土的標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與土的顆粒組成關(guān)系分析

劉 軍 趙文月

（1.河北中核巖土工程有限責(zé)任公司，河北石家莊 050021；2.河北道橋工程檢測有限公司，河北石家莊 050032）

0 引言

土的標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率的概念出現(xiàn)2004年，其測試方法也早已確立。目前對標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率的應(yīng)用主要體現(xiàn)在公路上，實際上在諸如鐵路、水利、工民建等其他行業(yè)均可參考應(yīng)用。

姚海林等率先提出了標(biāo)準(zhǔn)吸濕率的定義和試驗方法，并研究了其與膨脹土的蒙脫石含量、陽離子交換量、比表面積的線性相關(guān)性[1]，并且分析了土的最大吸濕含水率與液限、塑性指數(shù)和自由膨脹率之間的關(guān)系[2]。許錫昌等分析了備樣方法對標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率的影響，在原狀樣缺乏時可采用其他備樣的試驗結(jié)果來代替，但必須對其進(jìn)行修正[3]。楊明等對標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與膠粒的關(guān)系做了粗略探討[4]。

土的標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率是指對天然土樣在標(biāo)準(zhǔn)溫度（20℃±2℃）和標(biāo)準(zhǔn)濕度（通常為60%±5%）的條件下，吸水后或失水后所能保持的最大含水率[5]。

工程實踐中，顆粒組成是常用物理參數(shù)，顆粒組成與反映土的膨脹性參數(shù)如自由膨脹率、液限、塑性指數(shù)有著密切的關(guān)系，同時土的不同粒級的含量也一定程度上反映了膨脹性土的蒙脫石含量、陽離子交換量、比表面積等參數(shù)的大小。作為膨脹性土的基本參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率也必然與顆粒組成存在緊密的相關(guān)性，本文對此進(jìn)行了深入探討。

本文試驗用土取自河北邯鄲市臨漳縣沃地化工場地調(diào)查項目，為同一個地區(qū)同一場地同一時間所取，具有空間和時間上的代表性，其標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率數(shù)值具有代表性。

本文標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率測試方法為干燥缸法，顆粒分析測試方法為篩分法和密度計法[5]。

1 標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與顆粒組成

土的顆粒組成從小到大由黏粒（粒徑<0.005 mm）、粉粒（粒徑0.005~0.075 mm）、砂粒（粒徑>0.075 mm）組成。一般土的黏粒和粉粒占90%以上，砂粒占比較小，少量土的砂粒含量較高。本次試驗完成73組顆粒分析和標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗，土性涵蓋了粉土、粉質(zhì)黏土、黏土，具有代表性。下面分別從砂粒、粉粒、黏粒三個方面進(jìn)行分析。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與砂粒含量關(guān)系

標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與土的砂粒含量關(guān)系曲線見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與砂粒含量關(guān)系曲線

圖1中，對標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與砂粒含量關(guān)系進(jìn)行擬合，其標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與砂粒含量呈反比關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)極低，線性擬合效果較差，各個數(shù)值呈離散性分布。

標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率數(shù)值主要分布在砂粒含量占10%之內(nèi)，10%之外的分布較少，這是因為一般性土中，砂粒的含量較低（特殊土除外）。標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率隨著砂粒含量的增大而迅速降低，一方面說明了砂粒對標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率的貢獻(xiàn)很小或幾近于無，另一方面反面印證了標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與粉粒、黏粒的含量更具有緊密聯(lián)系。

則計算出自適應(yīng)因子矩陣后，對于式(29)、式(30)的向前一步預(yù)測估計協(xié)方差平方根矩陣更新方程可以改為

1.2 標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與粉粒含量的關(guān)系

標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與土的粉粒含量關(guān)系曲線見圖2。圖2中，對標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與粉粒關(guān)系進(jìn)行擬合，線性擬合效果較圖1中有所提高，各個數(shù)值的離散性也有所減小。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與粉粒含量關(guān)系曲線

標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率數(shù)值主要分布在粉粒含量40%～90%之間，粉粒在三種粒徑中一般居主導(dǎo)地位。標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與粉粒含量呈反比關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)雖高于圖1中的相關(guān)系數(shù)但依然較低，說明粉粒對標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率的貢獻(xiàn)很小但明顯高于砂粒的影響，這也從反面印證了標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與黏粒的含量更具有緊密聯(lián)系。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與黏粒含量關(guān)系

標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與土的黏粒含量關(guān)系曲線見圖3。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與黏粒含量關(guān)系曲線

圖3中，對標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與黏粒關(guān)系進(jìn)行擬合，選擇線性擬合，同時把線性函數(shù)簡化，發(fā)現(xiàn)其經(jīng)過原點與否對R值影響很小。最終選擇經(jīng)過原點的線性關(guān)系式?？梢姌?biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與黏粒含量呈正比關(guān)系，且相關(guān)性較好。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與顆粒含量的回歸分析

對上述3種不同粒級進(jìn)行多元線性回歸，去掉相關(guān)系數(shù)較小粒徑，剔除5個異常數(shù)據(jù)，并經(jīng)過F和T檢驗，且修正線性函數(shù)過原點后，得y=0.097x，其中y為標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率，x為黏粒含量。相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.8671。

上述一元關(guān)系式表明，標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率僅與黏粒含量密切相關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率在數(shù)值上約為黏粒含量數(shù)值的1/10。

2 標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與顆粒組成關(guān)系原理分析

上文分析可知，標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率的大小主要與土的黏粒含量相關(guān)，下面從黏粒角度進(jìn)行分析。

黏粒的礦物成分主要為次生礦物，包括次生二氧化硅、三大黏土礦物（高嶺石、伊利石、蒙脫石）、倍半氧化物（Al2O3、Fe2O3）、難溶鹽（CaCO3、MgCO3）、腐殖質(zhì)等；不含或含少量原生礦物。其礦物成分與粒徑關(guān)系[6]見圖4。

圖4 土的礦物成分與粒徑關(guān)系圖[6]

由圖4可以得出如下信息：

（1）在砂粒的組成物質(zhì)中，幾乎不具或很少親水礦物，因此砂粒對標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率影響非常小。

（2）在粉粒的組成物質(zhì)中，主要是黏土礦物中的高嶺石和伊利石對標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗產(chǎn)生影響，但兩者的親水性遠(yuǎn)小于蒙脫石，且其兩者在粉粒組含量占比很小，在整個粒組占比更小，因此兩者對標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率影響很小，進(jìn)而導(dǎo)致粉粒組的總體標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率大于砂礫組而遠(yuǎn)小于黏粒組。

（3）在黏粒的組成物質(zhì)中，黏土礦物作為顆粒的主要礦物成分，具有較強(qiáng)親水性，在標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗中起主導(dǎo)作用；倍半氧化物和腐殖質(zhì)也具有極強(qiáng)親水性，但一般含量較低，在標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗中，所起作用有限；次生二氧化硅和難溶鹽親水性較差，且其含量一般很低，其對標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗的影響可以忽略；其他礦物一般粒徑較大，多為原生礦物，達(dá)不到黏粒的粒徑標(biāo)準(zhǔn)或者少量達(dá)到，兼之其親水性也較差，對標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率幾乎沒有影響。

需要注意的是，特殊情況下，構(gòu)成黏土的某種礦物成分可能會很高，比如鹽漬土、有機(jī)質(zhì)土等，其礦物成分將對標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率產(chǎn)生重要影響。

（4）通過上述組成顆粒的礦物成分與標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率的粒徑關(guān)系曲線對比得出：標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與粉粒和砂粒含量的相關(guān)性較差；標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與黏粒具有較好的線性函數(shù)關(guān)系。這均是由其礦物成分決定的。

3 標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與顆粒組成關(guān)系研究意義

標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率概念的提出和建立，主要是為了用于膨脹土的鑒別和分級，在《公路路基設(shè)計規(guī)范》[7]提出膨脹土詳判的唯一指標(biāo)即為土的標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率。在《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[8]中列舉了膨脹土的分級標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

表1 膨脹土分級標(biāo)準(zhǔn)

表1中土的自由膨脹率、塑性指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率三個參數(shù)大小的決定因素是土的顆粒組成中的黏粒含量（黏土礦物含量）。前人已對自由膨脹率和塑性指數(shù)與黏粒含量的關(guān)系做了很多研究，其函數(shù)關(guān)系以線性關(guān)系為主，與此次得出的標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與黏粒含量呈線性函數(shù)關(guān)系，相互得到印證。

此外，《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GB 50112-2013）[9]中關(guān)于膨脹土分級中涉及的蒙脫石含量、陽離子交換量、比表面積等參數(shù)，與黏粒含量均有密切聯(lián)系，多呈線性函數(shù)關(guān)系。再次印證了黏粒含量決定土的膨脹性，標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率作為膨脹性指標(biāo)，受黏粒含量的控制。

表1中三個分級參數(shù)中，采用自由膨脹率指標(biāo)時，其所用土為人工烘干土樣，并且破壞了土的結(jié)構(gòu)，主要測定了無結(jié)構(gòu)力土的膨脹性，其判定結(jié)果有時會對膨脹土分級產(chǎn)生誤判；采用塑性指數(shù)判定時，塑性指數(shù)愈大，表面土的顆粒愈細(xì)，黏粒含量愈高，愈具膨脹性，但也是一種間接指標(biāo)，試驗用土也經(jīng)過了結(jié)構(gòu)破壞且不是原始狀態(tài)土；采用標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率指標(biāo)時，所用土一方面保持了一定的土的結(jié)構(gòu)，另一方面其在原始含水率狀態(tài)下進(jìn)行試驗，更符合工程實際。

采用標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率指標(biāo)有一明顯缺陷，即土的膨脹性越強(qiáng)，其試驗時間也越長，每個土樣一般需要7~15天，部分黏土的試驗時間更長[10]。當(dāng)將其作為判定指標(biāo)時，需要更多的時間；而且同自由膨脹率一樣，由于地層具有不均勻性，為使數(shù)據(jù)具有代表性，需要多次試驗，時間和經(jīng)濟(jì)成本更高。標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與土的黏粒含量建立的函數(shù)關(guān)系有助于解決這一問題。

試驗中，黏粒含量試驗較為迅速，以黏粒含量為基礎(chǔ)，通過上述確立的函數(shù)關(guān)系，可以較為迅速地得出標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率數(shù)值。但應(yīng)注意對于不同的土層，即使黏粒含量一樣，由于黏粒的礦物成分的差別，其線性函數(shù)關(guān)系式會有所變化，但函數(shù)的總體線性趨勢不變。

4 結(jié)論

（1）通過對標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與土的不同粒徑的顆粒組成含量關(guān)系分析得出：黏粒含量決定著土的標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率，兩者之間具有較好的線性相關(guān)性，這是由其礦物組成決定的。標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率在數(shù)值上約為黏粒含量數(shù)值的1/10。

（2）標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與黏粒含量的線性函數(shù)關(guān)系，反映了膨脹土的基本特質(zhì)，其相關(guān)系數(shù)較高但仍小于0.9，說明使用統(tǒng)計結(jié)果推算會帶來一定的誤差。因此可以利用顆粒含量對標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率的數(shù)值范圍進(jìn)行輔助性的快速判定，但不能完全代替標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗，實際工程中應(yīng)以試驗結(jié)果為主。