簡介
顆粒分析試驗是土的常規試驗之一，對土樣進行顆粒分析試驗，能夠定量描述土粒中各個粒組的含量，為土的工程分類和了解土的工程性質提供依據。同時，對地基土進行液化判別時， 必須用到土的粘粒含量，這需要通過顆粒分析試驗對粘粒含量進行定量分析。因此，顆粒分析試驗是土工試驗中最為重要的試驗項目之一。顆粒分析試驗的方法主要有篩析法、密度計法和移液管法，其中篩析法所適用的土的粒徑範圍是0.075~60 mm，密度計法和移液管法適用的粒徑範圍小於 0.075 mm 範圍的土。後來發展的雷射粒度儀也能對土粒進行粒度分析，該法主要對水庫、河道的懸移質和推移質泥沙顆粒粒度測量分析套用較多，還未被列入規範中使用 。
密度計法
定義
密度計法主要適用於粒徑小於 0.075 mm 的試樣。 該法是以斯托克斯定律為基礎的，它的主要原理是土顆粒在靜水中自由下沉時受到土粒的有效重力和液體的阻力的作用，當這2 種力達到穩定時，在一定的溫度下，不同粒徑的土顆粒將以不同的速度下沉，採用密度計可以測出不同粒徑的土顆粒對應的不同下沉速度 。
密度計法是依據斯托克斯(Stokes)定律進行測定的。當土粒在液體中靠自重下沉時，較大的顆粒下沉較快，而較小的顆粒下沉則較慢。一般認為，對於粒徑為0.2～0.002mm的顆粒，在液體中靠自重下沉時，作等速運動，這符合斯托克斯定律。密度計法是靜水沉降分析法的一種，只適用於粒徑小於0.075mm的土樣。密度計法，是將一定量的土樣(粒徑<0.075mm)放在量筒中，然後加純水，經過攪拌，使土的大小顆粒在水中均勻分布，製成一定量的均勻濃度的土懸液(1000mL)。靜止懸液，讓土粒沉降，在土粒下沉過程中，用密度計測出在懸液中對應於不同時間的不同懸液密度，根據密度計讀數和土粒的下沉時間，就可計算出粒徑小於某一粒徑d(mm)的顆粒占土樣的百分數。 用密度計進行顆粒分析須作下列三個假定： 1、斯托克斯定律能適用於用土樣顆粒組成的懸液。 2、試驗開始時, 土的大小顆粒均勻地分布在懸液中。 3、所採用量筒的直徑較比重計直徑大得多。
儀器設備
1、密度計 通常採用的密度計有甲、乙兩種，這兩種密度計的製造原理及使用方法基本相同,但密度計的讀數所表示的含義則是不同的，甲種密度計讀數所表示的是一定量懸液中的乾土質量；乙種密度計讀數所表示的是懸液比重。 (1)甲種密度計，刻度單位以在20ºC時每1000mL懸液內所含土質量的克數來表示，刻度為-5～50，最小分度值為0.5。 (2)乙種密度計，刻度單位以在20ºC時懸液的比重來表示，刻度為0.995～1.020，最小分度值為0.0002。 2、量筒：容積1000mL； 3、漏斗式洗篩：孔徑0.075mm； 4、攪拌器：輪徑50mm，孔徑3mm； 5、煮沸設備：電熱器、錐形燒瓶； 6、分散劑：4%六偏磷酸鈉或其他分散劑； 7、其他：溫度計、研缽、秒表、燒杯、瓷皿、天平等。
操作步驟
1、密度計的校正 密度計在製造過程中, 其浮泡體積及刻度往往不易準確, 況且, 密度計的刻度是以20C的純水為標準的。由於受實驗室多種因素的影響，密度計在使用前應對刻度、彎液面、土粒沉降距離、溫度、分散劑等的影響進行校正。 (1)土粒沉降距離校正 ① 測定密度計浮泡體積 在250mL量筒內倒入約130mL純水，並保持水溫為20C，以彎液面上緣為準，測記水面在量筒上的讀數並劃一標記，然後將密度計緩慢放入量筒中，使水面達密度計的最低刻度 處(以彎液面上緣為準)時，測記水面在量筒上的讀數並再劃一標記，水面在量筒上的兩個讀數之差即為密度計的浮泡體積，讀數準確至1mL。 ② 測定密度計浮泡體積中心 在測定密度計浮泡體積之後, 將密度計垂直向上緩慢提起，並使水面恰好落在兩標記的中間，此時，水面與浮泡的相切處(彎液面上緣為準)，即為密度計浮泡的中心，將密度計固定在三角架上，用直尺量出浮泡中心至密度計最低刻度的垂直距離。 ③ 測定1000mL量筒的內徑（準確至1mm），並計算出量筒的截面積。 ④ 量出密度計最低刻度至玻璃桿上各刻度的距離, 每5格量距1次。 ⑤ 按下式計算土粒有效沉降距離 )A 2(A 201bbVLLVLL (1-2) 式中，L為土粒有效沉降距離，cm；L為水面至密度計浮泡中心的距離，cm；L1為最低刻度至玻璃桿上各刻度的距離，cm；L0為密度計浮泡中心至最低刻度的距離，cm；Vb為密度計浮泡體積，cm3；A為1000mL量筒的截面積，cm。 ⑥ 用所量出的最低刻度至玻璃桿上各刻度的不同距離L1值代入式(1-2), 可計算出各相應的土粒有效沉降距離L值，並繪製密度計讀數與土粒有效沉降距離的關係曲線，從而根據密度計的讀數就可得出土粒有效沉降距離。
(2)刻度及彎液面校正 試驗時密度計的讀數應以彎液面的上緣為準，而密度計製造時其刻度是以彎液面的下緣為準。因此應對密度計刻度及彎液面進行校正。將密度計放入20ºC純水中，此時密度計上彎液面的上、下緣的讀數之差即為彎液面的校正值。因彎液面上緣刻度永遠大於下緣刻度，故此值永遠為正。某些密度計出廠時已註明以彎液面上緣為準，即校正值為零。
(3)溫度校正 密度計刻度是在20ºC時刻制的, 但試驗時的懸液溫度不一定恰好等於20ºC, 而水的密度變化及密度計浮泡體積的膨脹，會影響到密度計的準確讀數，因此需要加以溫度校正。密度計讀數的溫度校正值可從表1-1查得。
(4)分散劑校正 為了使懸液充分分散，常加一定量的分散劑，懸液的密度則比原來的增大，因此應考慮分散劑對密度計讀數的影響。具體方法是：將量筒內1000mL的純水恆溫至20ºC, 先測出密度計在20ºC純水中的讀數, 然後再加試驗時採用的分散劑, 用攪拌器在量筒內沿整個深度上下攪拌均勻, 並將密度計放入溶液中測記密度計讀數, 兩者之差, 即為分散劑校正值。
(5)土粒比重校正 密度計刻度系假定懸液內土粒的比重為2.65製作的，若試驗時土粒的比重不是2.65，則必須加以校正，甲、乙兩種密度計的比重校正值可由表1-2查得。
2、處理土樣及製備懸液 (1) 取代表性試樣200～300g, 風乾並測定試樣的風乾含水率，放入研缽中，用帶橡皮頭的研棒研散。 (2) 稱風乾試樣30g，倒入500mL錐形瓶，注入純水200ml, 浸泡過夜。 (3) 將盛土液的錐形瓶稍加搖晃後放在煮沸設備上進行煮沸，煮沸時間宜為40min。 (4) 將冷卻後的懸液全部沖入燒杯中，用帶橡皮頭研棒研磨；靜止約1min，將上部懸液倒在0.075mm洗篩上，經漏斗注入1000mL的大量筒內，遺留杯底沉澱物用橡皮頭研棒研散，再加適量純水攪拌，倒出上部懸液過篩入量筒內。如此反覆，直至懸液澄清後將燒杯中全部試樣過篩，沖洗乾淨；將篩上砂粒移入蒸發皿內，烘乾後，按試驗一步驟2過篩稱量，並計算各粒組百分含量。 (5) 在大量筒中加入4%濃度的六偏磷酸鈉10mL，再注入純水至1000mL。 3、按時測定懸液的密度及溫度 (1)將攪拌器放入量筒中，沿懸液深度上下攪拌1min，使土粒完全均布到整個懸液中。注意攪拌時勿使懸液濺出量筒外。 (2)取出攪拌器，同時立即開動秒表，將密度計放入懸液中，測記0.5、1、2、5、15、30、60、120和1440min時的密度計讀數，並測定其相應的懸液溫度。根據試驗情況或實際需要，可增加密度計讀數次數，或縮短最後一次讀數時間。 (3) 每次讀數時均應在預定時間前10～20s將密度計徐徐放入懸液中部，不得貼近筒壁，並使密度計豎直，還應在近似於懸液密度的刻度處放手，以免攪動懸液。 (4) 密度計讀數以彎液面上緣為準。甲種密度計應準確至0.5, 估讀至0.1；乙種密度計應準確至0.0002, 估讀至0.0001。每次讀數完畢，立即取出密度計，放入盛有清水的量筒中。 (5) 測定懸液溫度，應準確至0.5ºC。
成果整理
1、試樣顆粒粒徑按斯托克斯公式(1-3)計算，d 為土顆粒粒徑，mm； 為水的動力粘滯係數（kPa·s×10－6 ）；Gs為土粒比重；Gwt為 tºC 時水的比重；ρwt為4ºC時純水的密度，g/cm3；L為土粒下沉距離，cm；t 為土粒下沉時間，s；g為重力加速度(cm/s2 )；A為粒徑計算係數，與懸液溫度和土粒比重有關，可由表1-3查得。 2、小於某粒徑的試樣質量占試樣總質量的百分比可按式(1-4)或式(1-5)計算： ，X為小於某粒徑的試樣質量的百分比，%；ms為土樣乾質量，g；CG為土粒比重校正值, 查表1-2；R 為甲種密度計讀數；mt為懸液溫度校正值，查表1-1；n為彎液面校正值；DC為分散劑校正值。 (2)乙種比重計，GC 為土粒比重校正值，查表1-2；R為乙種密度計讀數；tm為懸液溫度校正值， 查表1-1；n為彎液面校正值；DC 為分散劑校正值；Vx為懸液體積(=1000mL)；ρw20為 20℃時純水的密度，取0.9982g/cm3 。 3、在半對數坐標上繪製顆粒大小分布曲線，求不均勻係數Cu和曲率係數Cc，說明該土的均一性。 必須指出的是, 當試樣中既有小於0.075mm的顆粒, 又有大於0.075mm的顆粒, 需進行密度計法和篩析法聯合分析時, 應考慮到小於0.075mm的試樣質量占試樣總質量的百分比, 即應將按式(1-4)或式(1-5)所得的計算結果, 再乘以小於0.075mm的試樣質量占試樣總質量的百分數, 然後再分別繪製密度計法和篩析法所得的顆粒大小分布曲線, 並將兩段曲線連成一條平滑的曲線。 4、填寫試驗報告。
注意事項
1、每次測得懸液密度後，均應將密度計輕輕放在盛水的量筒中。 2、讀數要迅速準確，不宜將密度計在懸液中放置時間過久。在正式試驗前，必須多次練習密度計的準確讀數方法。 3、試驗前，應將量筒放在固定平穩的地方，試驗中不得移動，並保持懸液溫度穩定。
篩析法
篩析法測定砂土的粒度成分，是利用一套孔徑大小不同的標準土壤篩來分離一定量的代表性砂土中與篩孔徑相應的粒組，通過天平稱量，得其各粒組的質量，以便計算各粒組的相對含量，進而確定砂土的粒度成分。製備後的土樣，通過篩析，按其不同粒組的相對含量可劃分為巨粒類土、粗粒類土和細粒類土。巨粒類土應按粒組劃分；粗粒類土應按粒組、級配、細粒土含量劃分；細粒類土的定名應按細粒土中所含粒組含量以及有機質含量來進行分類。理論上講用篩析法測得的留篩比重被視為實際留篩比重，而在室內土工試驗室的實際操作中，當顆粒處於篩孔上並受到振動時， 有的土顆粒可以通過篩孔而有的卻不能通過，被賭在篩孔中，這主要取決於土顆粒的粒徑和顆粒在篩面上的角度，以及篩分的持續時間。被賭在篩孔中的土顆粒質量被忽略了，在實際操作過程中每一級篩子都有不同程度的賭篩現象，從而造成每一級土的留篩比重發生變化，所測得的各粒組含量占該土總質量的百分數發生改變，使得試驗結果造成土的定名與實際不符。不同篩子、不同操作者及試樣總質量的影響；不同廠家生產的篩子，篩孔的形狀有圓形的也有方形的，而且時間用久了篩孔的尺寸會發生變形，甚至斷絲而又不能及時得到更換， 篩孔尺寸的變形誤差會造成留篩比重的變化從而造成各級粒組含量占該土總質量的百分數的變化；不同的操作者在操作過程中使用的操作方法的不同也會造成試驗誤差。有的操作者製備土樣是將試樣放在橡皮墊上用木碾碾細土樣，也有將試樣放在碾缽中碾細土樣;所選代表性試樣總質量的影響，試樣質量大誤差就小，試樣質量小誤差就大。
