激光粒度分布仪在土工试验颗粒分析中的应用

激光粒度分布仪在土工试验颗粒分析中的应用

陈雷1，张晓朋2

1.天津水运工程勘察设计院有限公司，天津 300456；2.天津天科工程管理有限公司，天津 300456

摘要：为了研究激光粒度仪在颗粒分析试验中的应用，本文以天津港典型粉质黏土、粉土和砂土为研究对象，分别采用土工试验方法和激光粒度分布仪测试方法对其颗粒分布进行测定，通过对比分析测试结果的准确性和适用性，为下一步研究激光粒度分布仪测定法分析结果向传统法分析结果转换提供依据和参考。

关键字：土工试验，激光粒度分布仪，颗粒分析，对比分析

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1.  引言

颗粒分析主要测试土的颗粒大小、级配和粒组含量，是土体工程分类的重要依据，土粒大小与土的矿物组成、力学性质、形成环境等均有直接联系[1~2]。它对土的物理、力学性质有着重要的影响。现行的《土工试验方法标准》GB/T50123-2019中规定的“筛析法”和“密度计法”是目前土工试验领域最常用的两种方法，筛析法主要适用于粒径大于0.075mm的土，密度计法主要适用于粒径小于0.075mm的土。现行标准规范中推荐的试验方法存在试验周期长、试验重复性差等多种弊端[3~4]。

近年来，随着颗粒测量技术的发展，激光粒度仪已逐渐在江河、水库悬移质以及推移质泥沙颗粒粒度的测量分析中得到应用，并继续在岩土工程领域推广[5]。激光粒度仪一般的测量范围在0.1~340μｍ，具有测试速度快、操作方便、重复性好等优点．激光粒度仪粒度测试过程中，试样浓度（反映为遮光度）对测试结果有很大影响[6]。由于激光粒度仪与密度计法测量土粒粒径原理不同，等效粒径定义也不同，所以两种方法在土体粒径分析中存在一定差异。

本节分别以天津港地区的较为典型的粉土、粉质黏土、砂土为研究对象，采用激光粒度仪测定3种土的粒度分布，根据密度计法、筛分法和激光粒度仪法对土的粒度分布测试结果，分析两种方法的异同，确定激光粒度仪法的准确性以及在岩土颗粒分析试验中推广的可能性。

2  试验材料及试验方法

试验材料取自天津港东疆港区的较为典型的粉土、粉质黏土、砂土。按照《土工试验方法标准》GBT50123-2019[7]筛析法和密度计法开展颗粒分析试验，然后采用激光粒度分布仪对三种试样的颗粒进行测定。

激光粒度仪是基于激光散射原理测量颗粒粒径分布的一种粒度测量仪器，可测量0.1~340μm范围内任意形状的颗粒，样品遮光度范围为10%~70%，测定时间为1~3min／次；样品加入前要消除管路中气泡。激光粒度仪的工作原理示意图，如图2所示。使用激光粒度分布仪测试土体颗粒时，首先通过循环分散系统将土颗粒分散后送到测量区域．基于米氏散射理论，由激光器发出光束，经过空间滤镜形成一束平行光，当平行光照射到土体颗粒上时，会发生散射现象，而散射角与颗粒直径成反比。散射光经傅氏透镜后成像在焦平面上形成颗粒的散射光谱，这种散射光谱不随颗粒运动而改变，通过接受和测量这些散射光的能量分布就可以得到颗粒的粒度分布。

3 试验对比结果

当每组土样最优遮光度范围确定后，在优化条件下测出粉质黏土、粉土和砂土的粒径分布曲线，为了与激光粒度仪法作比较，将密度计法测得的三组土样的粒径分布曲线如下（-JG代表激光粒度分布仪测试结果；-GF代表规范规定的试验方法），见下图。

图1试样颗粒分析结果（a）粉质黏土（b）粉土（c）砂土

从密度计法和激光粒度仪测得的级配曲线中可以看出：这两种试验测得的粒径曲线变化趋势基本一致，测定误差较为均匀，但普遍存在一定的偏差。通过试验，根据这图1（a）试样结果对比分析，当粒径大于一定数值时，激光粒度仪法测得的相同粒径下土的质量占总质量的百分数要高于密度计法的测量值，这是由于采用密度计法时颗粒没有完全分散开的原因；当粒径大于0.005mm时，两种方法测量的结果较为吻合说明激光粒度仪法是可以代替密度计法进行颗粒分析。

从图1（b）可以看出，对于粉土，粒径大于5μm时，采用激光法与传统方法所得结果比较吻合，说明激光法是可以替代传统方法进行粒度分析的，其中，用激光法比传统方法所测得的细砂质量分数偏差在2%以内。另外，值得注意的是，由于传统方法是根据不同直径的土颗粒在水中沉降速度不同而换算得到的，颗粒小的土粒沉降时间很长，按照规范中测试的时间无法测出粒径很小的颗粒质量分数，从图1（b）可以很明显地看出，用传统方法难以测得小于5μm的土的准确质量分数，而采用激光法则弥补了传统方法这一不足，测量最小粒径可以小到0.5μm，并且时间很短，重复性也较好。

根据激光法和传统法试验结果对比分析从图1（c）可知，各试样粒径分布趋势基本一致，曲率系数和不均匀系数数值相吻合。激光法测试时间短，用量少，测量准确，试验可重复性好，将激光法引入到岩土的颗粒分析试验，可极大的缩短试验周期，提高试验精确度，对于土工试验测试具有重要意义。

4  结论

（1）与传统筛析法、密度计法相比，激光法粒度分析法操作简便、试验结果重复性好、可靠性更强。筛析法+密度计法试验测试，读取1440min的密度计读数，可测试土粒的胶粒组小于2μm粒径所占比例；激光法颗粒分析可测试出0.01μm粒径所占比例，即测试精度达1×10-5mm，只需达到1×10-3mm即可满足土工试验测试要求。

（2）传统颗粒分析试验周期约3-4天，激光法进行颗粒分析试验则只需几分钟，甚至更快，同时也解决了筛析法时需要人工研磨和过筛带来的灰尘的影响。

（3）当前的激光法测试土的颗粒分析也有限制，对于颗粒粒径大于3mm时，也就是对于粗砂及以上粒径的土类，仍需要借助筛析法测试。对于常见的粉细砂、粉土、粘性土的颗粒分析，使用激光法测试非常适用。

（4）激光法进行土的颗粒分析试验，值得在土工试验中推广应用。目前，激光粒度分布仪法测试土体的颗粒分析已有一些试验室在用，但还未写入规范规程，有待今后进一步研究并完善，最终作为规范推荐的一种新型试验方法。

参考文献

[1] 陈秀法，冯秀丽，刘冬雁，等. 激光粒度分析与传统粒度分析方法相关对比[J].青岛海洋大学学报，2002，32(4):608-614.

[2] 李治朋. 颗粒分析试验方法的论证[J].水道港口，2012.

[3] 牛占, 和瑞勇,李静，等.激光粒度分析仪应用于黄河泥沙颗粒分析的实验研究[J].泥沙研究,2002(5):6-14.

[4] 张炳花，唐太平，杨正红，等. 马尔文激光粒度分析技术简介及其在石化行业中的应用优势[J].现代科学仪器，2000(2):68-71.

[5] 李翔，戴亚堂，邓贇. 用光子相关光谱法测定纳米TiO2粒度分布的分散方法研究[J].四川大学学报:工程科学版，2004，36(4):62-66.

[6] 陈炽锋，刘卫中，翟伟宝. 同分散剂品种对土黏粒含量的分散效果分析[J].人民珠江，2013，34(4):33-34.

[7] 土工试验方法标准[S].GB/T50123-2019.