淺談水利工程中土樣含水率試驗

李 健

一、概述

含水率是土的三大物理性質指標之一，它主要反映土的軟硬程度。土的力學、物理性質的變化隨土的含水率的變化而發生改變。土中含水量的多少，使土的狀態分為飽和、很濕、稍濕；而從稠度方面講，土可以成為堅硬的、可塑的、軟塑的或流動的；從土的力學性質方面講，含水率變化能增強或減弱土的結構強度，緊密或疏松，使土的固結變形性及剪切破壞性發生一系列的變化。同時，土的最優含水率對于控制建筑物施工填筑質量非常關鍵。

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

含水量試驗適用于有機質（泥炭、腐殖質及其他）含量低于干土質量5%的土。在有機質含量在5%～10%之間的土中，仍允許采用本規程進行試驗，但需注明有機質含量。當土中有機質含量高于干土質量10%時，宜將烘箱溫度控制在65℃～70℃的恒溫下烘至恒量。因為經長時間烘干的有機質土，腐殖質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際的含水率大，土中有機質含量越高，誤差就會越大。

二、試驗方法

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，細粒土15～30g，砂類土50～100g，砂礫石2～5kg 放入稱量盒內，立即蓋緊盒蓋，稱濕土加盒質量。細粒土、砂類土準確至0.01g，砂礫石準確至1g。試驗前，應對電子天平進行水平調試、預熱及歸零后方可使用，同時，電子天平應在無塵環境中操作。

（2）打開盒蓋，往烘箱內放入稱量盒，在105℃～110℃的恒溫下烘到恒重。粘質土烘干時間不小于8h，砂類土不小于6h，對含量為5%～10%的有機質土，應將溫度控制在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冷卻至室溫，稱盒加干土質量，準確至0.01g。

（4）含水率ω，可按下式計算，計算至0.1%：

ω=[（m/md）-1]×100%

式中：ω—含水率，%；

m—濕土質量，g；

md—干土質量，g。

（5）本試驗需進行2 次平行測定，取其算術平均值，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，是快速測定土中含水率比較準確的一種方法，適用于沒有烘箱或土樣較少的情況。

取代表性試樣（粘質土5～10g， 砂質土20～30g），放入稱量盒內稱濕土質量；用滴管將酒精注入放有試樣的稱量盒內，至盒中出現自由液面為止；點燃盒中酒精，燒至火焰熄滅；重復以上方法再燃燒2 次，當第3 次火焰熄滅時，立即蓋好盒蓋，稱干土質量。本試驗需進行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

首先取砂質土試樣200～300g，試樣要有代表性，放入準備好的試樣盤中；注入清水到玻璃瓶中達到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；倒出試驗瓶中混合液，洗凈，再向試驗瓶中加滿清水，蓋上玻璃片，擦干瓶外壁稱量。

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

式中：ω—砂性土的含水率（%）；

m—濕土質量（g）；

m1—瓶、水、土、玻璃片質量（h）；

m2—瓶、水、土、玻璃片質量（g）；

Gs—土粒比重。

為簡化計算及試驗手續，可將m2定期校正成恒值。砂類土的比重可實測或根據一般資料估計。計算至0.1%。本試驗需進行2 次平行測定，取其算術平均值。

4．微波法

微波加熱就是通過微波爐產生的微波能，試樣受到微波照射后發熱，使水分蒸發，具有快速、均勻的特點。通過對比分析試驗結果，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、烘干時間如何控制還有待于進一步研究和實踐。

5．核子射線法

利用核子射線法測定土樣含水率是一項迅速發展的無損、快速檢測新技術。核子射線法廣泛用于路基填土壓實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，進而推算出游離水的含量，計算出含水率。

6．相對密度法

根據土的相對密度試驗測定試樣體積，利用估算土粒相對密度間接計算土樣含水率。該法所測結果的準確度較差，只適用于砂性土。

三、含水率試驗中應注意的幾個問題

1．做好土樣保管

野外原狀土樣在取出時，應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，不應在陽光下曝曬，土樣取出后及時用膠帶纏繞然后蠟封，使其盡量保持原始狀態。在運輸和搬運的過程中要輕拿輕放，不能碰撞摔打，使土樣擾動。土樣如不能及時進行試驗，需要放置一段時間，應用濕透的厚布或麻袋將土樣完全覆蓋，定時少量淋水，保持土筒濕潤，防止水分散失，以免試驗時含水率失真、不準確。

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，使含水率不準確。影響因素有土樣受到碰撞、摔打而產生擾動，日光曝曬等。

為使試驗結果準確可靠，對于烘干法，考慮到烘焙時間的長短，細粒土取15～30g；砂類土因持水性差，需要50～100g；砂礫石顆粒較大，故試樣應多取一些，規定采用2～5kg。

施工現場大多采用酒精燃燒法檢測土。經驗證明黏土的重量5～10g 為宜，砂土為20～30g，酒精純度不得小于95%。

3．控制試驗溫度

有機質土的含水率測定，不適宜在105℃～110℃下長期烘焙，有機質會在烘焙過程中不斷的減輕其質量，測得的含水率比實際的含水率大；而另外有些有機質（如有機碳）在烘培中其質量因氧化而隨之增加，測得的含水率比實際的含水率小。因此標準規定有機質含量超過10%的土，應將溫度控制在65℃～70℃的恒溫下烘至恒量。

4．做好平行試驗

平行試驗和平行差值試驗的目的是為了避免操作中發生錯誤，標準中規定采用平行試驗，通過平行試驗可進一步測得原狀土含水率的平均程度。為確保試驗準確度，規定試驗中平行差值是合理的，對于烘干法，允許平行差值應符合：當含水率小于10%時為0.5%；當含水率大于10%而小于等于40%時為1.0%；當含水率大于40%時為2.0%。

四、結語

水利工程建設中，填土的最優含水率是控制填筑土是否滿足設計要求的關鍵指標，也是土工試驗試樣制備中最重要的控制參數之一。土樣含水率是研究土的物理力學性質必不可少的一項基本指標。所以應認真分析土樣含水率試驗過程中存在的問題，綜合分析試驗成果，提高含水率檢測精確度，為做好水工建筑物填筑質量控制提供科學參考