不同方法快速測定土的含水率的可靠性研究

諶文武，陳浩鑫，畢駿，李湘

(1.蘭州大學西部災害與環(huán)境力學教育部重點實驗室，甘肅蘭州，730000；2.蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅蘭州，730000)

自然界中的土一般都處于非飽和狀態(tài)[1]。含水率是土最重要的基本性質之一，含水率的變化往往改變土的強度、壓實性、彈性模量、凍脹特性和滲透特性等，因此，在邊坡工程、地下工程和基礎工程等學科領域中，土的含水率的監(jiān)控測量都是重中之重[2-4]。測試土的含水率的方法多種多樣，前人進行分類總結，孫滿利等[5]將現有方法按測量原理分為質量法、化學法、射線法、介電法、電阻法、張力計法、遙感法和探地雷達法8類；常丹等[6]按測量方式將其劃分為破壞性測量方法、接觸式測量方法和非接觸式測量方法。烘干法是最受廣泛認可的含水率試驗方法，被國家規(guī)范列為標準方法，其優(yōu)勢是準確度高，操作簡便，且最符合含水率定義[7-8]，但其烘干時間長且只能在實驗室內測試的局限性導致其無法滿足現場快速測量的需求。為此，研究者們研發(fā)了一系列在現場快速測量含水率的新方法，PARSONS[9]基于壓實原理提出以壓實力判斷土壤含水率的方法；RAHIMI-AJDADI 等[10]提出只需拍攝1 幅圖像，便可利用機器視覺和人工智能估計土壤水分的快速非接觸方法；ENGMAN 等[11]利用衛(wèi)星遙感方法實時監(jiān)測土壤含水率；REEDY 等[12]利用電磁感應監(jiān)測土的含水量；馬玉瑩[13]提出一種能在田間測量含水率的體積置換法；邱傳濤等[14-15]利用中子儀現場測試土壤含水量。此外，還有一些使用簡易設備就能快速在現場測試土樣含水率的方法，如采用酒精燃燒法利用酒精燃燒除去土中水分，以前后質量損失來計算土樣含水率。我國土工試驗方法標準和土工試驗規(guī)程都將酒精燃燒法列為標準方法之一[8]，但對其相關研究較少，可靠性有待研究。微波爐法測土的含水率于19世紀七八十年代得以應用[16]，并且被列入美國ASTM標準中[17]。國內，畢俊擘等[18-19]研究微波爐測定土含水率的最佳烘干時間等指標；張虎元等[20-21]將微波爐測含水率法用于遺址土與黏土中含水率測量，但到目前為止，對于微波爐法的使用國內并沒有廣泛認可，也未形成相關的使用規(guī)范。美國研究者還將通過直接加熱測定土壤中含水量的試驗方法列入ASTM標準，簡略介紹了用熱板、噴燈和熱吹風等直接熱源干燥土樣測試含水率的方法[22]，但并沒有具體闡明各種熱源的試驗步驟，也未有具體的試驗探明該類方法的精度。為判斷以上方法的適用性和可靠性，進一步滿足含水率測試快速簡便、現場測試的需求，選用8類土，各設置5個含水率，使用酒精燃燒法、微波爐法、炒干法和明火灼燒法這4 種方法測定含水率，并與烘干法結果對比分析，比較不同方法優(yōu)劣，探明不同測試方法產生含水率誤差的原因。

1 試驗設計

1.1 試驗器材

1)烘干法：101-3型電熱恒溫干燥箱、電子天平量程為1 000 g，最小分度為0.01 g。

2)酒精燃燒法：鋁盒、玻璃棒和打火機。

3)微波加熱法：P70D20TL－D4型微波爐，輸出功率為700 W，微波頻率為2 450 MHz，坩堝。

4)炒干法：酒精燈、三腳架、鐵盤。

5)明火灼燒法：高溫噴火槍，火焰溫度約1 300 ℃。

6)其他試驗器材：LP-100D型數顯式土壤液塑限聯合測定儀、各級粒徑的篩子等。

1.2 試驗材料

試驗用土分別取自甘肅蘭州的黃土、河南信陽的砂土和福建漳州的黏土。由黃土與砂土按一定比例混合配制6類不同粒徑組合的土，圖1所示為各類土樣的質量分數，表1所示為測得的各類土樣黏粒質量分數小于0.075 mm 的土質量分數以及塑性指數。配制所得6類土以及蘭州黃土、漳州紅黏土分別符合文獻[23]中的分類標準。

圖1 土樣顆分曲線圖Fig.1 Grain composition of samples

1.3 試驗方法

1)烘干法。依據文獻[7]，稱取15～30 g土樣放入鋁盒(已知質量)中，蓋上盒蓋，稱盒加濕土的質量。打開盒蓋，放入烘箱中在105 ℃恒溫下烘8 h后取出。蓋上盒蓋，放于干燥器內冷卻至室溫后，稱量盒加干土的質量。

2)酒精燃燒法。依據文獻[8]，稱取配制土樣(黏性土5～10 g，砂類土20～30 g)，放入鋁盒內，稱量盒加濕土質量。用滴管往放有試樣的鋁盒加入純度為95%的酒精直至出現自由液面為止，輕輕晃動使酒精與土樣混合均勻。點燃盒中酒精，燒盡后立刻稱量盒加試樣質量。用玻璃棒將盒中土樣攪散后，再次加入酒精進行燃燒，燃盡后測量盒加干土質量。

表1 土樣參數Table 1 Parameters of soil

3)微波爐法。參考文獻[17]，稱取10～20 g 配制好的土樣放入坩堝(已知質量)中，稱坩堝加濕土的質量。放入微波爐中烘烤3 min后取出。稱量坩堝加土的質量，用玻璃棒攪拌坩堝內土樣至散狀，并拿小毛刷將玻璃棒附著土粒刷回坩堝內，繼續(xù)放入微波爐中烘烤1 min后，再次稱量坩堝加土的質量。

4)炒干法。參考文獻[22]，稱取配制土樣10～20 g，放入小鐵盤(已知質量)內，稱量鐵盤加濕土質量。將鐵盤放于三腳架上，使用酒精燈在其下加熱，用小鏟子不斷翻炒3 min，拿小毛刷將小鏟子上附著顆粒刷回鐵盤內，然后立刻稱量鐵盤加土的質量，稱完放回三腳架上繼續(xù)加熱翻炒30 s，再次稱量鐵盤加土的質量。

5)明火灼燒法。參考文獻[22]，稱取配制土樣10～20 g，放入小鐵碗(已知質量)內，稱量鐵碗加濕土質量。使用噴火槍對碗內土樣進行灼燒1 min，然后立刻稱鐵碗加土的質量，繼續(xù)用噴火槍灼燒20 s，再次稱量鐵碗加土的質量。

試驗方法2)～5)中土的干燥過程需要重復3 次以上，直至容器加干土質量保持恒定。試驗中，質量稱量均精確至0.01 g。

1.4 試驗步驟

1)將取自河南信陽的砂土篩分成≥2.000，[1.000，2.000)，[0.5000，1.000)，[0.250，0.500)，[0.075，0.250)和＜0.075 mm共6個粒組。

2)將砂土篩分后6個粒組的顆粒與黃土按巖土工程勘察規(guī)范規(guī)定比例混合得到6類土。對配制的6 類土以及蘭州黃土、漳州紅黏土進行顆分試驗，并且使用數顯式土壤液塑限聯合測定儀進行界限含水率試驗，判斷該8類土是否符合巖土工程勘察規(guī)范中規(guī)定的礫砂、粗砂、中砂、細砂、粉砂、粉土、粉質黏土和黏土的分類標準。

3)將8類土各分為5份，每份500 g，按表2預設的含水率計算所需水量，使用噴壺將所需蒸餾水均勻噴入土樣中，將土水攪拌勻后盛入塑料袋，置于保濕器內24 h使其水分均勻。

4)使用烘干法、酒精燃燒法、微波爐法、炒干法和明火灼燒法按上述的試驗步驟對配制好的土樣含水率進行測試。

表2 各類土配制的含水率組合Table 2 Preset moisture content of soil samples

2 試驗結果

烘干法為國家土工試驗標準中規(guī)定的標準方法。故以不同方法測試結果與烘干法測試結果之差的絕對值作為該方法測試的誤差，誤差越小，則測試準確度越高。

圖2所示為4種方法對試驗土樣含水率測試的誤差平均值、極大值和方差。由圖2可見：4 種快速測量含水率的方法準確度從高到低依次為酒精燃燒法、微波爐法、炒干法和明火灼燒法。酒精燃燒法、微波爐法和干炒法的含水率極大值和標準差都較小，這表明這3種方法測量不同的顆粒組成和含水率的土樣含水率誤差較穩(wěn)定，不易出現個別測量值偏差較大的情況。明火灼燒法所得含水率誤差的極值和標準差都較大，表明測量不同的顆粒組成和含水率的土樣含水率的誤差波動較大，測量結果不穩(wěn)定。

3 誤差分析

3.1 酒精燃燒法

土工試驗方法標準中規(guī)定誤差允許值如下：當土樣的含水率小于10%時為0.50%，當土樣的含水率處于10%～40%時為1.00%。圖3所示為不同含水率下酒精燃燒法測試含水率的誤差，三角形表示此次含水率測量的誤差在規(guī)范允許范圍之外(下同)。由圖3可得：酒精燃燒法測試40 組含水率中僅有3個在誤差允許值之外，并且3個點都只超過允許值不到0.10%，誤差較小且較穩(wěn)定，因此，認為酒精燃燒法的測試精確度滿足規(guī)范要求，適合于工程使用。

造成酒精燃燒法誤差的原因主要如下：1)酒精燃燒法提供的烘干溫度與規(guī)定要求的105～110 ℃不符。剛開始燃燒時，酒精沒過土樣，點燃后火焰未與土樣直接接觸，因此，土樣受到的加熱溫度低于100 ℃，待酒精快要燃燒殆盡時，酒精存于土樣孔隙中，此時，酒精燃燒的火焰(主要是內焰和焰心)直接與土顆粒接觸，土樣加熱溫度可達到180～200 ℃[24]，土中本不應被除掉的強結合水和部分結晶水散失，導致最終測得含水率偏大[25]；2)酒精燃燒會生成水，雖然大部分生成的水在燃燒過程中會蒸發(fā)，但仍然有少部分會殘留于土樣，這會導致測得含水率偏小[5]。試驗表明第1 種誤差帶來的影響較大，測試結果比烘干法的稍大。

3.2 微波爐法

圖4所示為不同含水率下微波爐法測試含水率的誤差。由圖4可知：微波爐法測試40 組含水率中僅有4個在誤差允許值之外，且3個點都只超過允許值不到0.10%，誤差較小且較穩(wěn)定，故認為微波爐法的測試精確度滿足規(guī)范要求，適合在工程中使用。

圖2 4種方法測量誤差值比較Fig.2 Comparison of measurement error values of four methods

圖3 不同含水率下酒精燃燒法的含水率誤差Fig.3 Error of moisture content of alcohol burning method under different water contents

微波爐法使用微波爐干燥土時，土里的水分子在交變磁場中產生“摩擦效應”，放出大量熱量，導致內部水分子快速蒸發(fā)[26]。微波加熱的方式與烘干法以及其他3種方法有所不同。其他方法的加熱方式是由外部的熱源從土樣的表面開始逐漸傳導至土樣內部，因此，在使用這些方法時適當地翻土有利于土樣的快速干燥[27]。微波加熱是土樣內部和外部的水同時被加熱，水分快速蒸發(fā)，不容易殘留。該方法測試土樣含水率誤差產生的的原因主要是加熱的溫度過高，試驗中微波爐使用中檔加熱，加熱溫度控制在300 ℃以下，但是土樣中的強結合水在120～230 ℃就會揮散[28]，導致測得的含水率偏大。

圖4 不同含水率下微波爐法的含水率誤差Fig.4 Error of moisture content of microwave oven drying method under different water contents

3.3 炒干法

炒干法測試砂類土樣測試平均誤差接近于1.00%，然而，對粉土組、粉質黏土組和黏土組土樣的測試誤差的最大值與平均值都超過1.00%，故炒干法僅在含水率較大的砂類土含水率測量中適用。

酒精燈燃燒的火焰按照溫度從高到低的部位依次為外-內-心，外焰溫度最高，能達650 ℃以上，已遠遠超過規(guī)定的105～110 ℃，在這個溫度下，土中的強結合水與結晶水也會散失。YUKI等[29]研究表明，當溫度達到400 ℃后，土中高嶺石等黏土礦物發(fā)生脫羥基反應，脫離的羥基與H+結合生成H2O 受熱逸散，土樣質量降低。當溫度進一步升至600 ℃后，土中的方解石等碳酸鹽礦物會產生脫碳反應，生成CO2，質量進一步降低[30]。炒干法的高溫加熱會導致土樣發(fā)生脫羥基反應和脫碳，引起含水率測量結果產生較大誤差。尤其對于黏土，因黏土礦物含量高，產生誤差更大。因此，在試驗結果中，含水率測試誤差高于允許誤差1.00%，最大值達2.01%。對于砂類土，黏粒質量分數較小，由于脫羥基反應失去的質量較小，故炒干法所得含水率誤差都在1.00%以下，在土樣含水率處于10%～40%時符合規(guī)范要求，可以在工程中使用。

3.4 明火灼燒法

明火灼燒法測試含水率誤差的平均值和最大值都在2.00%以上，尤其在粉質黏土組與黏土組土樣的含水率測試中平均誤差超過10%，并且其誤差極值和方差都偏大，說明測量結果很不穩(wěn)定，故明火灼燒法所得含水率與實際土含水率偏差太大，不適合于實際工程中使用。

該方法測試結果的誤差主要來自于2個方面。

1)溫度過高，使用的高溫噴槍的火焰溫度在1 300 ℃左右，遠遠超過了其他方法的最高溫度。在此試驗溫度下土樣質量損失過程可以簡單的劃分為以下5 個階段。第1 階段，溫度在120 ℃以下，土只會散失其中的自由水和弱結合水；第2階段，當溫度高于120 ℃，土中的強結合水逐漸轉化為弱結合水甚至自由水，最終轉為氣態(tài)揮散；第3階段，當溫度達到400 ℃以上時，土中高嶺石等黏土礦物發(fā)生脫羥基反應，脫離的羥基與H+結合生成氣態(tài)H2O[31]，此外，在此溫度下，硫酸銅和硫酸鈣等內部含有結晶水的礦物成分開始逐漸散失結晶水；第4 階段，當溫度進一步升至600 ℃以上時，礦物內結晶水進一步散失，土中的方解石等碳酸鹽礦物會產生脫碳反應，生成CO2氣體逸散[30]；第5階段，超過800 ℃時，土樣中的高嶺石中Al4Si(OH)8等礦物成分開始分解，生成對應的氧化物以及氣態(tài)H2O[32]，礦物內結晶水基本完全散失，碳酸鹽礦物脫碳反應基本結束，同時，土中一些分解溫度較低的氧化物如Fe2O3等在超過1 000 ℃條件下分解生成O2[33]。其他方法只會造成前4 個階段的質量損失，而明火灼燒法會造成這5個階段的質量損失，含水率測試結果遠遠高于其他方法測試結果，特別是對于含有黏土礦物較多的細粒土，大量的黏土礦物分解造成試驗誤差極大，而以性質穩(wěn)定的SiO2為主要成分的粗粒土則相對誤差較小[34]。

2)在加熱過程中，小粒徑土顆粒隨氣流飄散。其原因可能是溫度過高時，碳酸鹽礦物和黏土類礦物的分解反應過快，會快速生成氣體并產生氣流，此外，試驗使用的噴槍噴出的可燃氣體也會形成氣流，土樣中的小顆粒尤其是粒徑小于0.005 mm 的黏粒，會在氣流帶動下飄出容具。這種現象在含細顆粒較多的粉質黏土和黏土土樣試驗中尤為明顯。這2種因素都會導致含水率測試結果增加，測量偏差遠遠比其他3種方法的高。

4 測試結果線性分析

4.1 酒精燃燒法與微波爐法

定義烘干法、酒精燃燒法、微波爐法測得土樣含水率分別為ω1，ω2和ω3。ω2，ω3與ω1關系按y=ax+b進行線性回歸分析，如圖5所示。擬合方程的R2分別為0.997 和0.992，說明ω2和ω3與ω1呈高度線性相關關系，與理想直線y=x(即當含水率測量結果與烘干法所得含水率完全相同時的擬合直線)接近，可見酒精燃燒法與微波爐法測試結果極其接近于烘干法測試結果。

圖5 不同方法測得含水率線性擬合關系圖Fig.5 Linear fitting diagram of water content measured by different methods

但酒精燃燒法和微波爐法這2種方法的含水率誤差變化趨勢不同：在測試范圍內，隨著含水率增加，酒精燃燒法的擬合線一直保持在ω2=ω1上方，且擬合直線斜率a=1，擬合線與ω2=ω1平行，測試結果始終稍大于烘干法所得結果，并且差值較穩(wěn)定；微波爐法擬合線與ω3=ω1相交，測試結果在土樣含水率較小時稍大于烘干法所得結果，含水率較大時反之，在含水率13.5%附近，二者基本相等。

4.2 炒干法

定義炒干法測得土樣含水率為ω4，ω4與ω1按ω4=aω1+b進行線性回歸分析，結果如圖6所示。擬合方程如表3所示。ω4與ω1擬合方程的R2均大于0.990，說明ω4與ω1呈高度線性關系，但與酒精燃燒法和微波爐法相比，擬合線更整體偏離理想直線ω4=ω1。擬合線始終在ω4=ω1上方，表明炒干法測試結果均大于烘干法所得結果。其中，粉土、粉質黏土和黏土組的擬合線與ω4=ω1偏離最嚴重，斜率a與理想值1 偏差較大，截距b分別為1.41，1.62和3.06，均超過1.00。炒干法不適用于測量粉土、粉質黏土、黏土等土粒粒徑較小的土樣含水率。

圖6 土樣ω1與ω4線性擬合關系圖Fig.6 Linear fitting diagram of ω1 and ω4of soil samples

黏?；蚍Q黏土粒指土樣中粒度小于0.005 mm的土顆粒[35]，黏粒特殊的晶體結構以及表面的雙電層對水的限制作用都會對土的水理性質產生影響。圖7所示為炒干法所得含水率誤差與土樣的黏粒質量分數的關系。由圖7可得，炒干法所得含水率誤差隨著土樣的黏粒質量分數增大而逐漸增大。在實際工程應用中，炒干法更適用于粒徑較大的砂類土的含水率測試，而對于粒徑較小的粉土、粉質黏土和黏土含水率測量誤差偏大，不推薦使用。

4.3 明火灼燒法

定義明火灼燒法測得土樣含水率為ω5，圖8所示為所有土樣ω5與ω1分布關系圖。由圖8可見：代表著粉土、粉質黏土和黏土的點位分布無明顯規(guī)律，但砂類土的點位呈近線性分布。故僅對砂類土樣的ω5與ω1進行線性回歸分析，結果如圖9所示。表4所示為ω5與ω1線性擬合方程與相關系數。ω5與ω1擬合方程相關系數均大于0.92，說明在砂類土中ω5與ω1呈線性相關關系。但與其他3類方法相比，ω5與ω1擬合線與理想直線ω5=ω1偏離最大。明火灼燒法測試的各類砂土樣和所有土樣的擬合線均在ω4=ω1上方，表明明火灼燒法所得含水率測試結果均大于烘干法所得含水率。5類砂土的線性擬合方程的斜率和截距都有較大變化，說明明火灼燒法所得結果不穩(wěn)定，尤其是b，其均值為2.45，最大值達4.36。

表3 炒干法與烘干法含水率相關關系Table 3 Correlation between moisture content of stir-fry method and oven drying method

圖7 炒干法誤差值與土樣黏粒質量分數的關系Fig.7 Relationship between the error of stir-fry method and clay mass fraction of soil samples

明火灼燒法測試土樣含水率的誤差與土樣的黏粒質量分數有關，圖10所示為明火灼燒法所得含水率誤差與土樣的黏粒質量分數的關系。由圖10可見：明火灼燒法所得含水率誤差隨著土樣的黏粒質量分數增大而逐漸增大。在實際應用中，明火灼燒法測試土樣含水率結果偏大，其誤差經常會超出規(guī)范允許范圍，且所測土樣的粒徑越小，其誤差越大，因此，該方法所測結果的準確度達不到要求，不推薦于工程中使用。

圖8 所有土樣ω5與ω1分布關系圖Fig.8 Distribution diagram of all soil samples ω5 and ω1

圖9 砂土樣ω5與ω1線性擬合關系圖Fig.9 Linear fitting diagram of ω1 and ω5 of sand soil samples

表4 明火灼燒法與烘干法含水率相關關系Table 4 Correlation between moisture content of flamethrower burning method and oven drying method

圖10 明火灼燒法誤差值與土樣黏粒質量分數的關系Fig.10 Relationship between the error of flamethrower burning and clay mass fraction of soil samples

5 結論

1)對于試驗的8 類土樣，4種快速測量含水率的方法精度由高到低依次為酒精燃燒法、微波爐法、炒干法和明火灼燒法。酒精燃燒法和微波爐法所得含水率誤差基本符合規(guī)范要求，結果準確且操作便捷快速，能滿足現場快速測試的要求；炒干法僅在含水率較大的砂類土含水率測量中適用。明火灼燒法所得含水率誤差均超過規(guī)范要求的2.00%，不推薦于實際工程中使用。

2)4種含水率測試方法產生誤差的主要原因都是加熱溫度過高，超過規(guī)范規(guī)定的105～110 ℃，引起額外質量損失，含水率測試結果偏大。

3)酒精燃燒法、微波爐法和炒干法測試8類土樣，明火灼燒法測試5類砂土樣的含水率與烘干法所得含水率呈線性相關關系。炒干法和明火灼燒法所得含水率與土樣黏粒質量分數誤差隨土樣的黏粒質量分數增大而增大。