烘24小时以上才可能使其烘干,所以其相关的配套设备要求比较多,如坩锅、烘箱等。因此移液管设备相对来说较复杂。和移液管法相比较,密度计法具有仪器结构简单,操作方便,携带方便,无需对悬液烘干,是一项节能的好方法。其计算过程虽较复杂,对目前计算机如此发达的时代,其计算过程显得比较简单了。5.4计算的比重不正确土粒密度的选取对试验结果的影响是较大的,在实际工作中,往往将整个土的比重作为计算的比重,显然这是不正确的。从司托克定律不难理解,在计算密度计法和移液管法的颗粒直径和小于其粒径的百分含量时,应该采用悬液中颗粒的密度,大于悬液颗粒直径的土的颗粒密度是不能代表悬液颗粒的密度的。6静水沉降法(1)密度计法测定小于0.1或0.075mm颗粒的分布较移液管法具有更准确,更