浅谈水利工程中土样含水率试验

2021-10-25李健

治淮 2021年7期

李健

一、概述

含水率是土的三大物理性质指标之一，它主要反映土的软硬程度。土的力学、物理性质的变化随土的含水率的变化而发生改变。土中含水量的多少，使土的状态分为饱和、很湿、稍湿；而从稠度方面讲，土可以成为坚硬的、可塑的、软塑的或流动的；从土的力学性质方面讲，含水率变化能增强或减弱土的结构强度，紧密或疏松，使土的固结变形性及剪切破坏性发生一系列的变化。同时，土的最优含水率对于控制建筑物施工填筑质量非常关键。

土的含水率是指在105℃～110℃温度下烘至恒量时试样所失去的水质量和恒量后干土质量的比值，以百分率表示。

含水量试验适用于有机质（泥炭、腐殖质及其他）含量低于干土质量5%的土。在有机质含量在5%～10%之间的土中，仍允许采用本规程进行试验，但需注明有机质含量。当土中有机质含量高于干土质量10%时，宜将烘箱温度控制在65℃～70℃的恒温下烘至恒量。因为经长时间烘干的有机质土，腐殖质会在烘干过程中不断损失而逐渐分解，使测得的含水率比实际的含水率大，土中有机质含量越高，误差就会越大。

二、试验方法

测定含水率的方法主要有烘干法、微波法、比重法、酒精燃烧法、核子射线法、相对密度法等，分别介绍如下：

1．烘干法

（1）称取有代表性试样，细粒土15～30g，砂类土50～100g，砂砾石2～5kg 放入称量盒内，立即盖紧盒盖，称湿土加盒质量。细粒土、砂类土准确至0.01g，砂砾石准确至1g。试验前，应对电子天平进行水平调试、预热及归零后方可使用，同时，电子天平应在无尘环境中操作。

（2）打开盒盖，往烘箱内放入称量盒，在105℃～110℃的恒温下烘到恒重。粘质土烘干时间不小于8h，砂类土不小于6h，对含量为5%～10%的有机质土，应将温度控制在65℃～70℃的恒温下烘至恒量。

（3）烘干后，取出称量盒，盖上盒盖放入干燥器内冷却至室温，称盒加干土质量，准确至0.01g。

（4）含水率ω，可按下式计算，计算至0.1%：

ω=[（m/md）-1]×100%

式中：ω—含水率，%；

m—湿土质量，g；

md—干土质量，g。

（5）本试验需进行2 次平行测定，取其算术平均值，见表1。

表1 含水率测定的最大允许平行差值表（%）

2．酒精燃烧法

在试样中加入酒精，利用酒精在试样上燃烧，将土烤干，使土中水分蒸发，是快速测定土中含水率比较准确的一种方法，适用于没有烘箱或土样较少的情况。

取代表性试样（粘质土5～10g，砂质土20～30g），放入称量盒内称湿土质量；用滴管将酒精注入放有试样的称量盒内，至盒中出现自由液面为止；点燃盒中酒精，烧至火焰熄灭；重复以上方法再燃烧2 次，当第3 次火焰熄灭时，立即盖好盒盖，称干土质量。本试验需进行2 次平行测定。酒精燃烧法测得的含水率略低于烘干法所测得的含水率。

3．比重法

首先取砂质土试样200～300g，试样要有代表性，放入准备好的试样盘中；注入清水到玻璃瓶中达到1/3 左右，将土样盘中的试样用漏斗倒入瓶中，使用玻璃棒在瓶中搅拌1～2min，直到完全排出气体为止；加清水使瓶中全部充满，静置1min 后吸去泡沫，再注满清水，然后盖上玻璃片，擦干瓶外壁称量；倒出试验瓶中混合液，洗净，再向试验瓶中加满清水，盖上玻璃片，擦干瓶外壁称量。

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

式中：ω—砂性土的含水率（%）；

m—湿土质量（g）；

m1—瓶、水、土、玻璃片质量（h）；

m2—瓶、水、土、玻璃片质量（g）；

Gs—土粒比重。

为简化计算及试验手续，可将m2定期校正成恒值。砂类土的比重可实测或根据一般资料估计。计算至0.1%。本试验需进行2 次平行测定，取其算术平均值。

4．微波法

微波加热就是通过微波炉产生的微波能，试样受到微波照射后发热，使水分蒸发，具有快速、均匀的特点。通过对比分析试验结果，微波法测定土的含水率和电热干燥箱法精度几乎一致。但微波加热的温度高低、烘干时间如何控制还有待于进一步研究和实践。

5．核子射线法

利用核子射线法测定土样含水率是一项迅速发展的无损、快速检测新技术。核子射线法广泛用于路基填土压实工程中土样密度和含水率检测。核子湿度密度仪的原理是根据不同密度的土对γ 射线（铯137—γ 源，半衰期为33.2年）的反射，间接求出该材料的密度；根据土样游离水中的氢离子对中子（镅241/铍中子源，半衰期为458年）的反射，测出氢离子含量，进而推算出游离水的含量，计算出含水率。

6．相对密度法

根据土的相对密度试验测定试样体积，利用估算土粒相对密度间接计算土样含水率。该法所测结果的准确度较差，只适用于砂性土。

三、含水率试验中应注意的几个问题

1．做好土样保管

野外原状土样在取出时，应避免浸入过多的水分，这样才不会破坏土样的天然含水率。此外密封要及时，不应在阳光下曝晒，土样取出后及时用胶带缠绕然后蜡封，使其尽量保持原始状态。在运输和搬运的过程中要轻拿轻放，不能碰撞摔打，使土样扰动。土样如不能及时进行试验，需要放置一段时间，应用湿透的厚布或麻袋将土样完全覆盖，定时少量淋水，保持土筒湿润，防止水分散失，以免试验时含水率失真、不准确。

2．确定土样重量

土样有夹层或者互层，致使土样中包含2 种以上的土层，因土层不均匀，使含水率不准确。影响因素有土样受到碰撞、摔打而产生扰动，日光曝晒等。

为使试验结果准确可靠，对于烘干法，考虑到烘焙时间的长短，细粒土取15～30g；砂类土因持水性差，需要50～100g；砂砾石颗粒较大，故试样应多取一些，规定采用2～5kg。

施工现场大多采用酒精燃烧法检测土。经验证明黏土的重量5～10g 为宜，砂土为20～30g，酒精纯度不得小于95%。

3．控制试验温度

有机质土的含水率测定，不适宜在105℃～110℃下长期烘焙，有机质会在烘焙过程中不断的减轻其质量，测得的含水率比实际的含水率大；而另外有些有机质（如有机碳）在烘培中其质量因氧化而随之增加，测得的含水率比实际的含水率小。因此标准规定有机质含量超过10%的土，应将温度控制在65℃～70℃的恒温下烘至恒量。

4．做好平行试验

平行试验和平行差值试验的目的是为了避免操作中发生错误，标准中规定采用平行试验，通过平行试验可进一步测得原状土含水率的平均程度。为确保试验准确度，规定试验中平行差值是合理的，对于烘干法，允许平行差值应符合：当含水率小于10%时为0.5%；当含水率大于10%而小于等于40%时为1.0%；当含水率大于40%时为2.0%。