不同方法快速测定土的含水率的可靠性研究

谌文武，陈浩鑫，毕骏，李湘

(1.兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃兰州，730000；2.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州，730000)

自然界中的土一般都处于非饱和状态[1]。含水率是土最重要的基本性质之一，含水率的变化往往改变土的强度、压实性、弹性模量、冻胀特性和渗透特性等，因此，在边坡工程、地下工程和基础工程等学科领域中，土的含水率的监控测量都是重中之重[2-4]。测试土的含水率的方法多种多样，前人进行分类总结，孙满利等[5]将现有方法按测量原理分为质量法、化学法、射线法、介电法、电阻法、张力计法、遥感法和探地雷达法8类；常丹等[6]按测量方式将其划分为破坏性测量方法、接触式测量方法和非接触式测量方法。烘干法是最受广泛认可的含水率试验方法，被国家规范列为标准方法，其优势是准确度高，操作简便，且最符合含水率定义[7-8]，但其烘干时间长且只能在实验室内测试的局限性导致其无法满足现场快速测量的需求。为此，研究者们研发了一系列在现场快速测量含水率的新方法，PARSONS[9]基于压实原理提出以压实力判断土壤含水率的方法；RAHIMI-AJDADI 等[10]提出只需拍摄1 幅图像，便可利用机器视觉和人工智能估计土壤水分的快速非接触方法；ENGMAN 等[11]利用卫星遥感方法实时监测土壤含水率；REEDY 等[12]利用电磁感应监测土的含水量；马玉莹[13]提出一种能在田间测量含水率的体积置换法；邱传涛等[14-15]利用中子仪现场测试土壤含水量。此外，还有一些使用简易设备就能快速在现场测试土样含水率的方法，如采用酒精燃烧法利用酒精燃烧除去土中水分，以前后质量损失来计算土样含水率。我国土工试验方法标准和土工试验规程都将酒精燃烧法列为标准方法之一[8]，但对其相关研究较少，可靠性有待研究。微波炉法测土的含水率于19世纪七八十年代得以应用[16]，并且被列入美国ASTM标准中[17]。国内，毕俊擘等[18-19]研究微波炉测定土含水率的最佳烘干时间等指标；张虎元等[20-21]将微波炉测含水率法用于遗址土与黏土中含水率测量，但到目前为止，对于微波炉法的使用国内并没有广泛认可，也未形成相关的使用规范。美国研究者还将通过直接加热测定土壤中含水量的试验方法列入ASTM标准，简略介绍了用热板、喷灯和热吹风等直接热源干燥土样测试含水率的方法[22]，但并没有具体阐明各种热源的试验步骤，也未有具体的试验探明该类方法的精度。为判断以上方法的适用性和可靠性，进一步满足含水率测试快速简便、现场测试的需求，选用8类土，各设置5个含水率，使用酒精燃烧法、微波炉法、炒干法和明火灼烧法这4 种方法测定含水率，并与烘干法结果对比分析，比较不同方法优劣，探明不同测试方法产生含水率误差的原因。

1 试验设计

1.1 试验器材

1)烘干法：101-3型电热恒温干燥箱、电子天平量程为1 000 g，最小分度为0.01 g。

2)酒精燃烧法：铝盒、玻璃棒和打火机。

3)微波加热法：P70D20TL－D4型微波炉，输出功率为700 W，微波频率为2 450 MHz，坩埚。

4)炒干法：酒精灯、三脚架、铁盘。

5)明火灼烧法：高温喷火枪，火焰温度约1 300 ℃。

6)其他试验器材：LP-100D型数显式土壤液塑限联合测定仪、各级粒径的筛子等。

1.2 试验材料

试验用土分别取自甘肃兰州的黄土、河南信阳的砂土和福建漳州的黏土。由黄土与砂土按一定比例混合配制6类不同粒径组合的土，图1所示为各类土样的质量分数，表1所示为测得的各类土样黏粒质量分数小于0.075 mm 的土质量分数以及塑性指数。配制所得6类土以及兰州黄土、漳州红黏土分别符合文献[23]中的分类标准。

图1 土样颗分曲线图Fig.1 Grain composition of samples

1.3 试验方法

1)烘干法。依据文献[7]，称取15～30 g土样放入铝盒(已知质量)中，盖上盒盖，称盒加湿土的质量。打开盒盖，放入烘箱中在105 ℃恒温下烘8 h后取出。盖上盒盖，放于干燥器内冷却至室温后，称量盒加干土的质量。

2)酒精燃烧法。依据文献[8]，称取配制土样(黏性土5～10 g，砂类土20～30 g)，放入铝盒内，称量盒加湿土质量。用滴管往放有试样的铝盒加入纯度为95%的酒精直至出现自由液面为止，轻轻晃动使酒精与土样混合均匀。点燃盒中酒精，烧尽后立刻称量盒加试样质量。用玻璃棒将盒中土样搅散后，再次加入酒精进行燃烧，燃尽后测量盒加干土质量。

表1 土样参数Table 1 Parameters of soil

3)微波炉法。参考文献[17]，称取10～20 g 配制好的土样放入坩埚(已知质量)中，称坩埚加湿土的质量。放入微波炉中烘烤3 min后取出。称量坩埚加土的质量，用玻璃棒搅拌坩埚内土样至散状，并拿小毛刷将玻璃棒附着土粒刷回坩埚内，继续放入微波炉中烘烤1 min后，再次称量坩埚加土的质量。

4)炒干法。参考文献[22]，称取配制土样10～20 g，放入小铁盘(已知质量)内，称量铁盘加湿土质量。将铁盘放于三脚架上，使用酒精灯在其下加热，用小铲子不断翻炒3 min，拿小毛刷将小铲子上附着颗粒刷回铁盘内，然后立刻称量铁盘加土的质量，称完放回三脚架上继续加热翻炒30 s，再次称量铁盘加土的质量。

5)明火灼烧法。参考文献[22]，称取配制土样10～20 g，放入小铁碗(已知质量)内，称量铁碗加湿土质量。使用喷火枪对碗内土样进行灼烧1 min，然后立刻称铁碗加土的质量，继续用喷火枪灼烧20 s，再次称量铁碗加土的质量。

试验方法2)～5)中土的干燥过程需要重复3 次以上，直至容器加干土质量保持恒定。试验中，质量称量均精确至0.01 g。

1.4 试验步骤

1)将取自河南信阳的砂土筛分成≥2.000，[1.000，2.000)，[0.5000，1.000)，[0.250，0.500)，[0.075，0.250)和＜0.075 mm共6个粒组。

2)将砂土筛分后6个粒组的颗粒与黄土按岩土工程勘察规范规定比例混合得到6类土。对配制的6 类土以及兰州黄土、漳州红黏土进行颗分试验，并且使用数显式土壤液塑限联合测定仪进行界限含水率试验，判断该8类土是否符合岩土工程勘察规范中规定的砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂、粉土、粉质黏土和黏土的分类标准。

3)将8类土各分为5份，每份500 g，按表2预设的含水率计算所需水量，使用喷壶将所需蒸馏水均匀喷入土样中，将土水搅拌匀后盛入塑料袋，置于保湿器内24 h使其水分均匀。

4)使用烘干法、酒精燃烧法、微波炉法、炒干法和明火灼烧法按上述的试验步骤对配制好的土样含水率进行测试。

表2 各类土配制的含水率组合Table 2 Preset moisture content of soil samples

2 试验结果

烘干法为国家土工试验标准中规定的标准方法。故以不同方法测试结果与烘干法测试结果之差的绝对值作为该方法测试的误差，误差越小，则测试准确度越高。

图2所示为4种方法对试验土样含水率测试的误差平均值、极大值和方差。由图2可见：4 种快速测量含水率的方法准确度从高到低依次为酒精燃烧法、微波炉法、炒干法和明火灼烧法。酒精燃烧法、微波炉法和干炒法的含水率极大值和标准差都较小，这表明这3种方法测量不同的颗粒组成和含水率的土样含水率误差较稳定，不易出现个别测量值偏差较大的情况。明火灼烧法所得含水率误差的极值和标准差都较大，表明测量不同的颗粒组成和含水率的土样含水率的误差波动较大，测量结果不稳定。

3 误差分析

3.1 酒精燃烧法

土工试验方法标准中规定误差允许值如下：当土样的含水率小于10%时为0.50%，当土样的含水率处于10%～40%时为1.00%。图3所示为不同含水率下酒精燃烧法测试含水率的误差，三角形表示此次含水率测量的误差在规范允许范围之外(下同)。由图3可得：酒精燃烧法测试40 组含水率中仅有3个在误差允许值之外，并且3个点都只超过允许值不到0.10%，误差较小且较稳定，因此，认为酒精燃烧法的测试精确度满足规范要求，适合于工程使用。

造成酒精燃烧法误差的原因主要如下：1)酒精燃烧法提供的烘干温度与规定要求的105～110 ℃不符。刚开始燃烧时，酒精没过土样，点燃后火焰未与土样直接接触，因此，土样受到的加热温度低于100 ℃，待酒精快要燃烧殆尽时，酒精存于土样孔隙中，此时，酒精燃烧的火焰(主要是内焰和焰心)直接与土颗粒接触，土样加热温度可达到180～200 ℃[24]，土中本不应被除掉的强结合水和部分结晶水散失，导致最终测得含水率偏大[25]；2)酒精燃烧会生成水，虽然大部分生成的水在燃烧过程中会蒸发，但仍然有少部分会残留于土样，这会导致测得含水率偏小[5]。试验表明第1 种误差带来的影响较大，测试结果比烘干法的稍大。

3.2 微波炉法

图4所示为不同含水率下微波炉法测试含水率的误差。由图4可知：微波炉法测试40 组含水率中仅有4个在误差允许值之外，且3个点都只超过允许值不到0.10%，误差较小且较稳定，故认为微波炉法的测试精确度满足规范要求，适合在工程中使用。

图2 4种方法测量误差值比较Fig.2 Comparison of measurement error values of four methods

图3 不同含水率下酒精燃烧法的含水率误差Fig.3 Error of moisture content of alcohol burning method under different water contents

微波炉法使用微波炉干燥土时，土里的水分子在交变磁场中产生“摩擦效应”，放出大量热量，导致内部水分子快速蒸发[26]。微波加热的方式与烘干法以及其他3种方法有所不同。其他方法的加热方式是由外部的热源从土样的表面开始逐渐传导至土样内部，因此，在使用这些方法时适当地翻土有利于土样的快速干燥[27]。微波加热是土样内部和外部的水同时被加热，水分快速蒸发，不容易残留。该方法测试土样含水率误差产生的的原因主要是加热的温度过高，试验中微波炉使用中档加热，加热温度控制在300 ℃以下，但是土样中的强结合水在120～230 ℃就会挥散[28]，导致测得的含水率偏大。

图4 不同含水率下微波炉法的含水率误差Fig.4 Error of moisture content of microwave oven drying method under different water contents

3.3 炒干法

炒干法测试砂类土样测试平均误差接近于1.00%，然而，对粉土组、粉质黏土组和黏土组土样的测试误差的最大值与平均值都超过1.00%，故炒干法仅在含水率较大的砂类土含水率测量中适用。

酒精灯燃烧的火焰按照温度从高到低的部位依次为外-内-心，外焰温度最高，能达650 ℃以上，已远远超过规定的105～110 ℃，在这个温度下，土中的强结合水与结晶水也会散失。YUKI等[29]研究表明，当温度达到400 ℃后，土中高岭石等黏土矿物发生脱羟基反应，脱离的羟基与H+结合生成H2O 受热逸散，土样质量降低。当温度进一步升至600 ℃后，土中的方解石等碳酸盐矿物会产生脱碳反应，生成CO2，质量进一步降低[30]。炒干法的高温加热会导致土样发生脱羟基反应和脱碳，引起含水率测量结果产生较大误差。尤其对于黏土，因黏土矿物含量高，产生误差更大。因此，在试验结果中，含水率测试误差高于允许误差1.00%，最大值达2.01%。对于砂类土，黏粒质量分数较小，由于脱羟基反应失去的质量较小，故炒干法所得含水率误差都在1.00%以下，在土样含水率处于10%～40%时符合规范要求，可以在工程中使用。

3.4 明火灼烧法

明火灼烧法测试含水率误差的平均值和最大值都在2.00%以上，尤其在粉质黏土组与黏土组土样的含水率测试中平均误差超过10%，并且其误差极值和方差都偏大，说明测量结果很不稳定，故明火灼烧法所得含水率与实际土含水率偏差太大，不适合于实际工程中使用。

该方法测试结果的误差主要来自于2个方面。

1)温度过高，使用的高温喷枪的火焰温度在1 300 ℃左右，远远超过了其他方法的最高温度。在此试验温度下土样质量损失过程可以简单的划分为以下5 个阶段。第1 阶段，温度在120 ℃以下，土只会散失其中的自由水和弱结合水；第2阶段，当温度高于120 ℃，土中的强结合水逐渐转化为弱结合水甚至自由水，最终转为气态挥散；第3阶段，当温度达到400 ℃以上时，土中高岭石等黏土矿物发生脱羟基反应，脱离的羟基与H+结合生成气态H2O[31]，此外，在此温度下，硫酸铜和硫酸钙等内部含有结晶水的矿物成分开始逐渐散失结晶水；第4 阶段，当温度进一步升至600 ℃以上时，矿物内结晶水进一步散失，土中的方解石等碳酸盐矿物会产生脱碳反应，生成CO2气体逸散[30]；第5阶段，超过800 ℃时，土样中的高岭石中Al4Si(OH)8等矿物成分开始分解，生成对应的氧化物以及气态H2O[32]，矿物内结晶水基本完全散失，碳酸盐矿物脱碳反应基本结束，同时，土中一些分解温度较低的氧化物如Fe2O3等在超过1 000 ℃条件下分解生成O2[33]。其他方法只会造成前4 个阶段的质量损失，而明火灼烧法会造成这5个阶段的质量损失，含水率测试结果远远高于其他方法测试结果，特别是对于含有黏土矿物较多的细粒土，大量的黏土矿物分解造成试验误差极大，而以性质稳定的SiO2为主要成分的粗粒土则相对误差较小[34]。

2)在加热过程中，小粒径土颗粒随气流飘散。其原因可能是温度过高时，碳酸盐矿物和黏土类矿物的分解反应过快，会快速生成气体并产生气流，此外，试验使用的喷枪喷出的可燃气体也会形成气流，土样中的小颗粒尤其是粒径小于0.005 mm 的黏粒，会在气流带动下飘出容具。这种现象在含细颗粒较多的粉质黏土和黏土土样试验中尤为明显。这2种因素都会导致含水率测试结果增加，测量偏差远远比其他3种方法的高。

4 测试结果线性分析

4.1 酒精燃烧法与微波炉法

定义烘干法、酒精燃烧法、微波炉法测得土样含水率分别为ω1，ω2和ω3。ω2，ω3与ω1关系按y=ax+b进行线性回归分析，如图5所示。拟合方程的R2分别为0.997 和0.992，说明ω2和ω3与ω1呈高度线性相关关系，与理想直线y=x(即当含水率测量结果与烘干法所得含水率完全相同时的拟合直线)接近，可见酒精燃烧法与微波炉法测试结果极其接近于烘干法测试结果。

图5 不同方法测得含水率线性拟合关系图Fig.5 Linear fitting diagram of water content measured by different methods

但酒精燃烧法和微波炉法这2种方法的含水率误差变化趋势不同：在测试范围内，随着含水率增加，酒精燃烧法的拟合线一直保持在ω2=ω1上方，且拟合直线斜率a=1，拟合线与ω2=ω1平行，测试结果始终稍大于烘干法所得结果，并且差值较稳定；微波炉法拟合线与ω3=ω1相交，测试结果在土样含水率较小时稍大于烘干法所得结果，含水率较大时反之，在含水率13.5%附近，二者基本相等。

4.2 炒干法

定义炒干法测得土样含水率为ω4，ω4与ω1按ω4=aω1+b进行线性回归分析，结果如图6所示。拟合方程如表3所示。ω4与ω1拟合方程的R2均大于0.990，说明ω4与ω1呈高度线性关系，但与酒精燃烧法和微波炉法相比，拟合线更整体偏离理想直线ω4=ω1。拟合线始终在ω4=ω1上方，表明炒干法测试结果均大于烘干法所得结果。其中，粉土、粉质黏土和黏土组的拟合线与ω4=ω1偏离最严重，斜率a与理想值1 偏差较大，截距b分别为1.41，1.62和3.06，均超过1.00。炒干法不适用于测量粉土、粉质黏土、黏土等土粒粒径较小的土样含水率。

图6 土样ω1与ω4线性拟合关系图Fig.6 Linear fitting diagram of ω1 and ω4of soil samples

黏粒或称黏土粒指土样中粒度小于0.005 mm的土颗粒[35]，黏粒特殊的晶体结构以及表面的双电层对水的限制作用都会对土的水理性质产生影响。图7所示为炒干法所得含水率误差与土样的黏粒质量分数的关系。由图7可得，炒干法所得含水率误差随着土样的黏粒质量分数增大而逐渐增大。在实际工程应用中，炒干法更适用于粒径较大的砂类土的含水率测试，而对于粒径较小的粉土、粉质黏土和黏土含水率测量误差偏大，不推荐使用。

4.3 明火灼烧法

定义明火灼烧法测得土样含水率为ω5，图8所示为所有土样ω5与ω1分布关系图。由图8可见：代表着粉土、粉质黏土和黏土的点位分布无明显规律，但砂类土的点位呈近线性分布。故仅对砂类土样的ω5与ω1进行线性回归分析，结果如图9所示。表4所示为ω5与ω1线性拟合方程与相关系数。ω5与ω1拟合方程相关系数均大于0.92，说明在砂类土中ω5与ω1呈线性相关关系。但与其他3类方法相比，ω5与ω1拟合线与理想直线ω5=ω1偏离最大。明火灼烧法测试的各类砂土样和所有土样的拟合线均在ω4=ω1上方，表明明火灼烧法所得含水率测试结果均大于烘干法所得含水率。5类砂土的线性拟合方程的斜率和截距都有较大变化，说明明火灼烧法所得结果不稳定，尤其是b，其均值为2.45，最大值达4.36。

表3 炒干法与烘干法含水率相关关系Table 3 Correlation between moisture content of stir-fry method and oven drying method

图7 炒干法误差值与土样黏粒质量分数的关系Fig.7 Relationship between the error of stir-fry method and clay mass fraction of soil samples

明火灼烧法测试土样含水率的误差与土样的黏粒质量分数有关，图10所示为明火灼烧法所得含水率误差与土样的黏粒质量分数的关系。由图10可见：明火灼烧法所得含水率误差随着土样的黏粒质量分数增大而逐渐增大。在实际应用中，明火灼烧法测试土样含水率结果偏大，其误差经常会超出规范允许范围，且所测土样的粒径越小，其误差越大，因此，该方法所测结果的准确度达不到要求，不推荐于工程中使用。

图8 所有土样ω5与ω1分布关系图Fig.8 Distribution diagram of all soil samples ω5 and ω1

图9 砂土样ω5与ω1线性拟合关系图Fig.9 Linear fitting diagram of ω1 and ω5 of sand soil samples

表4 明火灼烧法与烘干法含水率相关关系Table 4 Correlation between moisture content of flamethrower burning method and oven drying method

图10 明火灼烧法误差值与土样黏粒质量分数的关系Fig.10 Relationship between the error of flamethrower burning and clay mass fraction of soil samples

5 结论

1)对于试验的8 类土样，4种快速测量含水率的方法精度由高到低依次为酒精燃烧法、微波炉法、炒干法和明火灼烧法。酒精燃烧法和微波炉法所得含水率误差基本符合规范要求，结果准确且操作便捷快速，能满足现场快速测试的要求；炒干法仅在含水率较大的砂类土含水率测量中适用。明火灼烧法所得含水率误差均超过规范要求的2.00%，不推荐于实际工程中使用。

2)4种含水率测试方法产生误差的主要原因都是加热温度过高，超过规范规定的105～110 ℃，引起额外质量损失，含水率测试结果偏大。

3)酒精燃烧法、微波炉法和炒干法测试8类土样，明火灼烧法测试5类砂土样的含水率与烘干法所得含水率呈线性相关关系。炒干法和明火灼烧法所得含水率与土样黏粒质量分数误差随土样的黏粒质量分数增大而增大。