室内土工试验颗粒分析试验用水的探讨

余道洋

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

工程建设中需要了解地基土的性质和组成，为地基基础设计和施工提供依据，在建筑现场采取土样进行室内土工试验是最基本的手段。通过各种室内试验可以判断地基土的组成并获取地基土的物理力学性质指标，其中颗粒分析试验是一种重要的室内试验方法。颗粒分析试验可以测定土样中各粒径组土颗粒的含量（以该土占该土样总质量的百分数表示），用于粉（砂）性土的分类定名和地基土液化判别，另外，在地下工程及水利堤防工程中，也是判别和防治流砂管涌的重要指标，还可为地铁工程盾构选型提供依据。颗粒分析试验分为两种：一种是筛析法，适用于粒径大于0.075mm的土颗粒试样，采用标准筛对土试样进行机械震荡分类，以求得各粒径组土的颗粒质量；二是密度计法，适用于粒径小于0.075mm的土颗粒试样，通过化学和物理方法处理后的悬浮溶液，置于量筒中，根据土颗粒在悬浮溶液中不同的下沉速度引起溶液密度变化，用密度计读取密度变化值后，得出各个粒径组土的颗粒质量。在工程实践中，密度计法应用更为普遍，现有的土工试验标准中均规定采用纯水（蒸馏水或去离子水）作为试验用水。由于生产试验过程中对水的需求量很大，纯水的来源需要使用专用设备制取或者外购，对生产带来不便，也大大增加了试验成本。关于试验用水的研究较少，本文对自来水作为试验用水进行研究，通过对比分析纯水和自来水分别作为试验用水得出的试验结果，探讨试验的可行性，以达到合理利用资源，提高生产效率，简化试验方法的目的。

1 颗粒分析试验密度计法的试验原理

根据斯笃克在1851年的研究结果，球体微粒在静水中沉降，其沉降速度与球体微粒的半径平方成正比，而与介质的粘滞系数成反比。相关实践表明，当土颗粒在静水中自由下沉时，较大的颗粒下沉速度快，较小的颗粒下沉速度慢，颗粒直径在0.002～0.2mm的颗粒在液体中下沉作等速运动，比较符合斯笃克定律。颗粒分析试验密度计法是依据斯笃克定律，选择一定质量的风干土样放入三角瓶中，注入纯水加热让土颗粒完全散开，然后将溶液过0.075mm筛后倒入量筒中，加入化学分散剂，再注入纯水至1 000m L进行充分搅拌1min，保证所有的土颗粒在水中均匀分布，形成一定量的悬浮溶液，然后让土颗粒凭借自重逐渐下沉。用密度计测量不同时间下悬液的读数，从而计算出某一粒径土的颗粒质量占总土样的质量百分数。

2 试验用水分析

2.1 水质测试

纯水与自来水都是无色无味的透明液体，在外观上没有差别难以区分。为探查两种水质的差别，现分别取1 000m L的代表性纯水水样和自来水水样进行水质成分测试，分析两者的差异。测试根据国家标准《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）（2009年版）和行业标准《水电工程地质勘察水质分析规程》（NB/T 35052—2015）相关要求进行。经测试和计算得出各种指标结果见表1。

2.2 水质差异分析

通过水质分析结果可以看出，纯水和自来水的水质有一定差异，其中游离二氧化碳CO2、氯离子Cl-、钙离子Ca2+、仅在自来水中检出，氢氧根离子OH-、碳酸根离子CO32-、铵根离子NH4+、侵蚀性CO2两者都未检出，其余测试指标两者都有检出，部分指标如碳酸氢根离子HCO3-、总矿化度等相差较大，但p H值相差不大。

纯水通过蒸馏或离子交换方式去除水中气体（游离二氧化碳CO2等）及各种游离离子（如氯离子Cl-、钙离子Ca2+等）等杂质，因此水中离子总体含量较低，而自来水主要通过沉淀、消毒、过滤等工艺流程处理，去除水中对人体有害的杂质，故水中离子总体含量较高，尤其是氯离子含量。

进一步分析两者的p H值，纯水为6.50，自来水为7.29，有一定差别但差别不大，都接近于中性水7.00。纯水刚生产出来时为中性水，后期由于运输及使用过程中，难免接触空气，故导致p H值有所降低。

总体而言，纯水和自来水的p H值差异不大，但从气体及离子含量方面，水质有一定差异，因此需考虑水质差异对试验结果的影响。

3 试验方法

3.1 试验方案

上海地区土性以黏性土、粉性土（黏质粉土、砂质粉土）、砂性土为主，颗粒分析试验主要针对粉性土和砂性土，为充分对比两种试验用水的结果，选取代表性土样30组，其中10组为黏质粉土、10组为砂质粉土、10组为粉砂，每组分别采用纯水和自来水进行颗粒分析试验，共计60组，研究其对定名、颗粒组成含量的影响程度。

3.2 试验标准和步骤[1-3]

试验标准根据上海《岩土工程勘察规范》（D J G 08-37—2012）确定，采用甲种密度计。试验设备包括：1 000m L量筒、烧瓶、天平、甲种密度计、秒表、0.075mm的标准筛、分散剂（六偏磷酸钠）、温度计等。

根据试验方案，每组样品根据土性均选取代表性试样（经烘箱108℃和6 h以上烘干）40 g，倒入不同的烧瓶中，分别加入纯水和自来水加热至沸腾，沸腾时间约40 min，冷却至室温，过0.075 mm筛，筛上颗粒烘干称重，筛下溶液倒入量筒并加分散剂，根据既定水类别定容至1 000m L。搅拌器放入量筒中上下搅拌1min，放入甲种密度计，分别读取 1 min、5 min、15 min、30 min、60 min、210 min时密度计读数，精确至刻度0.5。每次读数均在欲读数10～20 s前将密度计小心放入悬液接近读数的深度，并注意密度计保持在量筒中部位置不得贴近筒壁，密度计读数均以弯液面上缘为准，每次读数后测定相应的悬液温度，准确至0.5℃，并尽量减少对悬液的扰动。

3.3 试验结果

根据上述试验方案和试验标准方法，获得不同土性（黏质粉土、砂质粉土、粉砂）60组样品的自来水和纯水的颗粒分析试验结果见表2～表7。

4 试验结果分析

根据60组样品的颗粒分析试验结果，纯水和自来水对土样定名和颗粒组成含量影响分析如下。

4.1 黏质粉土

对纯水和自来水的试验结果进行比较，各项指标的单个样品和全部样品的平均值，试验数据基本相同，尤其是黏粒含量基本接近，定名也一致，表明试验用水对土样定名和颗粒组成含量结果影响不大，对黏质粉土采用自来水进行试验是可行的。

表3 颗粒分析试验结果表（纯水、黏质粉土）

4.2 砂质粉土

两种试验用水得到的试验数据有一定差异，个别样品的试验值差异较大，但样品的平均值差异不大，尤其是关键性指标黏粒含量基本接近，定名也相同，表明试验用水对试验结果影响不大。考虑试验方法和试验过程本身也具有一定的误差，故对砂质粉土采用自来水进行试验是可行的。

4.3 粉砂

比较两种试验用水的试验结果，单个样品的试验值差异相对较大，但样品的平均值相差不大，定名也相同。分析试验值差异的原因，主要由于上海地区粉砂含黏量较大，土性差异较大，导致各粒径土颗粒分布不均，且粉砂组成土颗粒粒径跨度较大，故对试验结果影响相对较大。对定名来说，决定因素是由0.075筛上颗粒质量决定，密度计读数只决定粉砂的黏粒含量，所以水质对定名没有影响。采用自来水对粉砂有一定差异，但考虑试验方法和试验过程本身也具有一定的误差，且对土样定名没有影响，故采用自来水对粉砂进行试验可行。

表5 颗粒分析试验结果表（纯水、砂质粉土）

总结各土性的试验分析结果，表明采用自来水进行颗粒分析试验，对土样定名没有影响，得到的颗粒组成数据结果存在一定差异，但差异并不明显，尤其是黏质粉土和砂质粉土。存在差异的原因主要有试验样品的土性、均匀性、试验设备的精度、人工操作方法差异等，表明水对试验结果的影响不明显，因此采用自来水进行颗粒分析试验基本可行。

表6 颗粒分析试验结果表（自来水、粉砂）

表7 颗粒分析试验结果表（纯水、粉砂）

5 结语

（1）通过水质分析试验，纯水和自来水的水质有一定差异，其中气体和部分离子的含量相差较大，但p H值相差不大。

（2）通过对上海地区典型地基土分别采用纯水和自来水作为水源进行颗粒分析试验，结果表明对土样定名没有影响；得到的颗粒组成含量结果差异较小，表明水对试验结果的影响较小，采用自来水代替纯水进行颗粒分析试验基本可行。

（3）该次试验是以60组土样样品进行试验，数据的来源有限，需要在今后的工程实践中进一步积累经验，以充分验证试验的可行性。