激光粒度分布仪水利工程颗粒分析试验研究

近年来，水利工程特别是河道治理工程日益增多，这对地质勘察工作提出了更高要求。掌握水利工程中面广、量大的土颗粒大小、性状、运动规律等资料，是开展水利工程建设的关键。传统的颗粒分析试验方法存在操作繁琐、速度慢、效率低等诸多弊端，而采用高科技的激光粒度分布仪，不但能快速高效分析土颗粒的级配组成，及时准确掌握土颗粒运动规律，而且可以实现快速化、便捷化、规模化试验生产，因此，加强这方面的研究显得尤为重要和迫切。

1密度计法与激光粒度分布仪颗分试验

颗粒分析试验是用于确定土样各粒径质量在总质量中占比的土工试验。目前，常用的方法是现行《土工试验方法标准》[1]中的筛析试验和密度计试验两种方法[2]。密度计法的基本原理是斯笃克定律，依据在悬液下沉时较大的土颗粒首先下沉的规律，可计算出土样中不同大小土颗粒的质量百分比。随着检测技术的不断发展，目前国内实验室大部分检测项目均已实现自动化，但在颗粒分析试验方面仍以人工操作为主。密度计试验及筛析试验存在操作步骤繁复、耗费时间长、危险因素多、人为影响因素多等缺点，目前迫切需要一种新的测试方法，以改变现状。

根据不同测试原理，粒子尺寸测量器可分为沉降式粒度仪、沉淀天平、激光粒度分布仪、光粒子计数器、电阻粒子计数器、粒子图像分析器等。其中，激光粒度分布仪是以激光为检测光源的新型粒子尺寸试验仪器，是通过粒子的衍射或散射光的空间分布（散射光谱）来分析粒子大小，使用Furanhofer衍射和Mie散射理论获得正确的测试结果。该测量仪器是用物理方法测定固体颗粒的大小及分布，广泛应用于建筑、涂料、石油、医药、环保、食品等行业[3]。其凭借测试速度快、测试范围广、再现性和真实性好、操作简单等特性，在粉末加工、应用和研究领域得到广泛应用[4]。将激光粒度分布仪应用于土颗粒分析试验，不仅能够快速高效分析土颗粒的级配组成，及时准确掌握土颗粒运动规律，而且可以实现快速化、便捷化、规模化试验生产。目前，激光粒度分布仪在颗粒分析中应用已被纳入《铁路工程土工试验规程》[5]。针对粉土、粉质黏土、黏土细粒土，通过激光法和密度计法已进行了多项对比试验，测试结果与现有方法略有差异。激光粒度分布仪在一定程度上低估了粘度百分比，高估了粉末量。差异产生的根本原因是测定原理不同以及土壤颗粒不规则。

2试验数据对比分析

国内外对激光粒度分布仪在颗粒分析试验中的应用已开展了大量研究。范文[6]、丁国权[7]等利用激光粒度分布仪对特殊黄土进行粒度分析实验，并与传统方法进行对比，得出两种方法的测试结果一致的结论。王雪奎[8]等对从黏性土到砂性土等各种土类，采用激光粒度分布仪与传统密度计法进行了对比分析，找出了两种试验方法的异同。国外学者Konert等[9]指出，由于黏土矿物的颗粒大多呈片状或圆板状且极不规则，激光粒度分布仪比传统沉淀法测得的结果偏大。尹长权[10]以天津港地区的土样为研究对象，通过对试验过程中的遮光率、超声波分散时间、分散剂浓度、离心泵循环转速等控制参数进行比对试验，确定了激光粒度分布仪在土工试验中的适用性，并提出了使用激光粒度分布仪进行颗粒分析试验的合适控制参数。

本文通过分析大量的水利工程颗粒试验发现，激光粒度分布仪在黏土、粉质黏土的颗粒分析试验研究中具有较高适用性，在粉土、粉砂的颗粒分析时存在误差较大的情况。因此，在试验中调整并确定了两种分布粒度仪的折光率，一种适用于黏土、粉质黏土，另一种适用于轻、中、重粉质壤土，试验结果见表1、表2。

由表1、表2可知，调试折光率后，激光粒度分布仪与传统颗粒分析试验结果近似，误差在允许范围之内，累积含量差值不大于3%。实验结果表明，粗颗粒及砾石等的颗粒分析仍需采用传统筛析法。

3影响因素分析

通常情况下，被测样品中土颗粒的粒径大小及分布存在差异，检测仪器必须具备足够的样品处理能力。结合土颗粒的激光粒度分布试验，对影响激光粒度分布仪测量精度的因素开展分析。

1）分散介质

常见的分散介质包括水、甘油、乙醇、环乙醇等，选择的分散介质要对土颗粒无腐蚀、无化学影响，能够浸润、并分散土颗粒且低成本。通过试验发现，乙醇的效果最佳。此外，也可以在水中加入六偏磷酸钠等分散剂进行分散处理，效果同样良好。

2）遮光度

通过对不同土壤分散浓度的研究分析发现，当溶液中土颗粒过多时，粒径分布曲线的峰值区域较宽，粒径分布不均匀，从而导致测量误差增大。溶液中土颗粒较少时，测得的粒径分布曲线峰较窄，粒径较小，且样品中的颗粒数不足，可能导致测量误差增加，甚至于无法有效测量。因此，应合理控制土壤浓度。经过大量实验对比，土壤粒度分析测量遮光度以15%～20%为宜。

表1 粉质黏土各粒组百分含量

3）分散时间

保持介质、土颗粒等条件一致，对不同分散时间进行研究发现，在不对土颗粒破坏的情况下，分散时间越长分散效果越好。通常情况下，分散时间达到3 min后，测得的数据差异较小，即试验超声波分散3 min可达较好的分散效果。

4）土颗粒试样温度

保持土颗粒种类、分散介质、分散时间等条件一致，进行不同温度下的激光粒度试验。实验结果表明，在温度较低时，土颗粒容易发生团结、凝聚的现象，导致无法准确分析；温度升高会促进土颗粒的分散。因此，将试样温度控制在20～35℃为最佳温度。

4特殊土中研究

在常规试验中发现，传统颗粒分析试验在处理淤泥质土时，加入分散剂后量筒上方会产生大量泡沫，即使将常规分散剂六偏磷酸钠换成双氧水等，泡沫问题仍然存在，导致比重计放入试样中无法准确读数。

表2 壤土各粒组百分含量

传统颗粒分析试验在做水泥土颗粒分析时，由于水泥土已添加固化剂等化学物质，会与加入的分散剂反应，土颗粒仍会快速沉淀，导致上清液清澈，此时放入比重计，读数会远低于实际值，从而得出错误的颗粒分析试验结果。

激光粒度分布仪颗粒分析试验采用超声波，通过物理方法进行分散。此方法在淤泥质土及水泥土颗粒分析试验中能够得到准确的颗粒分析结果，对特殊土的颗粒分析具有一定的意义。

5试验数据的自动化采集

传统颗粒分析试验依赖人工读数，并手动记录原始数据，再由资料分析员将数据手动输入到数据采集系统中，方法原始且效率较低。经过激光粒度分布仪颗粒分析可以快速输出实验数据，但无法导入到土工试验数据采集系统中。本文研究可将激光粒度分布仪分析系统接口到土工试验采集系统，步骤如下：1）采用激光粒度分布仪数据系统采集数据；2）将采集到的数据导出到Excel表格；3）将Excel表格数据导入到土工试验软件；4）汇总所有颗粒分析数据。

6试验成果在渗透变形中的研究

通过大量的试验发现，不同因素对土体渗透性能有不同的影响，不同的渗透破坏形式反映了不同的土体破坏机理。自然界中，土壤的颗粒组成分布很广，且存在多种渗透破坏形式。目前，现有研究无法判定土体渗透性能的劣化程度，一般根据渗透破坏方式对砂土等无黏性土进行分类，并采用不同的计算公式。

6.1流土抗渗比降JB.KP

土样发生由下而上的浸出时会导致破坏，土体的受力条件比较单一，目前已有的抗渗方式中两种公式被大家认可使用。

1）太沙基公式。适用于Cu≤5的土体，基于单位体积水下土壤的重量与作用于该体积上的渗透力的平衡原理，推出流土的抗渗比降公式：