土工布无负荷时垂直渗透特性检验检测结果的不确定度分析

胡珺

（福州铁建工程质量检测有限公司 福建福州 350000）

引言

土工布无负荷时的垂直渗透特性是指水流通过单层无负荷的土工布时的性能，本次土工布无负荷时的垂直渗透特性检验检测结果是以福州铁建工程质量检测有限公司建材检测室防水材料组常规检测的检测程序（恒水头法）为基础进行的。

1 检测过程

选取的样品为衢宁铁路福建段某标段所用的短纤针刺非织造土工布，规格为SNG400,检验检测依据为《土工布及其有关产品无负荷时垂直渗透特性的测定》（GB/T15789-2016），检测方法采用恒水头法。

检测过程如下：在18～22℃的试验室温度下，将已经在湿润剂中浸泡12h的试样平铺在仪器的专用支撑网格上面，再将仪器上部的测试圆筒放置在试样上面，将连接处的3个螺母紧固，使紧固处的密封垫圈紧密贴合。在紧固过程中应保证样品不发生褶皱和滑移。依据检测标准，向仪器注水，至少试样两侧达到约50mm的水头差。关掉供水，如果试验两侧的水头在5min内不能平衡，查找仪器中是否有隐藏的空气，重新实施本程序。如果水头在5min内仍不能平衡，应在试验报告中注明。

检测时，记录下水温，精确到0.1，调节水流，以水头液面的凹液面为测量基线，使水头达到50mm±0.5mm，记录此值，精确到1mm。待水头稳定至少30s后，按下试验开关，用量筒收集出水口流出的水，待30s后出水口自动关闭，记录下量筒收集的水量，精确到10ml。

该试样检测结束后，取出样品，进行下一个试样的检测，过程同上。检测仪器示意图如图1所示。

图1 检测仪器示意图

数学模型：

式中：

V20——20℃时水的流速（m/s）；

V——水的体积，单位为立方米（m3）；

RT——20℃水温校正系数；

T——水温，单位为摄氏度（℃）；

A——试样过水面积，单位为平方米（m2）；

t——达到水的体积V的时间，单位为秒（s）；

k——土工布垂直渗透系数，单位为毫米每秒（mm/s）；

i——垂直于土工布平面的水流速，单位为毫米每秒（mm/s）；

δ——土工布试样厚度，单位为毫米（mm）；

H——土工布试验两侧的水头差，单位为毫米（mm）。

垂直渗透系数检测不确定度分量包括：水温引起的RT变化产生的不确定度分量、测量收集水所用时间所引起的不确定度分量、水体积测量的不确定度分量、试样厚度测量的不确定度分量、水头差测量的不确定度分量、样品不均匀性引起的不确定度分量、样品过水面积测量带来的不确定度分量、试样安装质量差异导致的不确定度分量。

由于样品过水圆环的内径为设备上的固定尺寸，安装过程中若紧固处的密封垫圈不能紧密贴合引起漏水，则重新裁取试样安装，所以由密封垫圈漏水引起的过水面积变化可以忽略，从而总的过水面积所产生的不确定度亦可以忽略不计。同时，试样安装过程由同一试验人员严格按照规范的要求进行，所以试验安装质量差异亦可以忽略不计[1]。

2 各个不确定度分量的计算

2.1 水温测量引起的RT变化所产生的不确定度

（1）水温测量时使用的温度计量程为：0～50℃，查阅检定证书，20℃温度示值的修正值为-0.27℃，即示值误差为1.4%，温度示值属于矩形分布，所以，由温度计的示值误差引入的相对不确定度为：

（2）温度计的量程为50℃，分度值为0.1℃，可以估读至0.5个分度值，即为0.05℃，所测量的水温取20℃，即使用B类评定，按照矩形分布，则读数引入的标准不确定度为：

相对不确定度为：

由于温度计的示值误差和读数两个输入量之间没有相关性，则由温度计测水温引入的相对不确定度分量为[2]：

水温校准系数：

则由水温校正系数RT变化所产生的相对不确定度为：

2.2 收集的水体积测量引入的不确定度

（1）体积测定时使用的量筒量程为：0～1L，查阅检定证书，该量筒的示值误差为0%，则量筒的示值误差引入的相对不确定度为0；

（2）该量筒分度值为10ml，可以估读至0.5个分度值，即为5ml，所测体积为800ml，按照矩形分布，则读数引入的标准不确定度分量为：uV1=收集的水的体积为测3次结果的和，所以uV=

所以水体积测量引起的相对不确定度为：

2.3 试样厚度测量引入的不确定度

（1）测量用大量程百分表准确度引起的不确定度uδ1，uδ2

根据检定证书所示，该大量程百分表全程示值误差为0.011mm，回程误差为0.003mm,两者在区间内可以服从矩形分布，则由测厚仪准确度引入的标准不确定度为：

（2）测量百分表估读引起的不确定度Uδ3

大量程百分表分辨率为0.01mm，取半宽0.005mm的范围内服从矩形分布，则由测厚仪估读引入的标准不确定度为：

（3）试样厚度取测量值平均值3.49mm，则3个分量的相对不确定度各为：

百分表的示值误差、回程误差及估读误差彼此不相关，所以由大量程百分表读数引起的相对不确定度为：

（4）试样所受压强不准引起的不确定度uδ5

土工布所用的压脚压强要求为（2±0.01）kPa，按照检定证书所示，其压脚压强相对不确定度为：uδ5,r=0.1%

由于测厚仪的压脚压强、大量程百分表读数不相关，则由试样厚度测量引入的相对不确定度分量为：

2.4 水头差测量引入的不确定度

水头差测量时使用的是仪器自带的刻度尺，根据检定证书所示，该刻度尺的示值误差为0.2%，因此由刻度尺的最大允许误差带来的相对不确定度为：

该刻度尺量程为250mm，分度值为2mm，可以估度至0.5个分度值，即1mm，所测量的水头差为50mm，按矩形分布，B类评定，则读数引起的标准不确定度为：，相对不确定度为1.2%。

由于刻度尺的示值误差和读数两个输入量之间没有相关性，所以由水头差测量引入的相对不确定度分量为：

2.5 测量收集水所用时间所引入的不确定度

收集水所用时间至少30s，本试验取30s。由仪器自带的计时器进行控制，根据检定证书所示，U=0.1s，k=2,u=U/k=0.05s。

2.6 由样品的不均匀性所引入的不确定度

对同一规格4组单层土工布样品安装后分别检测其在50mm水头差下的垂直渗透系数，具体检测结果如表1所示。

则合并试样标准差及试样不均匀性引起的不确定度为[1～2]：

本次试验样品特性比较明显且处于统计控制之下（水头差为50mm），使用所获得的合并样本标准差Sp来描述分散性，比采用通过有限次数的观测值获得的标准差更为合适。

本次土工布垂直渗透性能不确定度计算采用第二组样品的检测结果。第二组的检测结果平均值为k¯=0.298(cm/s)，所以对于第二组试样不均匀性引入的相对不确定度为：

表1 单层短纤针刺非织造土工布无负荷下垂直渗透系数检测结果

3 合成标准不确定度

各不确定度分量如表2所示。

表2 土工布无负荷下垂直渗透系数检测中各不确定度分量汇总表

按照建立的数学模型，将以上RT变化引入的不确定度等6种分量进行合成；上述6种分量之间认为不存在值得考虑的相关性，则：

4 测量结果的表示

置信水平取95%，取包含因子为2，则第二组样品的扩展不确定度为：

U=2u合=0.02cm/s

所以第二组样品无负荷下垂直渗透系数的结果表示为：

0.30 ±0.01cm/s,置信水平为 95%，k=2

5 结论

本文通过对短纤针刺非织造土工布无负荷下垂直渗透系数的检测结果进行了不确定度评定，不难发现：由收集水体积的测量、水头差测量及样品的不均匀性引起的不确定度分量是测量结果不确定度的主要来源。在检测过程中，建议采取相同检测人员进行测定水头差、采用精度更高的量筒及增加检测样品的总数量来增加检测结果的精确性。

[1]张华.土工布及其有关产品无负荷时垂直渗透特性的测定[J].科技资讯，2015（6）：32～35.

[2]贺晓辉.二等标准水银温度计不确定度评定研究[J].安徽科技，2012（06）：12～13.