不同規(guī)范土的含水率試驗方法比較與分析

王協(xié)群 周琪 周申培 黃珍

摘 ?要 土的含水率試驗是一項最基本的土的物理性質(zhì)試驗，國內(nèi)外試驗方法較多。對國外應(yīng)用較多的美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）標準和我國國標（GB）及兩種行業(yè)標準（JTG和DL）中關(guān)于含水率的試驗方法進行對比分析，找出國內(nèi)外規(guī)范以及國內(nèi)不同行業(yè)規(guī)范之間的異同，使學生了解不同規(guī)范間的差別，并為土木工程從業(yè)人員結(jié)合實際工程情況選擇合適的試驗方法提供參考。

關(guān)鍵詞 土的含水率試驗;試驗儀器;烘干法;酒精燃燒法;比重法;炒干法;微波爐法

中圖分類號：G642 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）20-0117-03

Abstract Soil moisture content test is a basic geotechnical test， which has various test methods at home and abroad. The moisture content test methods in the standard of American Society for Testing and Materials （ASTM） which is widely used abroad and the national standard （GB） and two industry standards （JTG and DL） in China areselected to introduce and compare. To find out the similarities and?differences between domestic and foreign codes and codes of diffe-rent industries， so that university students can understand the diffe-rences between different codes， and provide references for civil engi-neering practitioners to choose appropriate test methods based on actual engineering conditions.

Key words soil moisture content testt; drying method; alcohol bur-ning method; specific gravity method; fried dry method; microwave oven method

1 前言

土的含水率是指土中水的質(zhì)量與土固體顆粒質(zhì)量的比值，以百分數(shù)表示[1]。它是研究土的物理力學性能必不可少的一項指標。含水率的變化將引起土的干濕、輕重、軟硬、疏密等狀態(tài)的改變，對土的工程性質(zhì)影響很大。

通過試驗測定土的天然含水率，并配合其他試驗指標，可以計算土的孔隙比、孔隙率及飽和度等間接指標。我國常用烘干法和酒精燃燒法來測定含水率，國外常用電熱烘箱或微波爐來測定，這些實驗方法或多或少存在某些不足。例如，烘干法耗時較久，酒精燃燒法對一些有機質(zhì)含量較高的土測定結(jié)果又有較大偏差，等等。在實際工程中，根據(jù)工程現(xiàn)場實際情況的不同，可能需要選擇不同的實驗方案。因此，對于土木工程行業(yè)人員來說，除了了解國內(nèi)外多種含水率的試驗方法以外，還應(yīng)了解其相互之間的異同，以便在工程中根據(jù)實際工程情況選擇合適的試驗方法，準確快速地測定出含水率，滿足不同工程要求。

本文選取我國的國家標準GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》[2]（以下簡稱“國標”）和兩種行業(yè)標準，分別是JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》[3]（以下簡稱“公路標準”）、DL/T 5355—2006《水電水利工程土工試驗規(guī)程》[4]（以下簡稱“水電水利標準”），以及在國外應(yīng)用較多的美國試驗與材料協(xié)會（American Society for Testingand Materials）的規(guī)范ASTM D2216-10《實驗室測定土和巖石的含水率的標準試驗方法》[5]（以下簡稱“美標”），列出其中提出的土的含水率試驗方法并加以對比分析，分別從測定含水率的試驗方法、標準試驗法在不同規(guī)范中的差異、中美快速試驗法介紹及對比、常用含水率試驗方法對比等方面進行具體闡述。

2 含水率試驗方法種類

現(xiàn)階段測定含水率的試驗方法總體分為兩類：標準試驗法和快速試驗法。在我國規(guī)范中，對于測定土的含水率，國標中提出用烘干法;公路標準中提出三種方法，分別是烘干法、酒精燃燒法和比重法;水電水利標準中提出三種方法，分別是烘干法、酒精燃燒法和炒干法。美標中提出烘干法、微波爐法、電石氣壓測試儀法和直接加熱法。其中，烘干法即為標準試驗法，而酒精燃燒法、比重法、炒干法、微波爐法、電石氣壓測試儀法和直接加熱法均屬于快速試驗法。

3 標準試驗法在中美規(guī)范中的差異

四種規(guī)范中均提出一種標準試驗法——烘干法——來測定含水率。國標中試驗步驟簡述為：取具有代表性試樣15～30 g，在105～110 ℃的恒溫下烘至恒量。但幾種規(guī)范中對烘干法的試驗要求在細節(jié)上有所不同。

對所取試樣質(zhì)量的規(guī)定不同 ?國標中規(guī)定取細粒土15～30 g，有機質(zhì)土、砂類土和整體狀構(gòu)造凍土為50 g;公路標準中規(guī)定取細粒土15～30 g，砂類土、有機質(zhì)土為50 g，砂礫石為1～2 kg;水電水利標準中規(guī)定取細粒土15～30 g，砂類土100～500 g，礫類土2000～5000 g。而美標中取樣規(guī)定如表1所示，按試驗精度要求不同，規(guī)定所取試樣質(zhì)量更具體。

對烘干溫度的規(guī)定不同 ?對于有機質(zhì)含量不超過5%的土樣，我國規(guī)范中均規(guī)定在105～110 ℃的恒溫下烘至恒重;美標中規(guī)定溫度應(yīng)保持在110±5 ℃。對于有機質(zhì)含量超過5%的土，國標中規(guī)定在65～70 ℃下烘至恒量，而公路標準中規(guī)定應(yīng)將溫度控制在60～70 ℃的恒溫下，干燥12～15 h為好。

對含水率測定的允許平行差值的規(guī)定不同 ?我國規(guī)范均規(guī)定該試驗必須對兩個試樣進行平行測定，取其算術(shù)平均值。且規(guī)定測定的差值為：當含水率小于40%時為1%，當含水率大于等于40%時為2%。另外，國標和公路標準中規(guī)定，對層狀和網(wǎng)狀構(gòu)造的凍土，測量差值不大于3%，而水電水利標準中無此規(guī)定。公路標準中還規(guī)定對于含水量小于5%的土樣，兩次試驗的允許平行差值為0.3%，這在國標和水電水利標準中也未提及。

對稱量精度的規(guī)定不同 ?規(guī)范中均提出“將稱量盒從烘箱中取出，蓋上盒蓋，放入干燥容器中冷卻至室溫后，稱盒加干土質(zhì)量”。水電水利標準中規(guī)定細粒類土稱量精確至0.01 g，砂類土稱量精確至0.1 g，礫類土稱量精確至1 g，而國標和公路標準中規(guī)定一律稱量準確至0.01 g。

4 快速試驗法在中美規(guī)范中的差異

國標、公路標準、水電水利標準中提供了三種常用的快速測定土的含水率的試驗方法，分別為酒精燃燒法、炒干法、比重法。其中炒干法適用于砂性土及含砂較多的松散土質(zhì)，在水電水利標準中規(guī)定為最大粒徑不大于60 mm的粗粒類土;比重法適用于砂類土。美標中也提出三種快速試驗法，分別為微波爐法、直接加熱法、電石氣壓測試儀法。其中用微波爐法測定土中含水率的試驗研究，在國外20世紀70年代初就已經(jīng)開始，并于1987年正式列入美國ASTM D4643-87標準[6]。微波爐法是利用超高頻電磁波對土樣進行微波作用，使土樣中的水分子在微波場作用下不斷地快速排列和換向，土樣內(nèi)部溫度升高，從而使水分不斷蒸發(fā)，并以此來確定土樣含水率[7]。電石氣壓測試儀法在國外不常使用。

取樣的對比 ?針對以上五種常用快速試驗法，不同方法取樣規(guī)定不同，具體對比如表2所示。

試驗方法的對比 ?中美對采用快速試驗法測定土的含水率時，由于不同方法的試驗儀器與適用土樣均有所不同，因此，試驗方法與過程存在差異。

1）酒精燃燒法：取代表性的試樣放入稱量盒內(nèi)，用滴管將酒精注入稱量盒中，直至盒中出現(xiàn)自由液面并使酒精和試樣充分混合均勻;點燃盒中酒精，燒至火焰熄滅;試樣冷卻后再重復(fù)燃燒兩次[3]。

2）炒干法：按試樣的粒徑范圍取代表性試樣，將試樣放于金屬容器中并置于熱源上炒干;在炒干過程中隨時翻拌試樣，至試樣表面完全干燥后，繼續(xù)炒數(shù)分鐘停止[4]。

3）比重法：取代表性砂類土試樣200～300 g，放入土樣盤內(nèi);向玻璃瓶中注入清水至1/3左右，然后用漏斗將土樣盤內(nèi)的試樣倒入瓶中，并用玻璃棒攪拌1～2 min，直到所含氣體完全排出為止;向瓶中加清水至全部充滿，靜置1 min后用吸水球吸去泡沫，再加清水使其充滿，蓋上玻璃片，擦干瓶外壁，稱質(zhì)量;倒去瓶中混合液，洗凈，再向瓶中加清水至全部充滿，蓋上玻璃片，擦干瓶外壁，稱質(zhì)量，準確至0.5 g[3]。

4）微波爐法：取代表性試樣放置于可微波加熱的容器中，在微波爐中加熱至恒重。

5）直接加熱法：與酒精燃燒法類似，但美標中規(guī)定熱源溫度要達到110 ℃及以上。

此外，美標中提到的電石氣壓測試儀法在我國規(guī)范中也曾提過，如公路標準中曾經(jīng)提過類似的方法——碳化鈣氣壓法。但由于現(xiàn)在用酒精燃燒法可完全替代該方法，且酒精資源豐富，更具備現(xiàn)場試驗條件，因此，現(xiàn)在我國規(guī)范中已取消碳化鈣氣壓法作為含水率的試驗方法[3]。

5 討論

中美含水率快速試驗方法的優(yōu)缺點 ?在所有快速試驗法中，我國最常采用的是酒精燃燒法，而美國最常采用的是微波爐法。

1）采用酒精燃燒法進行試驗時，燃燒時間長，不易觀察火苗，酒精燃燒產(chǎn)生的水蒸氣又可能被土樣吸收，使含水率不易測準[7]。且溫度無法控制在105～110 ℃，這是因為酒精開始燃燒時即氣化，酒精的氣體部分構(gòu)成火焰的焰心，與土樣一般保持2～3 cm的距離，實際上土樣受到的溫度僅在70～80 ℃;待火焰將熄滅的幾秒鐘才與土面接觸，此時土的溫度上升至200～220 ℃。

2）采用微波爐法進行試驗時，由于微波具有一定的穿透深度，使被加熱物體里外同時加熱，因此土樣受熱均勻。且一批試樣一般只需幾分鐘即可烘干，可大大節(jié)省試驗時間。又因為在微波爐法中，當微波穿過含水土樣時，水對微波能優(yōu)先吸附，而土顆粒對微波能吸收很小，這使土中有機質(zhì)在干燥過程中損失很小，從而使測得含水率更加接近真實值。

3）張虎元[8]等選擇遺址土、含鹽土、黃土等進行對比試驗，并將用微波爐法、烘箱法兩種方法測定的土的含水率作誤差分析，發(fā)現(xiàn)微波爐法測定結(jié)果能滿足土工試驗標準誤差小于2%的要求，且具有體積小、重量輕、測量時間快速等優(yōu)點，在現(xiàn)場測量中占優(yōu)勢。

4）曹輝亮[7]在實驗室分別用烘干法、酒精燃燒法和微波法對同一土樣進行平行試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用酒精燃燒法測出的結(jié)果與用標準烘干法測出的結(jié)果偏差較大，而用微波法測出的含水率與烘干法得到的含水率相近。因此，在需要快速測定含水率時，選用微波法更為合適。

中美常用含水率試驗方法的對比 ?選取中美規(guī)范中提出的幾種常用的含水率試驗方法，分別從適用土樣、所需主要設(shè)備、試驗中能否控制溫度、試驗的準確度以及含水率計算公式這幾個方面加以對比分析，結(jié)果如表3所示。

6 結(jié)語

本文在介紹國內(nèi)外規(guī)范關(guān)于測定土中含水率試驗方法的基礎(chǔ)上，分析不同規(guī)范方法的相同點和差異所在，可以得到如下結(jié)論。

1）測定同一項指標的試驗方法有多種，不同國家根據(jù)常用設(shè)備的不同，規(guī)范中的方法是有所差別的;即使同一國家，不同工程行業(yè)間的規(guī)范方法也存有差異。

2）對于同一指標，選用不同試驗方法測得的結(jié)果可能相差較大，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇最為合適的試驗方法。因此，了解不同試驗方法，正確使用規(guī)范，是對每個巖土技術(shù)人員的基本要求。

3）應(yīng)當鼓勵學生嘗試不同規(guī)范中提出的試驗方法，可以激發(fā)他們學習探究科學的興趣。同時，要求教師不應(yīng)只擅長本專業(yè)領(lǐng)域的知識，對相關(guān)專業(yè)的知識和規(guī)范也要有所了解，從而引導(dǎo)學生去關(guān)注行業(yè)間規(guī)范和國內(nèi)外規(guī)范間的差異。

參考文獻

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[6]ASTM-D4643 Standard test method for determination of water content of soil and rock by microwave oven heating.2017.

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[8]張虎元，張秋霞，李敏.微波爐法測定遺址土含水率的可靠性研究[J].巖土力學，2012（S2）：65-70.