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        激光粒度分析儀法和密度計法在土工顆粒分析試驗中的對比研究

        2020-06-01 05:16:58王雪奎朱耀庭張嘉瑩袁方龍王大永
        中國港灣建設(shè) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:膠粒密度計土樣

        王雪奎 ,朱耀庭 ,張嘉瑩 ,袁方龍 ,王大永

        (1.中交天津港灣工程研究院有限公司,港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室,天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室,天津 300222;2.中交第一航務(wù)工程局有限公司,天津 300461)

        0 引言

        顆粒組成分析是巖土工程的基本試驗之一,它對判定土的種類,分析其物理力學性質(zhì)和動力特性具有重要意義[1]。目前傳統(tǒng)的顆粒分析方法有3種:篩分法、密度計法和移液管法[2]。其中,篩分法適用于粒徑大于0.075 mm 的土,密度計法和移液管法適用于粒徑小于0.075 mm 的土。對于粒徑小于0.075 mm 的土,密度計法由于儀器操作相對簡單,曾在細顆粒土樣的顆粒分析試驗中得到廣泛應(yīng)用,但該方法也存在著工作量大、重復(fù)性差、顆粒難以分散、嚴重低估顆粒尺寸等缺點[3-5]。隨著現(xiàn)代測試技術(shù)的快速發(fā)展,激光粒度分析儀法異軍突起,由于其具有測試速度快、操作方便、重復(fù)性好、測試范圍寬等優(yōu)點[6],逐漸有取代傳統(tǒng)分析方法之勢。不同的試驗方法由于基本原理和儀器本身的限制,其試驗結(jié)果必然存在差異,這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)的對比和取舍存在困難。因此,對分析密度計法和激光粒度分析儀法之間的關(guān)系進行定量分析,明確其差異性和相關(guān)性,具有十分重要的現(xiàn)實意義。

        本文通過選取天津港和連云港港地區(qū)典型的軟黏土,在相同條件下,分別采用密度計法和激光粒度分析儀法進行顆粒分析,并對試驗結(jié)果進行對比分析,研究兩者之間的差異性和相關(guān)性,并建立兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,可促進激光粒度分析儀法在巖土工程顆粒分析領(lǐng)域的推廣應(yīng)用和標準化服務(wù)。

        1 試驗原理

        1.1 密度計法原理

        密度計法是利用斯多克司(Stocks)定律,細小圓球在靜水中均勻下沉,下沉速率與圓球直徑的平方成正比,如式(1)所示。在試驗中,通過密度計讀數(shù)值計算t 時刻土粒的沉降距離,進而用式(1)計算出土粒粒徑,而密度計讀數(shù)也表示深度L處懸液的比重,與原懸液的比重相比較,即可獲得小于某粒徑d 的顆粒占總土質(zhì)量百分比[7]。

        式中:d 為粒徑,mm;ρW0為 4 ℃時水的密度,g/cm3;η 為水的動力黏滯系數(shù),10-6kPa·s;GS為土粒比重;為T ℃時水的比重;Lt為某一時間t 內(nèi)土粒沉降距離,cm;g 為重力加速度,981 cm/s2;t 為沉降時間,s。

        需要指出的是密度計法需滿足以下3 個基本假設(shè):1)土顆粒均勻分布在水中,相互之間不干擾;2)顆粒必須等速下沉;3)顆粒為理想剛性圓球。而相關(guān)研究[8-10]表明在實際試驗中這3 個假設(shè)往往難以同時滿足,這也是造成密度計法試驗誤差的主要原因。

        1.2 激光粒度分析儀法原理

        激光粒度分析儀法是根據(jù)米氏散射原理進行粒度分布測量的,當一束平行的單色光照射到顆粒上時,在傅氏透鏡的焦平面上將形成顆粒的散射光譜,粒徑越大,散射角就越小,即顆粒直徑與散射角成反比關(guān)系[11-12]。激光粒度儀通過測量散射光的能量和空間分布,按式(2)計算顆粒直徑。

        式中:I(θ)為以θ 角散射的光強度;θ 為散射角度;R 為顆粒半徑;n(R)為顆粒的粒徑分布函數(shù);J1為第一型的貝葉斯函數(shù);K=2π/λ,λ 為激光波長。

        2 試驗過程

        2.1 試驗土樣

        試驗土樣為天津港和連云港地區(qū)具有代表性的軟黏土,按照土性大致可分為黏土、粉質(zhì)黏土、粉土3 類,其典型的物理性質(zhì)指標如表1 所示,共進行50 組對比試驗,所有樣品都先經(jīng)過烘干碾碎,然后一分為二,一份采用傳統(tǒng)密度計法進行試驗,另一份采用激光粒度分析儀法進行試驗。

        表1 試驗土樣的物理性質(zhì)指標Table 1 Physical property index of test soil sample

        2.2 密度計法試驗

        根據(jù)GB 50123—2019《土工試驗方法標準》,密度計法的試驗過程如下:稱取30 g 干土樣置于錐形瓶中,注水浸泡過夜,然后煮沸約1 h,冷卻后將懸液通過0.075 mm 的洗篩漏斗洗入量筒中,反復(fù)洗篩后,向量筒中的懸液加入4%濃度的六偏磷酸鈉10 ml,再注水至1 000 ml,充分攪拌后用TM-85 型甲種密度計在規(guī)定時間進行量測,對于篩上土樣,經(jīng)烘干后做相應(yīng)分析,最后根據(jù)相應(yīng)公式計算出小于某粒徑的土樣質(zhì)量占土樣總質(zhì)量的百分比。

        2.3 激光粒度分析儀法試驗

        激光粒度分析儀法采用國內(nèi)Bettersize 3000plus 型激光粒度分析儀進行試驗,其測試范圍為0.01~3 000 μm,具體過程如下:以純凈水為介質(zhì),將離心泵循環(huán)轉(zhuǎn)速設(shè)為1 600 r/min[13],在循環(huán)液中加入4%濃度的六偏磷酸鈉做為分散劑[14],開啟超聲波分散裝置,將代表性的干土樣緩慢加入到樣品池中,直至儀器遮光率在10%~20%之間,然后開啟測試程序,程序自動計算顆粒粒徑,并形成顆粒粒徑分布曲線。

        3 試驗結(jié)果分析

        為便于對兩種試驗方法的結(jié)果進行分析比較,按照通常的土粒分類習慣,對試驗結(jié)果按粒徑組進行統(tǒng)計分析,即將膠粒(<0.002 mm)、黏粒(<0.005 mm)、粉粒(0.005~0.075 mm)、砂粒(>0.075 mm)分別進行比較,同時為便于研究兩種方法整體的差異性,對試樣的中值粒徑D50(即平均粒徑,指土樣中的累計粒度分布百分數(shù)達到50%時所對應(yīng)的粒徑,反映粒度分布的集中趨勢[15])也進行了統(tǒng)計分析。

        激光法和密度計法測得的膠粒含量對比關(guān)系如圖1(a)所示。從圖中可以看出,兩種方法測得的膠粒含量具有明顯的相關(guān)關(guān)系,激光法測得的膠粒含量明顯小于密度計法,兩者的差值最大為19.8%,最小為1.2%,平均為5.4%,并且樣品中膠粒含量越大差值越大。從試驗整體的統(tǒng)計分析上看,激光法測得的膠粒含量平均比密度計法低36.9%。

        從試驗原理上講,密度計法根據(jù)斯多克司(Stocks)定律,假定土顆粒都為理想剛性圓球,用圓球的沉降速率計算土粒的當量直徑,而土中顆粒的形狀極不規(guī)則,特別是存在大量呈片狀或圓板狀顆粒[4],其沉降速率遠小于同直徑圓球,導(dǎo)致測得的細顆粒結(jié)果偏大,而粒徑越小,土顆粒中的片狀結(jié)構(gòu)越明顯,其結(jié)果偏差也越大。激光法測得的當量直徑反映的是顆粒的橫截面特征,片狀結(jié)構(gòu)的截面積大于相同體積的球體,使得其易將這部分細顆粒劃分到其他粒組,從而低估細顆粒含量,這是激光法測得的膠粒含量小于密度計法的根本原因。

        激光法和密度計法測得的黏粒含量、粉粒含量和 D50對比關(guān)系分別如圖1(b)~(d)所示。可以看出,兩種方法測得的黏粒含量、粉粒含量和D50具有顯著的線性相關(guān)關(guān)系,其趨勢線的斜率都接近于1,相關(guān)系數(shù)都大于0.9。這說明兩種方法測得的黏粒含量、粉粒含量和D50差異性很小,試驗結(jié)果具有很好的一致性,在一定條件下可相互轉(zhuǎn)化。

        圖1 激光法和密度計法試驗結(jié)果對比Fig.1 Test results comparison between laser method and hydrometer method

        激光法和密度計法測得的砂粒含量對比如圖1(e)所示??梢钥闯觯す夥ê兔芏扔嫹y得的砂粒含量有一定差異性,激光法測得的砂粒含量明顯大于密度計法,兩者的差值最大為14.4%,最小為0.2%,平均為3.7%,并且樣品中砂粒含量越大差值越大。從試驗整體的統(tǒng)計分析上看,激光法測得的砂粒含量平均比密度計法高33.6%。這主要是由于密度計法試驗時,為使顆粒均勻分布,將懸液充分攪拌,懸液的紊流減緩了顆粒的下沉速率,使得測量的大顆粒含量偏低,而激光法測量的散射光譜不隨顆粒運動而改變,其結(jié)果可能更準確。

        4 結(jié)語

        本文選取天津港和連云港港地區(qū)的典型軟黏土,分別采用激光粒度分析儀法和密度計法開展了顆粒分析試驗,并將試驗結(jié)果進行了對比分析,針對本次試驗土樣主要得到以下結(jié)論:

        1)根據(jù)密度計法和激光法的試驗原理,密度計法測量的當量直徑反映的是顆粒的沉降速率,激光法反映的是顆粒的橫截面特征,由于黏土顆粒中存在大量的不規(guī)則片狀結(jié)構(gòu)和試驗操作的影響,使密度計法測得的細顆粒含量偏高,而粗顆粒含量偏低。

        2)激光法測得的膠粒含量(<0.002 mm)平均比密度計法低36.9%,砂粒含量(>0.075 mm)高33.6%,黏粒含量(<0.005 mm)、粉粒含量(0.005~0.075 mm)和D50基本一致。

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