本发明涉及非黏性土含水率检测领域，特别是一种快速检测非黏性土含水率的方法。
背景技术：
非黏性土在水利、公路、市政等基础设施建设领域有广泛应用，而含水率是非黏性土的一个重要参数指标，在土石坝填筑、混凝土拌合、基坑回填等过程中，必须准确而较快地检测非黏性土的含水率。含水率离线检测法主要有烘干法、炒干法、比重法、酒精燃烧法，在线检测法主要有中子法、电阻法、电容法、近红外法、微波法、tdr法等。烘干法检测精度高，是其他方法检测精度的判断标准，但是检测至少需要6h，速度慢，时间长。工程实际中较多情况下需要快速检测土料的含水率，而这种方法难以满足快速检测的要求。在线检测法的检测速度快，现场可直接测定土料的含水率，但是检测精度较差，不同检测方法之间的差异较大，有些方法难以满足精度要求，如基于电阻法、电容法等方法的原理而设计的含水率检测仪器检测精度通常较差，难以用于工程实际中，近红外法受被测土料的表面状态影响严重，精度时高时低。所以为了实现非黏性土含水率的快速检测，需要提出合适的含水率检测方法，以满足实际工程需要。
非黏性土在水利、交通、市政等基础设施建设领域有十分广泛的应用。在土石坝填筑和路基填筑过程中，虽然非黏性土的压实度受含水率的影响没有黏性土敏感，但在碾压前适当加水可以显著增加颗粒间滑动，一定程度上可以减少填料分离，可以显著改善非黏性土的压实效果。对于粒径小于20mm的非黏性土，含水率是压实度检测中的重要参数。根据相关规范中介绍的土石坝和路基填筑中压实度的检测方法，目前压实度检测普遍采用的方法是挖坑检测法，在计算压实度时，需要对挖坑料的含水率进行准确快速检测。在混凝土拌合过程中，粗、细骨料的含水率对拌合过程中需人工添加的水量有重要影响，如果没有准确检测粗、细骨料的含水率，将导致拌和的混凝土不满足和易性要求，甚至影响强度和耐久性等指标。
所以需要对非黏性土的含水率进行准确检测，检测精度必须满足规定的要求。但是目前普遍认为最准确的检测方法是烘干法，该方法检测精度高，通常将其他方法的检测结果和烘干法的结果进行对比，以验证其他方法是否准确。众所周知，烘干法的检测速度慢，无法实现快速检测的要求，在实际应用中具有滞后性，对施工进度造成一定影响。目前也有较多的在线检测方法，虽然检测速度快，但是精度通常无法满足规定的要求，而且不同的检测方法之间差异较大。
现有检测非黏性土含水率的方法主要有烘干法、炒干法、酒精燃烧法、中子法、电阻法、电容法、近红外法、微波法、tdr法，具体如下：
烘干法是所有检测方法中被认为最准确的方法，检测的技术流程为：称量装待测土样容器的质量，取适量的待测湿土样置于容器中，称量容器和湿土样的总质量，并做记录。将湿土样置于电烘箱中，设置温度为105℃±5℃。非黏性土烘6h以上，黏性土烘8h以上，直至土样恒重为止，确保水分全部蒸干。取出烘干后的土样，称量干土样和容器的总质量，并做记录，计算待测湿土样的含水率。
炒干法和烘干法的原理类似，唯一的区别是用炒的过程代替了烘的过程。
酒精燃烧法和烘干法的原理也类似，只是在土样中加入适量酒精，经多次燃烧使土样中水分蒸干。
电阻法的原理为：湿土具有导电性，其导电性或电阻和含水率有直接关系，含水率越小，导电率越小，含水率越大，导电率越大，将含水率的大小转化为一个电学量，从而显示出来，得到土料的含水率。实际操作中，只需将电阻式水分传感器的感应部分插入到被测土样中，直接读取结果即可。
电容法的原理为：土料含水率的变化会影响其介电常数的变化，干土的相对介电常数为3左右，而水的相对介电常数为82左右，远大于干土的相对介电常数，故含水率与土料的复合介电常数存在一定关系，在检测时直接测出该电容器电介质的介电常数值，再经过一定的换算关系便可间接推算土料的含水率。电容法以被测的土料作为电介质，与插入到土料中的两个电极构成一个电容器。实际操作过程中，根据被测土料的性质，电容法两个电极结构也会有所不同，常见的电极结构有平行板式、圆筒式等。电容法和电阻法的实际操作过程类似，这里不再赘述。
中子法、近红外法、微波法、tdr法的检测原理都是通过建立土样中的水分参量变化和对应的感应值之间的一一对应关系，进而将含水率检测结果显示出来。实际操作过程均是通过将传感器的感应部分和所取的土样进行接触，从而实现非黏性土的含水率检测。
虽然现有土料含水率测量的方法较多，但是它们也存在一些不足：1)在检测非黏性土的含水率时，烘干法的检测速度慢，检测时间至少需要6h，无法实现快速检测的要求，在实际应用中具有滞后性，对施工进度可能造成影响，而且需要取样到实验室检测，属于一种离线检测法。2)炒干法、酒精燃烧法等需要的时间也较长，无法实现快速检测。酒精燃烧法存在一定的安全隐患，两种方法均属于离线检测法。3)中子法、电阻法、电容法、近红外法、tdr法检测精度差，同种土样进行两次平行测定，相应的平行差值难以满足规定的要求，检测结果不可信，导致难以在工程实际中应用。
全料：本发明中的全料是指粒径小于一定粒径(如20mm)的非黏性土。粗料：本发明中粗料是指全料中粒径较大(如5～20mm之间)的非黏性土。细料：本发明细料是指全料中粒径较小(如小于5mm)的非黏性土。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种快速检测非黏性土含水率的方法，提高检测速度、缩短检测时间。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种快速检测非黏性土含水率的方法，包括以下步骤：
步骤1：确定工程中使用的细料的虚拟比重，将虚拟比重表示为gsf，则：
式中：ω烘为电烘箱测定的细料试样的含水率；m1为容量瓶、水、细料的总质量；m2为容量瓶、水的总质量；m为细料的质量；
步骤2：根据虚拟比重法测定细料的含水率，即：
式中：ωsf为细料的含水率；m1为容量瓶、水、细料的总质量；m2为容量瓶、水的总质量；m为细料的质量；
步骤3：根据饱和面干含水率替代法测定粗料的饱和面干含水率，即：
式中：ω饱为粗料的饱和面干含水率；m3为干燥后试样和土样盘的总质量；m4为干燥前饱和面干试样和土样盘的总质量；m5为土样盘的质量；
步骤4：根据细料的含水率和粗料的含水率计算全料的含水率，即：
ω全＝(1-p5)ωsf+p5ω饱
式中：ω全为全料的含水率；p5为干燥的粗料占全料的质量百分比；ω饱为粗料的饱和面干含水率；ωsf为细料的含水率。
进一步的，步骤1中，5种含水率细料试样均分别进行两次平行试验，共获得10个gsfi(i＝1,2,…,10)，并取平均值，该平均值为该细料的虚拟比重gsf。
进一步的，步骤2中，将m、m1、m2、gsf代入式
进一步的，在步骤4中，提前确定p5，当全料的级配变化较小时，将p5看作定值。
进一步的，p5的计算方法为：取全料试样5份，将其升温加热至恒重，称量获得每份的总质量，将每份全料试样置于5mm筛中进行筛分，获得每份全料试样干燥的粗料占全料的质量百分比，计算5个质量百分比的平均值作为p5。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：经大量试验验证，当提前将细料的虚拟比重gsf、粗料的饱和面干含水率ω饱、p5确定之后，加权法检测非黏性土(全料)的含水率在满足精度要求的前提下，多次平行测定的时间约为20min，检测时间较短，具有快速检测的优点。且测量操作简单，易于在工程施工现场应用。
具体实施方式
本发明采用的非黏性土为粒径小于20mm的土料，将其称为全料。细料的含水率采用提出的虚拟比重法进行检测，粗料的含水率采用饱和面干含水率替代法进行检测，则全料的含水率通过如下公式计算得到。
ω全＝(1-p5)ωsf+p5ω饱
式中：ω全为全料的含水率，％；p5为干燥的粗料占全料的质量百分比，％；ω饱为粗料的饱和面干含水率，％；ωsf为细料的含水率，％。上式包含细料和粗料分别在全料中所占的质量百分比，亦即权重，因此将这种方法称为加权法。
一、虚拟比重法测量细料的含水率
虚拟比重法具体包含虚拟比重的确定和含水率测定两步，分别对应虚拟比重的确定方法和含水率的测定方法。
(一)虚拟比重的确定方法
1、原理分析
采用虚拟比重法的关键是确定工程中使用的细料的虚拟比重，将虚拟比重表示为gsf。为了获取一个合理的虚拟比重，采用下式计算，即：
式中：ω烘为电烘箱测定的细料试样的含水率，％；m1为容量瓶、水、细料的总质量，g；m2为容量瓶、水的总质量，g；m为细料的质量，g。一种细料配置5种具有代表性的含水率试样。工程中常用细料的含水率在8％附近，因此本发明的细料的含水率范围应包含8％，并延伸至15％。在减少工作量的同时又需保证得出的虚拟比重具有代表性，因此一种细料配置含水率约为3.0％、6.0％、9.0％、12.0％、15.0％的5种试样。研究分析总结得出虚拟比重的确定方法如下：
2、试验仪器
容量瓶：2个容积1000ml；
电子天平：量程2000g～4000g，分度值0.01g；
铝盒：若干；
电烘箱：1台，温度可以设置105～110℃；
其他：薄塑料漏斗、钢抹子、胶头滴管、土样盘、玻璃棒、温度计等。
3、试验方法
(1)倒出容量瓶内残留的水分，擦干容量瓶外壁的水分，保证内外尽可能干燥，称量获得容量瓶质量。
(2)称取约1000g干燥细料置于土样盘，称取适量清水并缓慢倒入细料中，拌合均匀，获得含水率约为3％的细料试样。
(3)将(2)中的细料装入2个容量瓶，分别装200g～300g，分别称量获得试样质量m，同时取(2)中2份40～50g的细料装入备好的铝盒中，称量获得铝盒和细料试样的总质量。
(4)向容量瓶中注入常温清水至1/3左右，盖上瓶塞，将容量瓶倾斜、翻转、摇晃30s，同时观察容量瓶底部是否还有大量气泡，若有则继续翻转、摇晃，直到气泡全部消失，保证土颗粒体积测量准确。静置1min，缓慢加水至低于刻度线5mm左右，待绝大部分气泡浮到表面后，用胶头滴管吸除表面的气泡，再用胶头滴管缓慢加水，至凹液面与刻度线齐平。盖上容量瓶塞，擦干瓶外壁，称量获得m1。
(5)重复步骤(1)～(4)，获得其余4种含水率细料试样(约6.0％、9.0％、12.0％、15.0％)的m、m1。
(6)将上述所用的容量瓶清洗干净，装入常温清水至刻度线以下5mm左右，再用胶头滴管缓慢加水，至凹液面与刻度线齐平，擦干瓶外壁，称量获得容量瓶与水的质量m2。
(7)将步骤(3)的铝盒和细料试样置于电烘箱升温加热至恒重，称量并根据含水率的定义式，获得(2)中细料试样的含水率ω烘。
(8)将第1种含水率细料试样的试验数据代入式
(9)重复步骤(8)，获得其余4种含水率细料试样(约6.0％、9.0％、12.0％、15.0％)对应的gsf3和gsf4,gsf5和gsf6,…,gsf9和gsf10。将10个gsfi(i＝1,2,…,10)取平均值，最终获得该种细料的虚拟比重gsf。
(二)含水率的测定方法
通过上述步骤确定了虚拟比重，为含水率的测定奠定了基础，下面详细介绍含水率的测定方法。
1、原理分析
虚拟比重法测定含水率的计算公式为：
式中：ωsf为细料的含水率，％；根据计算原理，在已知虚拟比重gsf的情况下，需要提前获得的参数有容量瓶、水、细料的总质量m1，容量瓶、水的总质量m2。
2、试验仪器
容量瓶：2个容积1000ml；
电子天平：量程2000g～4000g，分度值0.01g；
其他：薄塑料漏斗、钢抹子、胶头滴管、土样盘、玻璃棒、温度计等。
3、试验方法
(1)倒出容量瓶内残留的水分，擦干容量瓶外壁的水分，保证内外尽可能干燥，称量获得容量瓶质量；
(2)取适量代表性待测细料置于土样盘，分别装入2个容量瓶中，每个装200g～300g，称量获得细料的质量m；
(3)向容量瓶中注入清水至1/3左右，盖上瓶塞，将容量瓶倾斜、翻转、摇晃30s，同时观察容量瓶底部是否还有大量气泡，若有则继续翻转、摇晃，直到气泡全部消失，保证土颗粒体积测量准确。静置1min，缓慢加水至低于刻度线5mm左右，待绝大部分气泡浮到表面后，用胶头滴管吸除表面的气泡，再用胶头滴管缓慢加水，至凹液面与刻度线齐平。盖上容量瓶塞，擦干瓶外壁，称量获得m1；
(4)将上述所用的容量瓶清洗干净，装入常温清水至刻度线以下5mm左右，再用胶头滴管缓慢加水，至凹液面与刻度线齐平，擦干瓶外壁，称量获得容量瓶与水的质量m2；
(5)将m、m1、m2、gsf代入式
本试验中，采用两个容量瓶进行试验，属于两次平行测定，允许平行误差应满足
表1的规定，待测细料的最终含水率取两次的算术平均值。
表1允许的平行误差
(三)分析和说明
1、如果容量瓶不更换，容量瓶与水的质量m2在测定过程中作为定值，不必每次检测都测定m2，同时，水温保持在常温上下即可。
2、对于工程实际中常用的细料，可以提前确定其虚拟比重，为后续含水率检测做好准备。
二、饱和面干含水率替代法
(一)试验仪器
电烘箱：温度可设置在105℃±5℃；
天平：量程5000g，精度0.1g；
标准筛：根据需要选择；
其他：体积较大的盛水容器、土样盘、钢丝刷、毛巾等。
(二)试验方法
(1)取代表性粗料试样适量2份，用钢丝刷刷净，备用；
(2)将2份粗料试样分别置于盛有清水的2个容器中，水面高出土样表面10mm左右，浸泡24h后从水中取出，用拧干不滴水的湿毛巾将每个颗粒表面的水分轻轻拭干，保证表面没有泛光的水膜。立刻将试样置于土样盘，称量获得m4；
(3)将饱和面干粗料试样和土样盘升温加热至恒重，称量获得干燥后试样和土样盘的总质量m3；
(4)采用下式获得饱和面干含水率，精确至0.01％。
式中：ω饱为粗料的饱和面干含水率，％；m3为干燥后试样和土样盘的总质量，g；m4为干燥前饱和面干试样和土样盘的总质量，g；m5为土样盘的质量，g。
三、加权法
综合虚拟比重法和饱和面干含水率替代法得到全料含水率的检测方法，具体如下：
(一)试验仪器
容量瓶：2个容积1000ml；
电子天平：量程2000g～4000g，分度值0.01g；
标准筛：孔径5mm和20mm；
其他：薄塑料漏斗、钢抹子、胶头滴管、土样盘、玻璃棒、温度计、抹布等。
(二)试验方法
(1)获得足量全料试样；
(2)用湿抹布将5mm标准筛润湿，确保筛子表面不能形成一层明显水膜，润湿即可，将全料试样置于孔径5mm筛进行筛分，获得细料和粗料；
(3)采用虚拟比重法获得细料的含水率ωsf；
(4)采用饱和面干含水率替代法获得粗料的饱和面干含水率ω饱；
(4)将ωsf和ω饱以及权重p5代入式ω全＝(1-p5)ωsf+p5ω饱，获得第1次全料的含水率；
(5)重复步骤(4)，获得第2次全料的含水率，取两次测定的平均值，获得待测全料的含水率ω全。
(三)分析与说明
(1)两次平行测定的允许误差应满足
表1的规定，
(2)一种全料的p5可以提前确定，当全料的级配变化较小时，可以将p5看作定值。p5的确定方法如下：
1)取全料试样5份，每份约1000g，将其升温加热至恒重，称量获得每份的总质量；
2)将每份全料试样置于5mm筛中进行筛分，获得每份全料试样中干燥的粗料占全料的质量百分比，计算5个质量百分比的平均值作为p5。
以上即为加权法检测非黏性土(全料)的含水率方法。经大量试验验证，当提前将细料的虚拟比重gsf、粗料的饱和面干含水率ω饱、p5确定之后，加权法检测非黏性土的含水率在满足精度要求的前提下，两次平行测定的时间约为20min，检测时间较短，具有快速检测的优点。