土工布無負荷時垂直滲透特性檢驗檢測結果的不確定度分析

胡珺

（福州鐵建工程質量檢測有限公司 福建福州 350000）

引言

土工布無負荷時的垂直滲透特性是指水流通過單層無負荷的土工布時的性能，本次土工布無負荷時的垂直滲透特性檢驗檢測結果是以福州鐵建工程質量檢測有限公司建材檢測室防水材料組常規檢測的檢測程序（恒水頭法）為基礎進行的。

1 檢測過程

選取的樣品為衢寧鐵路福建段某標段所用的短纖針刺非織造土工布，規格為SNG400,檢驗檢測依據為《土工布及其有關產品無負荷時垂直滲透特性的測定》（GB/T15789-2016），檢測方法采用恒水頭法。

檢測過程如下：在18～22℃的試驗室溫度下，將已經在濕潤劑中浸泡12h的試樣平鋪在儀器的專用支撐網格上面，再將儀器上部的測試圓筒放置在試樣上面，將連接處的3個螺母緊固，使緊固處的密封墊圈緊密貼合。在緊固過程中應保證樣品不發生褶皺和滑移。依據檢測標準，向儀器注水，至少試樣兩側達到約50mm的水頭差。關掉供水，如果試驗兩側的水頭在5min內不能平衡，查找儀器中是否有隱藏的空氣，重新實施本程序。如果水頭在5min內仍不能平衡，應在試驗報告中注明。

檢測時，記錄下水溫，精確到0.1，調節水流，以水頭液面的凹液面為測量基線，使水頭達到50mm±0.5mm，記錄此值，精確到1mm。待水頭穩定至少30s后，按下試驗開關，用量筒收集出水口流出的水，待30s后出水口自動關閉，記錄下量筒收集的水量，精確到10ml。

該試樣檢測結束后，取出樣品，進行下一個試樣的檢測，過程同上。檢測儀器示意圖如圖1所示。

圖1 檢測儀器示意圖

數學模型：

式中：

V20——20℃時水的流速（m/s）；

V——水的體積，單位為立方米（m3）；

RT——20℃水溫校正系數；

T——水溫，單位為攝氏度（℃）；

A——試樣過水面積，單位為平方米（m2）；

t——達到水的體積V的時間，單位為秒（s）；

k——土工布垂直滲透系數，單位為毫米每秒（mm/s）；

i——垂直于土工布平面的水流速，單位為毫米每秒（mm/s）；

δ——土工布試樣厚度，單位為毫米（mm）；

H——土工布試驗兩側的水頭差，單位為毫米（mm）。

垂直滲透系數檢測不確定度分量包括：水溫引起的RT變化產生的不確定度分量、測量收集水所用時間所引起的不確定度分量、水體積測量的不確定度分量、試樣厚度測量的不確定度分量、水頭差測量的不確定度分量、樣品不均勻性引起的不確定度分量、樣品過水面積測量帶來的不確定度分量、試樣安裝質量差異導致的不確定度分量。

由于樣品過水圓環的內徑為設備上的固定尺寸，安裝過程中若緊固處的密封墊圈不能緊密貼合引起漏水，則重新裁取試樣安裝，所以由密封墊圈漏水引起的過水面積變化可以忽略，從而總的過水面積所產生的不確定度亦可以忽略不計。同時，試樣安裝過程由同一試驗人員嚴格按照規范的要求進行，所以試驗安裝質量差異亦可以忽略不計[1]。

2 各個不確定度分量的計算

2.1 水溫測量引起的RT變化所產生的不確定度

（1）水溫測量時使用的溫度計量程為：0～50℃，查閱檢定證書，20℃溫度示值的修正值為-0.27℃，即示值誤差為1.4%，溫度示值屬于矩形分布，所以，由溫度計的示值誤差引入的相對不確定度為：

（2）溫度計的量程為50℃，分度值為0.1℃，可以估讀至0.5個分度值，即為0.05℃，所測量的水溫取20℃，即使用B類評定，按照矩形分布，則讀數引入的標準不確定度為：

相對不確定度為：

由于溫度計的示值誤差和讀數兩個輸入量之間沒有相關性，則由溫度計測水溫引入的相對不確定度分量為[2]：

水溫校準系數：

則由水溫校正系數RT變化所產生的相對不確定度為：

2.2 收集的水體積測量引入的不確定度

（1）體積測定時使用的量筒量程為：0～1L，查閱檢定證書，該量筒的示值誤差為0%，則量筒的示值誤差引入的相對不確定度為0；

（2）該量筒分度值為10ml，可以估讀至0.5個分度值，即為5ml，所測體積為800ml，按照矩形分布，則讀數引入的標準不確定度分量為：uV1=收集的水的體積為測3次結果的和，所以uV=

所以水體積測量引起的相對不確定度為：

2.3 試樣厚度測量引入的不確定度

（1）測量用大量程百分表準確度引起的不確定度uδ1，uδ2

根據檢定證書所示，該大量程百分表全程示值誤差為0.011mm，回程誤差為0.003mm,兩者在區間內可以服從矩形分布，則由測厚儀準確度引入的標準不確定度為：

（2）測量百分表估讀引起的不確定度Uδ3

大量程百分表分辨率為0.01mm，取半寬0.005mm的范圍內服從矩形分布，則由測厚儀估讀引入的標準不確定度為：

（3）試樣厚度取測量值平均值3.49mm，則3個分量的相對不確定度各為：

百分表的示值誤差、回程誤差及估讀誤差彼此不相關，所以由大量程百分表讀數引起的相對不確定度為：

（4）試樣所受壓強不準引起的不確定度uδ5

土工布所用的壓腳壓強要求為（2±0.01）kPa，按照檢定證書所示，其壓腳壓強相對不確定度為：uδ5,r=0.1%

由于測厚儀的壓腳壓強、大量程百分表讀數不相關，則由試樣厚度測量引入的相對不確定度分量為：

2.4 水頭差測量引入的不確定度

水頭差測量時使用的是儀器自帶的刻度尺，根據檢定證書所示，該刻度尺的示值誤差為0.2%，因此由刻度尺的最大允許誤差帶來的相對不確定度為：

該刻度尺量程為250mm，分度值為2mm，可以估度至0.5個分度值，即1mm，所測量的水頭差為50mm，按矩形分布，B類評定，則讀數引起的標準不確定度為：，相對不確定度為1.2%。

由于刻度尺的示值誤差和讀數兩個輸入量之間沒有相關性，所以由水頭差測量引入的相對不確定度分量為：

2.5 測量收集水所用時間所引入的不確定度

收集水所用時間至少30s，本試驗取30s。由儀器自帶的計時器進行控制，根據檢定證書所示，U=0.1s，k=2,u=U/k=0.05s。

2.6 由樣品的不均勻性所引入的不確定度

對同一規格4組單層土工布樣品安裝后分別檢測其在50mm水頭差下的垂直滲透系數，具體檢測結果如表1所示。

則合并試樣標準差及試樣不均勻性引起的不確定度為[1～2]：

本次試驗樣品特性比較明顯且處于統計控制之下（水頭差為50mm），使用所獲得的合并樣本標準差Sp來描述分散性，比采用通過有限次數的觀測值獲得的標準差更為合適。

本次土工布垂直滲透性能不確定度計算采用第二組樣品的檢測結果。第二組的檢測結果平均值為kˉ=0.298(cm/s)，所以對于第二組試樣不均勻性引入的相對不確定度為：

表1 單層短纖針刺非織造土工布無負荷下垂直滲透系數檢測結果

3 合成標準不確定度

各不確定度分量如表2所示。

表2 土工布無負荷下垂直滲透系數檢測中各不確定度分量匯總表

按照建立的數學模型，將以上RT變化引入的不確定度等6種分量進行合成；上述6種分量之間認為不存在值得考慮的相關性，則：

4 測量結果的表示

置信水平取95%，取包含因子為2，則第二組樣品的擴展不確定度為：

U=2u合=0.02cm/s

所以第二組樣品無負荷下垂直滲透系數的結果表示為：

0.30 ±0.01cm/s,置信水平為 95%，k=2

5 結論

本文通過對短纖針刺非織造土工布無負荷下垂直滲透系數的檢測結果進行了不確定度評定，不難發現：由收集水體積的測量、水頭差測量及樣品的不均勻性引起的不確定度分量是測量結果不確定度的主要來源。在檢測過程中，建議采取相同檢測人員進行測定水頭差、采用精度更高的量筒及增加檢測樣品的總數量來增加檢測結果的精確性。

[1]張華.土工布及其有關產品無負荷時垂直滲透特性的測定[J].科技資訊，2015（6）：32～35.

[2]賀曉輝.二等標準水銀溫度計不確定度評定研究[J].安徽科技，2012（06）：12～13.