实验一土壤颗粒组成的测定——简易比重计法

一、方法原理

分散的土粒在静水中由于重力作用而沉降，沉降的速度依土粒粒径的大小而有所差异，

分散后的土壤悬浊液中<0.05mm粒径可根据Stoke’s定律，利用静水沉降方法测定土壤各粒级的含量。

Stoke’s定律： v－

2gr2(sw)/ 9－

式中：v—土粒沉降速度cm s1；r—土粒半径cm；g—重力加速度(981cm s2)；s—土粒比重（2.65）；w—水的密度g cm3；—水的粘带系数g cm1. s1。

－

－

－

该定律是细小的球形（实际土粒不是球形）颗粒在一定密度和粘滞度的流体中，在重力作用下作匀速沉降运动，其沉降速度与颗粒半径平方成比。水中每一颗粒都受重力－Fg和方向相反的浮力—FA之合理所支配，

FgmgVsg ， FAVwg

式中：m—颗粒质量；V—颗粒体积；g—重力加速度；s——颗粒密度；

w——水密度。

驱使球形颗粒的向下运动的合力F合应该是：

4F合＝FgFA V(sw)gr3(sw)g

3沉降的球形颗粒在水中下降时还会受到与重力相反的粘滞阻力F阻的作用，G.G.Stoke指出粘滞阻力F阻等于：

F阻＝6rv

式中：－为水的粘滞系数（Pa﹒s），

r－为颗粒的半径（cm），

v－为颗粒在水中的沉降速度（cm s1）。

－

当颗粒作匀速运动时，驱使颗粒向下运动的重力与浮力之合力应与粘滞阻力数值相等，方向相反：

F合－F阻 3－5

因此有：

43r(sw)g＝6rv 3－6 32vgr2(sw)/ 3－7

9 或：r9v 3－8 2g(sw)h带入3-7公式中，t由于颗粒作匀速下降运动，颗粒在t时间内下降深度为h，则v则：

t9h 3－9

2g(sw)r2根据3-9公式可编制成土壤颗粒分析吸取悬液时间t和深度h表，便于分析操作。 应用Stoke's定律有不少假设条件事实上有些是达不到的，但有几个假设条件是实验必须注意的：

①颗粒必须比液体（水）分子大得多，否则颗粒在沉降时会受布朗运动的影响而改变沉降的路径；颗粒太大下沉时不可能是恒速运动，容易引起湍流，故颗粒粒径不应过大。按Stokes公式计算的各颗粒粒径范围应为0.05～0.001mm。

②颗粒必须是光滑的、非弹性的球型，虽然不是球形，但是充分分散的土粒可以近似视为球形。

③悬液的密度应当是使颗粒在液体中自由沉降，而彼此互不影响，所以一般土壤悬液的密度以<3％为宜，不能>5％，因此测定时，粘土、壤土一般称10～15g土，砂土称15～30g土配制成1000mL悬浊液。

测定悬浊液中的各级土粒含量的方法有吸管法和比重计法。

具体提取各级细粒的方法，主要于1000mL量筒中进行提取，吸管法是在量筒中的一定深度，按Stokes公式计算的各粒径所需时间提取土粒悬浊液，烘干后称重，再计算小于相应粒径的累积量，两次测定的累积量相减，即得某一粒径范围的土粒量。土壤比重计（如鲍氏比重计）法测定各粒级含量是根据Stoke’s定律计算出的各粒级沉降一定深度所需要的时间，放入比重计进行快速测量，但其精度远不及吸管法。 二、仪器药品

1．仪器：甲种比重计、沉降筒、搅拌棒、天平、漏斗、温度计、电热板、三角瓶、洗

瓶、带秒针时钟。

2．分散剂：0.5M 氢氧化钠（用于酸性土壤）、0.25M草酸钠（用于中性土壤）、0.5N焦磷酸钠(用于碱性土壤)。 三、操作步骤

１.称取土样

用百分之一天平称过20号筛的土样50~100g（如果质地越偏砂则称样量越大），供分散处理用。

２.分散土粒

将称好的土样放在500ml三角瓶中，加入选定的分散剂20ml后，再用蒸馏水冲至200~300ml。摇匀后静置两小时，并每隔15分钟左右摇动一次（因时间问题，试验中不做这一步了）。盖上小漏斗，然后放在电热板上加热煮沸。在未煮沸前应经常摇动三角瓶，以防土粒沉积粘附瓶底，结成硬块或烧焦而影响分散，并可能因冷热不均而发生破裂。煮沸后保持沸腾 60min（因时间问题，试验中只需沸腾10min即可）。

3.制备悬液

将冷却的三角瓶中悬液全部进入沉降筒，用蒸馏水定容到1000ml。放置于温差变化小的室内平稳桌面上，避免阳光直射，并准备比重计、秒表、温度计(±0.1℃)、记录纸等。

４．测定悬液比重

用搅拌棒搅动悬液1min，测定液温，记录开始时间（以搅拌棒离开液面的那一时刻记为第0s），按表1中所列温度、时间和粒径的关系，根据当时的液温和待测的粒级最大直径值，查表2选定测比重计读数的时间。提前30秒钟，将比重计轻轻地、垂直地插入悬液中，放在沉降筒的中心位置，并略为扶住其玻璃杆，使它不上下左右晃动，直到基本稳定为止，到了选定的时间即测记比重计读数。立即取出比重计，洗去土粒，以备下次使用，并测量悬液温度。将读数经必要的校正计算后，即代表直径小于所选定的毫米数的颗粒累积含量。按照上述步骤，就可分别测出＜0.05、＜0.01、＜0.005、＜0.001mm等各级土粒的比重计读数。 四、结果计算

小于某粒径土粒含量（%）校正后读数100

烘干土样重烘干土样重比重计读数-温度校正值-分散剂校正值 分散剂校正值（g/L）分散剂摩尔质量加入量（mL）

1000将相邻两粒径的土粒累积百分数值相减，即为该两粒径范围内的粒级百分含量。 五、讨论

实验中一些需要注意的问题，误差的来源讨论等。

附表1 甲种鲍氏比重计温度校正表

温度/℃ 6.0~8.5 9.0~8.5 10.0~10.5 11.0 11.5~12.0 12.5 13.0 13.5 14.0~14.5 15.0 15.5 16.0 校正值 —2.2 —2.1 —2.0 —1.9 —1.8 —1.7 —1.6 —1.5 —1.4 —1.2 —1.1 —1.0 温度/℃ 16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 21.0 21.5 22.0 校正值 —0.9 —0.8 —0.7 —0.5 —0.4 —0.3 —0.1 0 +0.15 +0.3 +0.45 +0.6 温度/℃ 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 25.0 25.5 26.0 26.5 27.0 27.5 28.0 校正值 +0.8 +0.9 +1.1 +1.3 +1.5 +1.7 +1.9 +2.1 +2.2 +2.5 +2.6 +2.9 温度/℃ 28.5 29.0 29.5 30.0 30.5 31.0 31.5 32.0 32.5 33.0 33.5 34.0 校正值 +3.1 +3.3 +3.5 +3.7 +3.8 +4.0 +4.2 +4.6 +4.9 +5.2 +5.5 +5.8 附表2 小于某粒径土粒下沉所需要的时间表

温度/℃ 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 <0.05mm h 分 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 秒 32 30 25 23 20 18 18 15 12 10 10 8 6 5 2 50 56 55 54 54 53 51 50 48 46 45 45 45 44 44 42 < 0.01mm h 分 43 42 40 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 27 26 26 25 24 24 23 23 22 21 21 20 19 19 19 18 18 秒 30 30 < 0.005mm h 分 2 55 2 50 2 50 2 45 2 40 2 30 2 25 2 25 2 20 2 15 2 15 2 15 2 5 2 2 55 2 55 1 50 1 50 1 50 1 45 1 45 1 40 1 35 1 30 1 30 1 30 1 28 1 25 1 25 1 20 1 20 1 20 秒 <0.001mm h 分 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 秒