土的标准吸湿含水率与土的颗粒组成关系分析

刘 军 赵文月

（1.河北中核岩土工程有限责任公司，河北石家庄 050021；2.河北道桥工程检测有限公司，河北石家庄 050032）

0 引言

土的标准吸湿含水率的概念出现2004年，其测试方法也早已确立。目前对标准吸湿含水率的应用主要体现在公路上，实际上在诸如铁路、水利、工民建等其他行业均可参考应用。

姚海林等率先提出了标准吸湿率的定义和试验方法，并研究了其与膨胀土的蒙脱石含量、阳离子交换量、比表面积的线性相关性[1]，并且分析了土的最大吸湿含水率与液限、塑性指数和自由膨胀率之间的关系[2]。许锡昌等分析了备样方法对标准吸湿含水率的影响，在原状样缺乏时可采用其他备样的试验结果来代替，但必须对其进行修正[3]。杨明等对标准吸湿含水率与胶粒的关系做了粗略探讨[4]。

土的标准吸湿含水率是指对天然土样在标准温度（20℃±2℃）和标准湿度（通常为60%±5%）的条件下，吸水后或失水后所能保持的最大含水率[5]。

工程实践中，颗粒组成是常用物理参数，颗粒组成与反映土的膨胀性参数如自由膨胀率、液限、塑性指数有着密切的关系，同时土的不同粒级的含量也一定程度上反映了膨胀性土的蒙脱石含量、阳离子交换量、比表面积等参数的大小。作为膨胀性土的基本参数的标准吸湿含水率也必然与颗粒组成存在紧密的相关性，本文对此进行了深入探讨。

本文试验用土取自河北邯郸市临漳县沃地化工场地调查项目，为同一个地区同一场地同一时间所取，具有空间和时间上的代表性，其标准吸湿含水率数值具有代表性。

本文标准吸湿含水率测试方法为干燥缸法，颗粒分析测试方法为筛分法和密度计法[5]。

1 标准吸湿含水率与颗粒组成

土的颗粒组成从小到大由黏粒（粒径<0.005 mm）、粉粒（粒径0.005~0.075 mm）、砂粒（粒径>0.075 mm）组成。一般土的黏粒和粉粒占90%以上，砂粒占比较小，少量土的砂粒含量较高。本次试验完成73组颗粒分析和标准吸湿含水率试验，土性涵盖了粉土、粉质黏土、黏土，具有代表性。下面分别从砂粒、粉粒、黏粒三个方面进行分析。

1.1 标准吸湿含水率与砂粒含量关系

标准吸湿含水率与土的砂粒含量关系曲线见图1。

图1 标准吸湿含水率与砂粒含量关系曲线

图1中，对标准吸湿含水率与砂粒含量关系进行拟合，其标准吸湿含水率与砂粒含量呈反比关系，且相关系数极低，线性拟合效果较差，各个数值呈离散性分布。

标准吸湿含水率数值主要分布在砂粒含量占10%之内，10%之外的分布较少，这是因为一般性土中，砂粒的含量较低（特殊土除外）。标准吸湿含水率随着砂粒含量的增大而迅速降低，一方面说明了砂粒对标准吸湿含水率的贡献很小或几近于无，另一方面反面印证了标准吸湿含水率与粉粒、黏粒的含量更具有紧密联系。

则计算出自适应因子矩阵后，对于式(29)、式(30)的向前一步预测估计协方差平方根矩阵更新方程可以改为

1.2 标准吸湿含水率与粉粒含量的关系

标准吸湿含水率与土的粉粒含量关系曲线见图2。图2中，对标准吸湿含水率与粉粒关系进行拟合，线性拟合效果较图1中有所提高，各个数值的离散性也有所减小。

图2 标准吸湿含水率与粉粒含量关系曲线

标准吸湿含水率数值主要分布在粉粒含量40%～90%之间，粉粒在三种粒径中一般居主导地位。标准吸湿含水率与粉粒含量呈反比关系，其相关系数虽高于图1中的相关系数但依然较低，说明粉粒对标准吸湿含水率的贡献很小但明显高于砂粒的影响，这也从反面印证了标准吸湿含水率与黏粒的含量更具有紧密联系。

1.3 标准吸湿含水率与黏粒含量关系

标准吸湿含水率与土的黏粒含量关系曲线见图3。

图3 标准吸湿含水率与黏粒含量关系曲线

图3中，对标准吸湿含水率与黏粒关系进行拟合，选择线性拟合，同时把线性函数简化，发现其经过原点与否对R值影响很小。最终选择经过原点的线性关系式。可见标准吸湿含水率与黏粒含量呈正比关系，且相关性较好。

1.4 标准吸湿含水率与颗粒含量的回归分析

对上述3种不同粒级进行多元线性回归，去掉相关系数较小粒径，剔除5个异常数据，并经过F和T检验，且修正线性函数过原点后，得y=0.097x，其中y为标准吸湿含水率，x为黏粒含量。相关系数R达到0.8671。

上述一元关系式表明，标准吸湿含水率仅与黏粒含量密切相关，标准吸湿含水率在数值上约为黏粒含量数值的1/10。

2 标准吸湿含水率与颗粒组成关系原理分析

上文分析可知，标准吸湿含水率的大小主要与土的黏粒含量相关，下面从黏粒角度进行分析。

黏粒的矿物成分主要为次生矿物，包括次生二氧化硅、三大黏土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石）、倍半氧化物（Al2O3、Fe2O3）、难溶盐（CaCO3、MgCO3）、腐殖质等；不含或含少量原生矿物。其矿物成分与粒径关系[6]见图4。

图4 土的矿物成分与粒径关系图[6]

由图4可以得出如下信息：

（1）在砂粒的组成物质中，几乎不具或很少亲水矿物，因此砂粒对标准吸湿含水率影响非常小。

（2）在粉粒的组成物质中，主要是黏土矿物中的高岭石和伊利石对标准吸湿含水率试验产生影响，但两者的亲水性远小于蒙脱石，且其两者在粉粒组含量占比很小，在整个粒组占比更小，因此两者对标准吸湿含水率影响很小，进而导致粉粒组的总体标准吸湿含水率大于砂砾组而远小于黏粒组。

（3）在黏粒的组成物质中，黏土矿物作为颗粒的主要矿物成分，具有较强亲水性，在标准吸湿含水率试验中起主导作用；倍半氧化物和腐殖质也具有极强亲水性，但一般含量较低，在标准吸湿含水率试验中，所起作用有限；次生二氧化硅和难溶盐亲水性较差，且其含量一般很低，其对标准吸湿含水率试验的影响可以忽略；其他矿物一般粒径较大，多为原生矿物，达不到黏粒的粒径标准或者少量达到，兼之其亲水性也较差，对标准吸湿含水率几乎没有影响。

需要注意的是，特殊情况下，构成黏土的某种矿物成分可能会很高，比如盐渍土、有机质土等，其矿物成分将对标准吸湿含水率产生重要影响。

（4）通过上述组成颗粒的矿物成分与标准吸湿含水率的粒径关系曲线对比得出：标准吸湿含水率与粉粒和砂粒含量的相关性较差；标准吸湿含水率与黏粒具有较好的线性函数关系。这均是由其矿物成分决定的。

3 标准吸湿含水率与颗粒组成关系研究意义

标准吸湿含水率概念的提出和建立，主要是为了用于膨胀土的鉴别和分级，在《公路路基设计规范》[7]提出膨胀土详判的唯一指标即为土的标准吸湿含水率。在《公路工程地质勘察规范》[8]中列举了膨胀土的分级标准（见表1）。

表1 膨胀土分级标准

表1中土的自由膨胀率、塑性指数、标准吸湿含水率三个参数大小的决定因素是土的颗粒组成中的黏粒含量（黏土矿物含量）。前人已对自由膨胀率和塑性指数与黏粒含量的关系做了很多研究，其函数关系以线性关系为主，与此次得出的标准吸湿含水率与黏粒含量呈线性函数关系，相互得到印证。

此外，《膨胀土地区建筑技术规范》（GB 50112-2013）[9]中关于膨胀土分级中涉及的蒙脱石含量、阳离子交换量、比表面积等参数，与黏粒含量均有密切联系，多呈线性函数关系。再次印证了黏粒含量决定土的膨胀性，标准吸湿含水率作为膨胀性指标，受黏粒含量的控制。

表1中三个分级参数中，采用自由膨胀率指标时，其所用土为人工烘干土样，并且破坏了土的结构，主要测定了无结构力土的膨胀性，其判定结果有时会对膨胀土分级产生误判；采用塑性指数判定时，塑性指数愈大，表面土的颗粒愈细，黏粒含量愈高，愈具膨胀性，但也是一种间接指标，试验用土也经过了结构破坏且不是原始状态土；采用标准吸湿含水率指标时，所用土一方面保持了一定的土的结构，另一方面其在原始含水率状态下进行试验，更符合工程实际。

采用标准吸湿含水率指标有一明显缺陷，即土的膨胀性越强，其试验时间也越长，每个土样一般需要7~15天，部分黏土的试验时间更长[10]。当将其作为判定指标时，需要更多的时间；而且同自由膨胀率一样，由于地层具有不均匀性，为使数据具有代表性，需要多次试验，时间和经济成本更高。标准吸湿含水率与土的黏粒含量建立的函数关系有助于解决这一问题。

试验中，黏粒含量试验较为迅速，以黏粒含量为基础，通过上述确立的函数关系，可以较为迅速地得出标准吸湿含水率数值。但应注意对于不同的土层，即使黏粒含量一样，由于黏粒的矿物成分的差别，其线性函数关系式会有所变化，但函数的总体线性趋势不变。

4 结论

（1）通过对标准吸湿含水率与土的不同粒径的颗粒组成含量关系分析得出：黏粒含量决定着土的标准吸湿含水率，两者之间具有较好的线性相关性，这是由其矿物组成决定的。标准吸湿含水率在数值上约为黏粒含量数值的1/10。

（2）标准吸湿含水率与黏粒含量的线性函数关系，反映了膨胀土的基本特质，其相关系数较高但仍小于0.9，说明使用统计结果推算会带来一定的误差。因此可以利用颗粒含量对标准吸湿含水率的数值范围进行辅助性的快速判定，但不能完全代替标准吸湿含水率试验，实际工程中应以试验结果为主。