何远红
广东省工程勘察院 广东省广州市 510510
摘要：随着科学技术不断进步，在建筑行业中对土木工程中含水率的控制十分重要，密切关系到土木建筑的质量和安全，因此现代建筑工程中多依据《土工试验方法标准》等标准和规定对土木工程进行抽样，对土样含水率进行确定，进而实现对建筑土木部分质量的控制。本文从土样含水率测量入手，分析土样含水率测量不确定度的问题，探讨优化土样含水率测量不确定度降低的措施，推动建筑实验室检测水平上升，为我国建筑行业发展提供技术辅助。
关键词：土样；含水量测量；不确定度
引言：《土工试验方法标准》和《测量不确定度评定与表示》是土样含水率测量不确定度的重要基础，其中对土样含水率实验、测量结果不确定度评定进行了详细要求，是土木工程质量、物化性质、安全性评定的重要研究依据。笔者针对土样含水率测量的不确定度特点，对实验室土样含水率测量方法进行分析，并根据测量方法对影响不确定度的因素进行确定和分析，为实验室土样含水率测量结果准确性提高提供借鉴。
1 样含水率试验的基本概况
测量不确定度(uncertainty of measurement) 定义为表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。被测量之值的最佳估计值是测量结果，常用平均值表示。参数可以是标准偏差、标准偏差的倍数或说明了置信水准区间的半宽度。
1.1含水率试验的室内试验方法以烘干法为标准方法。烘干法试验原理是利用水在加温后逐渐变成水蒸气的性质。加热一定时间后，在温度不高于110℃时，土中自由水全部变成气体挥发，之后土重不再发生变化，即处于恒重状态。土恒重即认为是干土质量。对粘性土实际上是土粒质量与强结合水质量之和，因强结合水需要温度高于120℃才能析出，故将其作为固体颗粒的一部分。
1.2烘干法测定含水率仪器设备为恒温烘箱、天平、铝盒、干燥器等附属设备。恒温烘箱一般要求在50℃-200℃范围内能在任一点保持一定恒温范围。最常用的恒温范围在105℃-110℃，有机质超过干土质量5%的土应将温度控制在65℃-70℃，控制温度的精度高于±2℃；天平称量200ｇ，感量0.01ｇ，常用天平分机械天平和电子天平两类。 测量不确定度是评定测量水平的指标，也是判定测量结果的依据。测量不确定度的评定与表示方法是科技交流的迫切要求，具有重要意义。
2 实验室土样含水率测量方法
土样含水率是试样在105℃～110℃温度下烘至恒量时所失去的水质量和恒量后干土质量的比值，即土壤中的含水量除以烘干后的土壤质量再乘以100%。
土样含水率试验是关于土壤的一种基本物理性质试验，对评价土体工程性质有着十分重要的意义和作用。进行该种试验主要有一下几种试验方法。
2.1烘干法
烘干法是实验室测量土样含水率众多方法中精度较高的一种方法，在烘干前测量土样质量，然后采取将土样在105℃下烘干的方式，在此温度下可以使土壤中的自由水和吸湿水迅速蒸发，又不会使土壤有机质被分解，然后测量烘干后土样质量；烘干前后土壤质量的比值就是该次取样土样中含水量，通过2~5次测定取平均值，可以比较精确的确定土样含水率。
2.2酒精燃烧法
酒精燃烧法是确定土样含水率众多方法中速度较快的一种，通常采取在土样中加入酒精点燃的方式，使土样中的水分在酒精燃烧过程中迅速蒸发，可以将土样中自由水、吸湿水烘干，通常情况下同一土样应当经过三次燃烧，才可确定土壤中水分完全烘干；通过对加入酒精燃烧前后的土样质量进行测量，取其差值即为土样的含水量，采取2~5组实验取平均值可以较为准确的获取土样含水率值。
2.3比重法
比重法是通过测量湿土体积估算土粒比重，间接计算土的含水率，此种比重法因为实验时受到温度影响较大因而准确性较差，比较适用于砂土含水率测量，对大多数土质并不适用。
3 实验室测量土样含水率易导致不确定度的因素
土样含水率计算公式ｗ =（m - ms）/ms×100％，其中ｗ代表含水率，m为湿土质量，ms为干土质量。
3.1 烘干法不确定度形成因素
烘干法测量土样含水率过程中，需要对湿土和烘干后土进行分别的质量承重，易导致烘干法测量含水率结果不准确的因素来自三个方向，其中第一个是烘干过程中的烘干程度导致的不确定度，第二个是抽取的土样不均匀导致的不确定度，第三个是测量天平准确度导致的不确定度。
3.1.1 烘干不确定度
烘干过程中因烘干程度导致的不确定度问题，若实验室使用的烘干箱温度变化限在±0.5℃之间，则可预估烘干箱温度变化导致的不确定度约为0.5/1.732=0.289℃，烘干土样的常规温度为105℃，则采用此烘干箱进行土样烘干过程中导致的不确定度为0.289/105=2.75*10-3。
3.1.2 土样不均匀不确定度
土样不均匀导致的不确定度多采用10~15份土样测定含水率平均值和标准差进行确定，土样含水率汇总结果如图一所示，根据平均值标准差可知，土样不均匀导致的不确定度约为0.05%。
图一 土样含水率测量结果汇总
3.1.3 天平不确定度
天平准确度导致的不确定度问题，若实验室采用精度为0.01g的天平，则可预估天平准确度导致的不确定度约为0.01/2*1.732=2.89*10-3g，若湿土样质量为17g，则该次土样天平测量产生的相对不确定度约为2.89*10-3/17=1.70*10-4；若烘干后干土样质量为15g，则该次烘干后土样天平测量结果不确定度为2.89*10-3/15=1.93*10-4。
3.2 烘干法含水率合成标准不确定度
由于烘干法测量过程中始终存在相对不确定度，因此在进行含水率的合成时必然存在不确定度，且这里的不确定度可能误差幅度更大，也可能更小。通常情况下，在烘干法中计算合成标准不确定度要通过湿土不确定度的平方与干土不确定度的平方差值开根号来确定，然后再与烘干法平均含水率相乘得到烘干法下土样含水率合成标准不确定度。
3.3 土样含水率扩展不确定度评定
由于土样在湿土和干土状态下的质量分布呈矩形分布，则土样含水率同样呈矩形分布，通常情况下土样含水率扩展概率在1.5~2之间取，则根据土样含水率合成标准不确定的基础上计算扩展不确定度。若烘干法中土样含水率扩展概率取2，则土样含水率扩展不确定度为2*烘干法土样含水率合成标准不确定度。
3.4 烘干法下土样含水率不确定度
经过一系列含水率不确定度的实验记录和计算，可知：湿土评价质量17g，烘干箱温度变化在±0.5℃之间，使用精度为0.01g的天平，在此条件下进行烘干法测量土样含水率不确定度，可以得到土样平均含水率16.01%，扩展概率取2，在计算过程中可知，烘干法下烘干箱温度不确定度是土样含水率测量不确定的主因。
结束语：根据《土工试验方法标准》、《测量不确定度评定与表示》和《数字修约规则》可对实验室土样含水率测量结果进行不确定度评定，当含水率不确定度误差幅度在±0.32%之间时，则土样含水率测量结果准确度较高，可以参与后续实验。
参考文献：
[1]刘锦阳，李喜安，简涛，郭泽泽.马兰黄土渗气率与饱和渗透系数的关系研究[J].水文地质工程地质，2017，44(06):154-162.
[2]常丹，李旭，刘建坤，陈曦.土体含水率测量方法研究进展及比较[J].工程勘察，2014，42(09):17-22+35.
[3]马玉莹，雷廷武，张心平.测量土壤质量含水率的体积置换方法[J].农业机械学报，2013，44(12):148-153.
[4]王新忠，刘飞，韩旭.土壤理化特性对土壤剖面水分传感器性能的影响[J].农业机械学报，2012，43(11):97-101.
[5]张陈辉.浅谈土样含水率试验的不确定度评估[J].中国新技术新产品，2012(08):93.
论文作者:何远红
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/6
标签：不确定论文; 含水率论文; 测量论文; 干法论文; 天平论文; 质量论文; 标准论文; 《建筑学研究前沿》2018年第23期论文;