張虎元，張秋霞，李 敏

（1. 蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室,蘭州 730000；2. 蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000）

1 引 言

遺址是遺存的歷史上人類文化活動場所，遺存主體為土質(zhì)者稱為土遺址。土遺址具有科學(xué)性、歷史性、藝術(shù)性、不可再生性，一旦破壞，就成為永久性損失[1]。土遺址疏松、脆弱，受自然環(huán)境影響很大，保護(hù)難度很大。經(jīng)歷千百年的風(fēng)化、風(fēng)蝕及雨蝕，土遺址表面出現(xiàn)剝離、開裂、坍塌等病害，這些病害與遺址土含水率密切相關(guān)。

土遺址一般位于較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，用傳統(tǒng)的烘干法測定含水率，需要將試樣搬運至實驗室，此過程中會引起水分散發(fā)，因此，遺址土含水率最好在現(xiàn)場快速測定。巖土工程中測定土含水率的方法很多，常用的有：烘箱烘干法、酒精燃燒法、砂土炒干法。經(jīng)典方法為烘箱烘干法，此方法技術(shù)成熟，測定結(jié)果準(zhǔn)確度高。依據(jù)國家土工試驗標(biāo)準(zhǔn)[2]，烘箱烘干法 105～110 ℃采用恒溫烘干土樣，要求砂類土烘干時間不得少于 6 h，黏性土烘干時間不得少于8 h。此法適用于粗細(xì)土、細(xì)粒土、有機(jī)質(zhì)土和凍土，是目前測定土含水率的標(biāo)準(zhǔn)方法，由于烘箱體積和重量都較大，且測定時間較長，不能滿足現(xiàn)場測試快速便捷的要求。

微波干燥技術(shù)起源于20世紀(jì)40年代，隨著技術(shù)條件的進(jìn)步，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于輕工業(yè)、食品工業(yè)、農(nóng)業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品加工等領(lǐng)域中。相對于烘箱，微波爐具有體積小，重量輕，搬運方便的特點。1970年代初，國外開始研究用微波爐法測定土的含水率。微波爐法測定土含水率于 1987年正式列入美國ASTMD試驗標(biāo)準(zhǔn)[3]，1988年被應(yīng)用于現(xiàn)場施工工程[4－5]。我國于 20世紀(jì)70～80年代對此方法進(jìn)行了初步研究，但到目前為止，還未建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

本文選取了 15種土樣，測定土樣界限含水率和易溶鹽含量的基礎(chǔ)后，分別用烘箱法和微波爐法測定土的含水率，對兩種方法所得結(jié)果進(jìn)行對比，分析微波爐法測定遺址土含水率的適用性和可靠性。

2 試驗操作

2.1 試驗器材

試驗設(shè)備有 Galanz微波爐(型號 P70D20TLD4)，輸出功率為700 W，微波頻率為2450 MHz、外形尺寸為262 mm×452 mm×365 mm。GZX－9240數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱，試驗時將烘箱溫度設(shè)置為105 ℃。FG－Ⅲ型光電式液塑限聯(lián)合測定儀，包括帶標(biāo)尺的圓錐儀、電磁裝置、顯示屏、控制開關(guān)和試樣杯，圓錐質(zhì)量為76 g，圓錐角度30°，試樣杯內(nèi)徑為40 mm，高度為30 mm。天平量程為420 g，最小分度值為0.001 g，其他包括篩（孔徑0.5、2 mm）、瓷碗、鋁盒、量筒、玻璃棒等。

2.2 試驗材料

試驗用土取自15個地點，11個來自不同的土遺址，另外，追加4個試樣（蘭州黃土和新疆鹽漬土）進(jìn)行對比，土樣的具體特征見表1。

表1 土樣的基本性質(zhì)Table1 Basic properties of soils used

2.3 試驗步驟

①將15種土樣放入烘箱105℃條件下烘干，過0.5 mm及2 mm篩，放入密封袋中備用。

②依據(jù)國家土工試驗標(biāo)準(zhǔn)[2]，對過 0.5 mm篩的土樣，利用光電式液塑限聯(lián)合測定儀測定土的界限含水率。

③根據(jù)步驟②所得的液塑限值，選取含水率5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%計算所需的水量，利用帶小型噴嘴的灑壺人工噴灑蒸餾水，人工配置土樣，裝入密封袋中，在保濕器中放置24 h直至水分分散均勻，備用。

④烘箱法試驗：依據(jù)國家土工試驗標(biāo)準(zhǔn)[2]，取配置土樣15～20 g，放入鋁盒內(nèi)，蓋上盒蓋，稱盒加濕土的質(zhì)量，精確至0.001 g。打開盒蓋，將盛樣盒置于烘箱內(nèi)，在105 ℃恒溫條件下烘至恒量。將烘干的盛樣盒取出，蓋上盒蓋，放入干燥器中冷卻直至恒溫，稱盒加干土重量，精確至0.001 g。

⑤微波爐法試驗：根據(jù)美國規(guī)范[3]，另取配置土樣80～110 g放入瓷碗中，稱量瓷碗加濕土樣的質(zhì)量。接通微波爐電源，將裝有濕土的瓷碗放入微波爐內(nèi)，啟動微波爐，烘烤3 min后取出瓷碗，立刻稱取質(zhì)量。借助短玻璃棒攪拌烘干土（不損失任何土）；然后放回微波爐繼續(xù)加熱1 min，重復(fù)4～6次，直至恒量，停止烘干試驗。記錄每次烘干后瓷碗加試樣的質(zhì)量，精確至0.001 g。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 土樣的界限含水率

塑限和液限是決定土的含水狀態(tài)的重要參數(shù)，對含水率測定的方法選擇及測試精度有一定影響。本文對土樣的液塑限進(jìn)行測定，測定結(jié)果列于表1。

根據(jù)土樣在塑性圖中的位置（見圖1)及土樣的塑性指數(shù)，參照土的分類標(biāo)準(zhǔn)[6－7]，將試驗土樣分為3組（見表1)：低塑性土（包括L1～L7），屬于低液限粉土ML；中塑性土（包括M1～M6），屬于低液限黏土CL及低液限粉土ML；高塑性土（包

圖1 所選土樣在塑性圖中的位置Fig.1 Position of soils in plasticity chart

3.2 液限對含水率測定結(jié)果的影響

根據(jù)土含水率的計算式（1）進(jìn)行處理，得出兩種方法測定的含水率：

式中：w為土含水率(%)；mw為土中水的質(zhì)量(g)；ms為干土質(zhì)量(g)。

定義w1為烘箱法測定含水率，w2為微波爐法測定含水率，w1與w2的關(guān)系按 w2=aw1+b進(jìn)行線性回歸分析（見表2）。圖2～5中，擬合直線表示烘箱法與微波爐法測定結(jié)果的關(guān)系，45°理想直線表示兩種方法所得結(jié)果完全一致，即w2=w1。圖2為低塑性土樣 L1～L7的試驗結(jié)果，可見兩條直線相距極小且基本平行，擬合直線的相關(guān)系數(shù)為0.996，線性關(guān)系為w2= 0.999w1+0.774，可見微波爐法測定結(jié)果與烘箱法測定結(jié)果相差小，且兩種方法間絕對差值最大值為 0.774%，滿足土工試驗標(biāo)準(zhǔn)[2]誤差小于2%的要求。

表2 兩種方法測定的含水率相關(guān)關(guān)系Table2 Correlation of moisture contents measured by two test methods

圖2 兩種方法測定ML土樣含水率關(guān)系圖Fig.2 Relationships of moisture content of ML soils measured by two methods

圖3為中塑性土樣M1～M6的試驗結(jié)果。與圖2相似，圖3中兩條直線相接近，微波爐法與烘箱法的測定結(jié)果線性相關(guān)；w2= 0.977w1+1.318，相關(guān)系數(shù)為0.996，可見對于中塑性土，微波爐法的測定結(jié)果接近于烘箱法所得結(jié)果。兩種方法間絕對差值最大值為 1.318%，滿足土工試驗標(biāo)準(zhǔn)[2]誤差小于2%的要求。圖 4為高塑性土樣 H1、H2的試驗結(jié)果。由圖可見，兩種方法測定結(jié)果線性相關(guān)：w2=0.993w1+1.817，相關(guān)系數(shù)為0.992。兩種方法間絕對差值最大值為1.817%，滿足土工試驗標(biāo)準(zhǔn)[2]誤差小于2%的要求。比較圖2～4發(fā)現(xiàn)，隨著土的塑性指數(shù)增大，即從低塑性向中、高塑性變化，微波爐法與烘箱法測定含水率的最大差值從+0.774%增大到+1.817%。

圖3 兩種方法測定ML-CL土樣含水率關(guān)系圖Fig.3 Relationships of moisture contents of ML-CL soils measured by two methods

圖4 兩種方法測定MH土樣含水率關(guān)系圖Fig.4 Relationships of moisture contents of MH soils measured by two methods

表2列出兩種測定含水率的擬合參數(shù)，參數(shù)a表示擬合直線的斜率，反映擬合直線與理想直線之間的平行關(guān)系；參數(shù)b表示兩種方法測定結(jié)果偏差最大值。由表可見，擬合直線與理想直線均接近平行，即a值均接近理想直線的斜率1.0，但隨著土的塑性的增大，兩條直線間的距離逐漸變大，相對應(yīng)的b值變大，即兩種方法之間的絕對差值變大。其原因是，隨著塑性的增強(qiáng)，土樣中所含黏粒及親水性礦物的含量增多，土樣結(jié)合水膜厚度增大，相應(yīng)的薄膜水（強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水）就增加[11]。土中的強(qiáng)結(jié)合水只有加熱到120～230 ℃時才能脫去[12]。在烘箱法試驗中，強(qiáng)結(jié)合水不能被蒸發(fā)，而微波爐法測定中，2450 MHz的微波會使土樣中的水分子與微波同時以每秒24.5億次的頻率振蕩，造成分子之間相互摩擦，產(chǎn)生大量的熱[13]，隨著溫度的不斷升高，強(qiáng)結(jié)合水被氣化蒸發(fā)。由此可見，隨著土樣塑性的增強(qiáng)，土顆粒水膜持有的水量增加，當(dāng)使用微波爐法加熱時，土樣中被蒸發(fā)的水量相應(yīng)增加，即微波爐法較烘箱法測得的含水率的絕對偏差也隨之增大。

將微波爐法與烘箱法平行測定的103個數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，兩種方法獲得的103個數(shù)據(jù)樣本絕對差值服從正態(tài)分布N(0.96，0.64)，與理想情況（烘箱法）相比，微波爐法試驗結(jié)果的偏差是0.96%。因此，盡管隨著土樣塑性的增強(qiáng)，微波爐法與烘箱法之間的絕對差值變大，但絕對差值為1.92%，小于規(guī)范規(guī)定的最大試驗誤差2%。

3.3 含鹽量對含水率測定結(jié)果的影響

試驗使用的 15種土樣中包含了 4種含鹽土（L1、L2、L5、M5），它們屬于干旱區(qū)鹽漬土，每種土的具體含鹽量見表3。

表3 鹽漬土的天然含鹽量Table3 Natural salt contents of saline soils

圖5 兩種方法測定不同鹽漬土含水率關(guān)系圖Fig.5 Relationships of moisture contents of saline soils measured by two methods

圖5為微波爐法與烘箱法測定的含鹽土的含水率結(jié)果。由圖可以看出，對于含鹽土，兩種方法得到的結(jié)果十分接近，線性關(guān)系為：w2=1.018w1+0.472，相關(guān)系數(shù)為 0.996。此外，單獨對每種土的試驗結(jié)果進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果見表 4。表中顯示，4種鹽漬土微波爐法與烘箱法之間的試驗結(jié)果絕對差值最大值為 0.805%，最小值為 0.046%，不同含鹽量的土，兩種方法所得試驗結(jié)果盡管有一定的差值，但均低于1%，滿足土工試驗標(biāo)準(zhǔn)[2]誤差小于2%的要求。

表4 兩種方法測定鹽漬土的含水率相關(guān)關(guān)系Table4 Correlation of moisture contents of saline soils measured by two test methods

理論上講，含鹽土的含鹽量越大，土樣電導(dǎo)率越大，同等微波爐加熱條件下，相對應(yīng)的土的溫度越高，水分蒸發(fā)速度就越快[14－15]。隨著水分的蒸發(fā)，鹽分被析出以固體形式存在于土中。鹽漬土中的鹽分熔點均在700 ℃以上，本試驗中使用中高檔火力，其控制溫度低于300 ℃[16]，被析出的鹽分不會被升華而損失。因此，含鹽量越高，水分的蒸發(fā)速度會加快，但不會影響最終的含水率測定結(jié)果。

3.4 平行測定誤差

為了評價微波爐法測定含水率試驗的再現(xiàn)性，本文選擇了3種不同液限的土樣（表1中的土樣L1、L7、H1）進(jìn)行平行試驗，分析平行試驗之間的相對誤差。將土樣放入烘箱中 105℃烘干，然后人工配置成3種不同的含水率，即5%、15%和 30%，將配置成的每種試樣分成平行的2份，每份又分為平行的5組，其中一份用于烘箱法，另一份用于微波爐法。

微波爐法所測9組平行試驗中，其平行差值均值為 0.65%，每組試驗差值最大為1.61%；而烘箱法所得的平行差值均值為 0.44%，每組試驗差值最大為0.84%，見圖6～8。圖中同組平行試驗所測結(jié)果，以最大、最小及平均值示出。

從圖 6～8可見，微波爐法測定土含水率的平行度略低于烘箱法，這可能是因為微波爐加熱時無法控制試樣內(nèi)部的溫度引起的。但從前述的絕對差判斷，微波爐法測定結(jié)果能滿足土工試驗標(biāo)準(zhǔn)[2]誤差小于 2%的要求，且具有體積小、重量輕、測定時間快速等特點，在現(xiàn)場測量中更具有優(yōu)勢。

4 微波爐法在土遺址保護(hù)中的應(yīng)用

圖6 土樣L1平行試驗結(jié)果Fig.6 Comparison of parallel test results for soil L1

圖7 土樣L7平行試驗結(jié)果Fig.7 Comparison of parallel test results for soil L7

圖8 土樣H1平行試驗結(jié)果Fig.8 Comparison of parallel test results for soil H1

南京大報恩寺地宮發(fā)現(xiàn)后，出土了很多極其珍貴的文物。由于受雨水和地下水的影響，開挖后地宮內(nèi)出現(xiàn)積水情況，地宮壁表面局部出現(xiàn)坍塌、開裂、剝離等病害。為了快速確定地宮土樣的含水率，制定應(yīng)急保護(hù)對策，現(xiàn)場使用微波爐法測定了不同層位土樣的含水率，測定結(jié)果見圖9。從圖中可見，當(dāng)埋深小于2 m的范圍內(nèi)，隨埋深增大，土樣含水率從23.11%降低到20.67%；當(dāng)埋深超過2 m之后，土樣含水率隨埋深增大持續(xù)升高。這說明，埋深2 m范圍之內(nèi)地層的含水率主要受大氣降水的控制，埋深2 m之下主要受局部地下水毛細(xì)上升的控制。該結(jié)果為快速制定地宮的保護(hù)方案奠定了基礎(chǔ)。

圖9 微波爐法測定地宮土樣含水率Fig.9 Moisture contents of the underground palace soils measured by microwave drying method

本次使用微波爐法測定遺址土含水率，其測定結(jié)果均符合規(guī)范誤差不大于 2%的要求。我國土遺址大多處于偏遠(yuǎn)地帶，若使用烘箱法測定，在土樣搬運回實驗室的過程中，難免會造成土樣水分的散失，且測定時間較長。相反，在遺址保護(hù)現(xiàn)場使用微波爐法測定遺址土的含水率，不僅能夠滿足精度要求，而且具有快速、方便的技術(shù)優(yōu)勢。

5 結(jié) 論

（1）對于液限在16.21%～38.73%范圍的土樣而言，微波爐法測定的含水率比標(biāo)準(zhǔn)烘箱法測定的結(jié)果系統(tǒng)偏高，最大離差值為1.817%，滿足試驗誤差小于2%的國標(biāo)要求。

（2）土中含鹽量越多，微波爐加熱時土的增溫越快，水分蒸發(fā)也越快。對含鹽0.341%～0.579%的土樣，含鹽量變化影響微波爐法測定的最終含水率結(jié)果。

（3）對于西北偏遠(yuǎn)地區(qū)典型土遺址，微波爐測定土的含水率盡管會受到土的界限含水率及含鹽量的干擾，但誤差值都在規(guī)范規(guī)定的試驗誤差范圍之內(nèi)。

（4）微波爐體積小、重量輕、使用便捷，測定遺址土的含水率準(zhǔn)確、可靠，可以替代烘箱推廣使用。

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