室內(nèi)土工試驗(yàn)顆粒分析試驗(yàn)用水的探討

余道洋

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

工程建設(shè)中需要了解地基土的性質(zhì)和組成，為地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)，在建筑現(xiàn)場(chǎng)采取土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)是最基本的手段。通過各種室內(nèi)試驗(yàn)可以判斷地基土的組成并獲取地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，其中顆粒分析試驗(yàn)是一種重要的室內(nèi)試驗(yàn)方法。顆粒分析試驗(yàn)可以測(cè)定土樣中各粒徑組土顆粒的含量（以該土占該土樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)表示），用于粉（砂）性土的分類定名和地基土液化判別，另外，在地下工程及水利堤防工程中，也是判別和防治流砂管涌的重要指標(biāo)，還可為地鐵工程盾構(gòu)選型提供依據(jù)。顆粒分析試驗(yàn)分為兩種：一種是篩析法，適用于粒徑大于0.075mm的土顆粒試樣，采用標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)土試樣進(jìn)行機(jī)械震蕩分類，以求得各粒徑組土的顆粒質(zhì)量；二是密度計(jì)法，適用于粒徑小于0.075mm的土顆粒試樣，通過化學(xué)和物理方法處理后的懸浮溶液，置于量筒中，根據(jù)土顆粒在懸浮溶液中不同的下沉速度引起溶液密度變化，用密度計(jì)讀取密度變化值后，得出各個(gè)粒徑組土的顆粒質(zhì)量。在工程實(shí)踐中，密度計(jì)法應(yīng)用更為普遍，現(xiàn)有的土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中均規(guī)定采用純水（蒸餾水或去離子水）作為試驗(yàn)用水。由于生產(chǎn)試驗(yàn)過程中對(duì)水的需求量很大，純水的來源需要使用專用設(shè)備制取或者外購(gòu)，對(duì)生產(chǎn)帶來不便，也大大增加了試驗(yàn)成本。關(guān)于試驗(yàn)用水的研究較少，本文對(duì)自來水作為試驗(yàn)用水進(jìn)行研究，通過對(duì)比分析純水和自來水分別作為試驗(yàn)用水得出的試驗(yàn)結(jié)果，探討試驗(yàn)的可行性，以達(dá)到合理利用資源，提高生產(chǎn)效率，簡(jiǎn)化試驗(yàn)方法的目的。

1 顆粒分析試驗(yàn)密度計(jì)法的試驗(yàn)原理

根據(jù)斯篤克在1851年的研究結(jié)果，球體微粒在靜水中沉降，其沉降速度與球體微粒的半徑平方成正比，而與介質(zhì)的粘滯系數(shù)成反比。相關(guān)實(shí)踐表明，當(dāng)土顆粒在靜水中自由下沉?xí)r，較大的顆粒下沉速度快，較小的顆粒下沉速度慢，顆粒直徑在0.002～0.2mm的顆粒在液體中下沉作等速運(yùn)動(dòng)，比較符合斯篤克定律。顆粒分析試驗(yàn)密度計(jì)法是依據(jù)斯篤克定律，選擇一定質(zhì)量的風(fēng)干土樣放入三角瓶中，注入純水加熱讓土顆粒完全散開，然后將溶液過0.075mm篩后倒入量筒中，加入化學(xué)分散劑，再注入純水至1 000m L進(jìn)行充分?jǐn)嚢?min，保證所有的土顆粒在水中均勻分布，形成一定量的懸浮溶液，然后讓土顆粒憑借自重逐漸下沉。用密度計(jì)測(cè)量不同時(shí)間下懸液的讀數(shù)，從而計(jì)算出某一粒徑土的顆粒質(zhì)量占總土樣的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

2 試驗(yàn)用水分析

2.1 水質(zhì)測(cè)試

純水與自來水都是無色無味的透明液體，在外觀上沒有差別難以區(qū)分。為探查兩種水質(zhì)的差別，現(xiàn)分別取1 000m L的代表性純水水樣和自來水水樣進(jìn)行水質(zhì)成分測(cè)試，分析兩者的差異。測(cè)試根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）（2009年版）和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水電工程地質(zhì)勘察水質(zhì)分析規(guī)程》（NB/T 35052—2015）相關(guān)要求進(jìn)行。經(jīng)測(cè)試和計(jì)算得出各種指標(biāo)結(jié)果見表1。

2.2 水質(zhì)差異分析

通過水質(zhì)分析結(jié)果可以看出，純水和自來水的水質(zhì)有一定差異，其中游離二氧化碳CO2、氯離子Cl-、鈣離子Ca2+、僅在自來水中檢出，氫氧根離子OH-、碳酸根離子CO32-、銨根離子NH4+、侵蝕性CO2兩者都未檢出，其余測(cè)試指標(biāo)兩者都有檢出，部分指標(biāo)如碳酸氫根離子HCO3-、總礦化度等相差較大，但p H值相差不大。

純水通過蒸餾或離子交換方式去除水中氣體（游離二氧化碳CO2等）及各種游離離子（如氯離子Cl-、鈣離子Ca2+等）等雜質(zhì)，因此水中離子總體含量較低，而自來水主要通過沉淀、消毒、過濾等工藝流程處理，去除水中對(duì)人體有害的雜質(zhì)，故水中離子總體含量較高，尤其是氯離子含量。

進(jìn)一步分析兩者的p H值，純水為6.50，自來水為7.29，有一定差別但差別不大，都接近于中性水7.00。純水剛生產(chǎn)出來時(shí)為中性水，后期由于運(yùn)輸及使用過程中，難免接觸空氣，故導(dǎo)致p H值有所降低。

總體而言，純水和自來水的p H值差異不大，但從氣體及離子含量方面，水質(zhì)有一定差異，因此需考慮水質(zhì)差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)方案

上海地區(qū)土性以黏性土、粉性土（黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土）、砂性土為主，顆粒分析試驗(yàn)主要針對(duì)粉性土和砂性土，為充分對(duì)比兩種試驗(yàn)用水的結(jié)果，選取代表性土樣30組，其中10組為黏質(zhì)粉土、10組為砂質(zhì)粉土、10組為粉砂，每組分別采用純水和自來水進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，共計(jì)60組，研究其對(duì)定名、顆粒組成含量的影響程度。

3.2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和步驟[1-3]

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)上?！稁r土工程勘察規(guī)范》（D J G 08-37—2012）確定，采用甲種密度計(jì)。試驗(yàn)設(shè)備包括：1 000m L量筒、燒瓶、天平、甲種密度計(jì)、秒表、0.075mm的標(biāo)準(zhǔn)篩、分散劑（六偏磷酸鈉）、溫度計(jì)等。

根據(jù)試驗(yàn)方案，每組樣品根據(jù)土性均選取代表性試樣（經(jīng)烘箱108℃和6 h以上烘干）40 g，倒入不同的燒瓶中，分別加入純水和自來水加熱至沸騰，沸騰時(shí)間約40 min，冷卻至室溫，過0.075 mm篩，篩上顆粒烘干稱重，篩下溶液倒入量筒并加分散劑，根據(jù)既定水類別定容至1 000m L。攪拌器放入量筒中上下攪拌1min，放入甲種密度計(jì)，分別讀取 1 min、5 min、15 min、30 min、60 min、210 min時(shí)密度計(jì)讀數(shù)，精確至刻度0.5。每次讀數(shù)均在欲讀數(shù)10～20 s前將密度計(jì)小心放入懸液接近讀數(shù)的深度，并注意密度計(jì)保持在量筒中部位置不得貼近筒壁，密度計(jì)讀數(shù)均以彎液面上緣為準(zhǔn)，每次讀數(shù)后測(cè)定相應(yīng)的懸液溫度，準(zhǔn)確至0.5℃，并盡量減少對(duì)懸液的擾動(dòng)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)方案和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法，獲得不同土性（黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粉砂）60組樣品的自來水和純水的顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果見表2～表7。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)60組樣品的顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果，純水和自來水對(duì)土樣定名和顆粒組成含量影響分析如下。

4.1 黏質(zhì)粉土

對(duì)純水和自來水的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，各項(xiàng)指標(biāo)的單個(gè)樣品和全部樣品的平均值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相同，尤其是黏粒含量基本接近，定名也一致，表明試驗(yàn)用水對(duì)土樣定名和顆粒組成含量結(jié)果影響不大，對(duì)黏質(zhì)粉土采用自來水進(jìn)行試驗(yàn)是可行的。

表3 顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果表（純水、黏質(zhì)粉土）

4.2 砂質(zhì)粉土

兩種試驗(yàn)用水得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定差異，個(gè)別樣品的試驗(yàn)值差異較大，但樣品的平均值差異不大，尤其是關(guān)鍵性指標(biāo)黏粒含量基本接近，定名也相同，表明試驗(yàn)用水對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不大?？紤]試驗(yàn)方法和試驗(yàn)過程本身也具有一定的誤差，故對(duì)砂質(zhì)粉土采用自來水進(jìn)行試驗(yàn)是可行的。

4.3 粉砂

比較兩種試驗(yàn)用水的試驗(yàn)結(jié)果，單個(gè)樣品的試驗(yàn)值差異相對(duì)較大，但樣品的平均值相差不大，定名也相同。分析試驗(yàn)值差異的原因，主要由于上海地區(qū)粉砂含黏量較大，土性差異較大，導(dǎo)致各粒徑土顆粒分布不均，且粉砂組成土顆粒粒徑跨度較大，故對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響相對(duì)較大。對(duì)定名來說，決定因素是由0.075篩上顆粒質(zhì)量決定，密度計(jì)讀數(shù)只決定粉砂的黏粒含量，所以水質(zhì)對(duì)定名沒有影響。采用自來水對(duì)粉砂有一定差異，但考慮試驗(yàn)方法和試驗(yàn)過程本身也具有一定的誤差，且對(duì)土樣定名沒有影響，故采用自來水對(duì)粉砂進(jìn)行試驗(yàn)可行。

表5 顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果表（純水、砂質(zhì)粉土）

總結(jié)各土性的試驗(yàn)分析結(jié)果，表明采用自來水進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，對(duì)土樣定名沒有影響，得到的顆粒組成數(shù)據(jù)結(jié)果存在一定差異，但差異并不明顯，尤其是黏質(zhì)粉土和砂質(zhì)粉土。存在差異的原因主要有試驗(yàn)樣品的土性、均勻性、試驗(yàn)設(shè)備的精度、人工操作方法差異等，表明水對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不明顯，因此采用自來水進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)基本可行。

表6 顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果表（自來水、粉砂）

表7 顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果表（純水、粉砂）

5 結(jié)語

（1）通過水質(zhì)分析試驗(yàn)，純水和自來水的水質(zhì)有一定差異，其中氣體和部分離子的含量相差較大，但p H值相差不大。

（2）通過對(duì)上海地區(qū)典型地基土分別采用純水和自來水作為水源進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，結(jié)果表明對(duì)土樣定名沒有影響；得到的顆粒組成含量結(jié)果差異較小，表明水對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較小，采用自來水代替純水進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)基本可行。

（3）該次試驗(yàn)是以60組土樣樣品進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)的來源有限，需要在今后的工程實(shí)踐中進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)，以充分驗(yàn)證試驗(yàn)的可行性。