实验一 土壤颗粒组成的测定——简易比重计法

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： 22

()/9

s w v g r ρρη=

?- 式中：v —土粒沉降速度cm s －

1；r —土粒半径cm ；g —重力加速度(981cm s －

2)；s ρ—土粒比重（2.65）；w ρ—水的密度g cm －

3；η—水的粘带系数g cm －

1. s －

1。

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—F A 之合理所支配，

g s F mg V g ρ== ， A w F V g ρ=

式中：m —颗粒质量；V —颗粒体积；g —重力加速度；s ρ——颗粒密度；

w ρ——水密度。

驱使球形颗粒的向下运动的合力F 合应该是：

34

()()3

g A s w s w F F F V g r g ρρπρρ-=-=-合＝

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 6rv πη阻

＝ 式中：η－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 s －

1）。

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 F =阻合－ 3－5

因此有：

3

4()63s w r g rv πρρπη-＝ 3－6 22

()/9

s w v g r ρρη=?- 3－7

或：r =

3－8 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h

v t

=带入3-7公式中，则：

2

92()s w h t g r η

ρρ=

- 3－9

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

100%?=

烘干土样重

校正后读数

）小于某粒径土粒含量（

分散剂校正值温度校正值比重计读数烘干土样重--= 1000

m /g ）加入量（分散剂摩尔质量）分散剂校正值（L L ?=

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

附表2 小于某粒径土粒下沉所需要的时间表