淺談水利工程中土樣含水率試驗(yàn)

李 健

一、概述

含水率是土的三大物理性質(zhì)指標(biāo)之一，它主要反映土的軟硬程度。土的力學(xué)、物理性質(zhì)的變化隨土的含水率的變化而發(fā)生改變。土中含水量的多少，使土的狀態(tài)分為飽和、很濕、稍濕；而從稠度方面講，土可以成為堅(jiān)硬的、可塑的、軟塑的或流動的；從土的力學(xué)性質(zhì)方面講，含水率變化能增強(qiáng)或減弱土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，緊密或疏松，使土的固結(jié)變形性及剪切破壞性發(fā)生一系列的變化。同時(shí)，土的最優(yōu)含水率對于控制建筑物施工填筑質(zhì)量非常關(guān)鍵。

土的含水率是指在105℃～110℃溫度下烘至恒量時(shí)試樣所失去的水質(zhì)量和恒量后干土質(zhì)量的比值，以百分率表示。

含水量試驗(yàn)適用于有機(jī)質(zhì)（泥炭、腐殖質(zhì)及其他）含量低于干土質(zhì)量5%的土。在有機(jī)質(zhì)含量在5%～10%之間的土中，仍允許采用本規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)，但需注明有機(jī)質(zhì)含量。當(dāng)土中有機(jī)質(zhì)含量高于干土質(zhì)量10%時(shí)，宜將烘箱溫度控制在65℃～70℃的恒溫下烘至恒量。因?yàn)榻?jīng)長時(shí)間烘干的有機(jī)質(zhì)土，腐殖質(zhì)會在烘干過程中不斷損失而逐漸分解，使測得的含水率比實(shí)際的含水率大，土中有機(jī)質(zhì)含量越高，誤差就會越大。

二、試驗(yàn)方法

測定含水率的方法主要有烘干法、微波法、比重法、酒精燃燒法、核子射線法、相對密度法等，分別介紹如下：

1．烘干法

（1）稱取有代表性試樣，細(xì)粒土15～30g，砂類土50～100g，砂礫石2～5kg 放入稱量盒內(nèi)，立即蓋緊盒蓋，稱濕土加盒質(zhì)量。細(xì)粒土、砂類土準(zhǔn)確至0.01g，砂礫石準(zhǔn)確至1g。試驗(yàn)前，應(yīng)對電子天平進(jìn)行水平調(diào)試、預(yù)熱及歸零后方可使用，同時(shí)，電子天平應(yīng)在無塵環(huán)境中操作。

（2）打開盒蓋，往烘箱內(nèi)放入稱量盒，在105℃～110℃的恒溫下烘到恒重。粘質(zhì)土烘干時(shí)間不小于8h，砂類土不小于6h，對含量為5%～10%的有機(jī)質(zhì)土，應(yīng)將溫度控制在65℃～70℃的恒溫下烘至恒量。

（3）烘干后，取出稱量盒，蓋上盒蓋放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫，稱盒加干土質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.01g。

（4）含水率ω，可按下式計(jì)算，計(jì)算至0.1%：

ω=[（m/md）-1]×100%

式中：ω—含水率，%；

m—濕土質(zhì)量，g；

md—干土質(zhì)量，g。

（5）本試驗(yàn)需進(jìn)行2 次平行測定，取其算術(shù)平均值，見表1。

表1 含水率測定的最大允許平行差值表（%）

2．酒精燃燒法

在試樣中加入酒精，利用酒精在試樣上燃燒，將土烤干，使土中水分蒸發(fā)，是快速測定土中含水率比較準(zhǔn)確的一種方法，適用于沒有烘箱或土樣較少的情況。

取代表性試樣（粘質(zhì)土5～10g， 砂質(zhì)土20～30g），放入稱量盒內(nèi)稱濕土質(zhì)量；用滴管將酒精注入放有試樣的稱量盒內(nèi)，至盒中出現(xiàn)自由液面為止；點(diǎn)燃盒中酒精，燒至火焰熄滅；重復(fù)以上方法再燃燒2 次，當(dāng)?shù)? 次火焰熄滅時(shí)，立即蓋好盒蓋，稱干土質(zhì)量。本試驗(yàn)需進(jìn)行2 次平行測定。酒精燃燒法測得的含水率略低于烘干法所測得的含水率。

3．比重法

首先取砂質(zhì)土試樣200～300g，試樣要有代表性，放入準(zhǔn)備好的試樣盤中；注入清水到玻璃瓶中達(dá)到1/3 左右，將土樣盤中的試樣用漏斗倒入瓶中，使用玻璃棒在瓶中攪拌1～2min，直到完全排出氣體為止；加清水使瓶中全部充滿，靜置1min 后吸去泡沫，再注滿清水，然后蓋上玻璃片，擦干瓶外壁稱量；倒出試驗(yàn)瓶中混合液，洗凈，再向試驗(yàn)瓶中加滿清水，蓋上玻璃片，擦干瓶外壁稱量。

按 式ω=[{m（Gs-1）/Gs（m1-m2）}-1]×100%計(jì)算含水率。

式中：ω—砂性土的含水率（%）；

m—濕土質(zhì)量（g）；

m1—瓶、水、土、玻璃片質(zhì)量（h）；

m2—瓶、水、土、玻璃片質(zhì)量（g）；

Gs—土粒比重。

為簡化計(jì)算及試驗(yàn)手續(xù)，可將m2定期校正成恒值。砂類土的比重可實(shí)測或根據(jù)一般資料估計(jì)。計(jì)算至0.1%。本試驗(yàn)需進(jìn)行2 次平行測定，取其算術(shù)平均值。

4．微波法

微波加熱就是通過微波爐產(chǎn)生的微波能，試樣受到微波照射后發(fā)熱，使水分蒸發(fā)，具有快速、均勻的特點(diǎn)。通過對比分析試驗(yàn)結(jié)果，微波法測定土的含水率和電熱干燥箱法精度幾乎一致。但微波加熱的溫度高低、烘干時(shí)間如何控制還有待于進(jìn)一步研究和實(shí)踐。

5．核子射線法

利用核子射線法測定土樣含水率是一項(xiàng)迅速發(fā)展的無損、快速檢測新技術(shù)。核子射線法廣泛用于路基填土壓實(shí)工程中土樣密度和含水率檢測。核子濕度密度儀的原理是根據(jù)不同密度的土對γ 射線（銫137—γ 源，半衰期為33.2年）的反射，間接求出該材料的密度；根據(jù)土樣游離水中的氫離子對中子（镅241/鈹中子源，半衰期為458年）的反射，測出氫離子含量，進(jìn)而推算出游離水的含量，計(jì)算出含水率。

6．相對密度法

根據(jù)土的相對密度試驗(yàn)測定試樣體積，利用估算土粒相對密度間接計(jì)算土樣含水率。該法所測結(jié)果的準(zhǔn)確度較差，只適用于砂性土。

三、含水率試驗(yàn)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題

1．做好土樣保管

野外原狀土樣在取出時(shí)，應(yīng)避免浸入過多的水分，這樣才不會破壞土樣的天然含水率。此外密封要及時(shí)，不應(yīng)在陽光下曝曬，土樣取出后及時(shí)用膠帶纏繞然后蠟封，使其盡量保持原始狀態(tài)。在運(yùn)輸和搬運(yùn)的過程中要輕拿輕放，不能碰撞摔打，使土樣擾動。土樣如不能及時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，需要放置一段時(shí)間，應(yīng)用濕透的厚布或麻袋將土樣完全覆蓋，定時(shí)少量淋水，保持土筒濕潤，防止水分散失，以免試驗(yàn)時(shí)含水率失真、不準(zhǔn)確。

2．確定土樣重量

土樣有夾層或者互層，致使土樣中包含2 種以上的土層，因土層不均勻，使含水率不準(zhǔn)確。影響因素有土樣受到碰撞、摔打而產(chǎn)生擾動，日光曝曬等。

為使試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，對于烘干法，考慮到烘焙時(shí)間的長短，細(xì)粒土取15～30g；砂類土因持水性差，需要50～100g；砂礫石顆粒較大，故試樣應(yīng)多取一些，規(guī)定采用2～5kg。

施工現(xiàn)場大多采用酒精燃燒法檢測土。經(jīng)驗(yàn)證明黏土的重量5～10g 為宜，砂土為20～30g，酒精純度不得小于95%。

3．控制試驗(yàn)溫度

有機(jī)質(zhì)土的含水率測定，不適宜在105℃～110℃下長期烘焙，有機(jī)質(zhì)會在烘焙過程中不斷的減輕其質(zhì)量，測得的含水率比實(shí)際的含水率大；而另外有些有機(jī)質(zhì)（如有機(jī)碳）在烘培中其質(zhì)量因氧化而隨之增加，測得的含水率比實(shí)際的含水率小。因此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有機(jī)質(zhì)含量超過10%的土，應(yīng)將溫度控制在65℃～70℃的恒溫下烘至恒量。

4．做好平行試驗(yàn)

平行試驗(yàn)和平行差值試驗(yàn)的目的是為了避免操作中發(fā)生錯誤，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定采用平行試驗(yàn)，通過平行試驗(yàn)可進(jìn)一步測得原狀土含水率的平均程度。為確保試驗(yàn)準(zhǔn)確度，規(guī)定試驗(yàn)中平行差值是合理的，對于烘干法，允許平行差值應(yīng)符合：當(dāng)含水率小于10%時(shí)為0.5%；當(dāng)含水率大于10%而小于等于40%時(shí)為1.0%；當(dāng)含水率大于40%時(shí)為2.0%。

四、結(jié)語

水利工程建設(shè)中，填土的最優(yōu)含水率是控制填筑土是否滿足設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵指標(biāo)，也是土工試驗(yàn)試樣制備中最重要的控制參數(shù)之一。土樣含水率是研究土的物理力學(xué)性質(zhì)必不可少的一項(xiàng)基本指標(biāo)。所以應(yīng)認(rèn)真分析土樣含水率試驗(yàn)過程中存在的問題，綜合分析試驗(yàn)成果，提高含水率檢測精確度，為做好水工建筑物填筑質(zhì)量控制提供科學(xué)參考