摘要：土工合成材料作为一种新型的土木工程材料，近年来在公路工程、水运工程、水利水电工程及铁路路基工程等多方面都有着越来越广泛的应用，已经成为除了水泥、钢铁、木材之外的第四大建筑材料。然而随着新技术的不断发展，新产品不断涌现，针对土工合成材料的性能检测方法也不断更新，给土工合成材料的质量监控提出了严峻的考验，只有深入分析土工合成材料性能检测中的误差来源，进一步改进产品的性能检测方法，提高检测结果的精度，才能使土工合成材料更好地为工程建设服务。鉴于此，本文对土工合成材料性能检测中的误差来源进行了分析探讨。
关键词：土工合成材料；性能检测；误差
一、土工合成材料性能检测参数
土工合成材料的性能检测参数主要包括以下几个方面：
二、误差来源分析的背景和意义
由于实验方法和实验设备的不完善，周围环境的影响，以及人的观察力，测量程序等限制，实验测量值和真值之间，总是存在一定的差异，在数值上即表现为误差。研究误差的目的，不是要消除它，因为这是不可能的；也不是要使它小到不能再小，因为这不一定必要，还要花费大量的人力和物力。研究误差的目的是在一定的条件下得到更接近于真实值的最佳测量结果；确定结果的不确定程度；据预先所需结果，选择合理的实验仪器、实验条件和方法，以降低成本和缩短实验时间。
在土工合成材料性能检测的过程中，往往同一检测样品在不同的实验室检测的结果大相径庭，直接影响了检测结果的可信度。根据杨明昌等人的研究，国内各实验室对土工合成材料的物理、力学、水力学性能进行联合检测的结果中，有一大半检测项目的误差都处于较大的水平，具体情况见下表：
因此，我们为了提高土工合成材料性能检测实验的精度，缩小实验观测值和真值之间的差值，需要对实验数据误差进行分析和讨论。实验数据误差分析并不是即成事实的消极措施，而是给研究人员提供参与科学实验的积极武器，通过误差分析，可以认清误差的来源及影响，使我们有可能预先确定导致实验总误差的最大组成因素，并设法排除数据中所包含的无效成分，进一步改进实验方案。
三、误差来源分析
误差可以分为系统误差、随机误差和过失误差。实验误差从总体上讲有实验装置（包括标准器具、仪器仪表等）、实验方法、实验环境、实验人员和被测量五个来源。根据对整个土工合成材料性能检测过程的分析，其误差主要来源于以下几个方面：
1、人为因素影响
由于土工合成材料是一种新型材料，很多检测人员对其检测要点不熟悉，操作水平参差不齐，造成了与标准之间的偏离及检测结果的失真，导致了过失误差的产生。
例如由于土工合成材料的不均匀性，标准要求采取梯形裁样法进行样品准备，避免两个以上的试样处在相同的纵向或横向位置上，而很多检测人员未严格按照标准执行，检测结果就会有所偏差。
再比如不同土工布伸长率的定义与要求也各不相同，甚至同一种土工布依据不同的产品标准对应的伸长率要求也不相同（见下表），这给检测人员带来很大困惑的同时也增大了过失误差产生的可能性。
另外根据《公路工程土工合成材料试验规程》JTG E50-2006标准中宽条拉伸试验方法要求，要预先测量试样的预负荷伸长，即“在相当于最大负荷1%的外加负荷下，所测的夹持长度的增加值”，见下图。但是没有经验的检测人员往往无法预估最大负荷，乃至忽略了预负荷伸长的测量，这样就直接导致伸长率实测值比真值偏大。
2、检测仪器设备不统一
目前国内大部分检测仪器都是自己研发生产的，检测技术相对较落后，整体质量不高，国内专门研制、生产土工合成材料检测仪器的厂家很少，多数是之前做纺织仪器的厂家顺带生产极个别产品，导致仪器厂家对标准要求的了解不够深入，与实际检测的要求有很大出入。同时市场上很多设备虽然勉强满足标准要求，但存在各种不方便的操作，大大降低了检测效率和准确度。
例如在土工织物拉伸强度的检测过程中，拉力试验机的夹具尤为关键，为了避免试样在夹具中产生滑移，往往采用了波浪形夹具，同时在夹具内侧加有衬垫，如果由于夹具形状不合理导致应力集中断在钳口处的话，那拉伸强度和伸长率也较真值偏小。但即使没有断裂在钳口，也不能证明其达到了最大强度，比如高强长丝机织土工布在断裂时由于夹具的受力不均匀，导致应力集中在部分纤维丝上，所以个别的丝首先断裂，导致结果也会偏小。根据我的研究，同一批次的机织土工布宽条法检测结果为59.3kN/m，而窄条法的检测结果为68.5kN/m，比窄条法高出15%左右。在这种情况下只有改进夹具或者采用窄条法，才能减少系统误差，提高准确度及再现性。
再比如在土工织物伸长率的测量过程中，目前各种拉力试验机都是使用横梁位移或引伸计来采集伸长量的数据，这两种方式检测结果有很大的区别。横梁位移不仅包括了试样的伸长，还包括了仪器间隙的扩大、试样在夹具内的伸长、试样在夹具内的打滑等多种情况，比真值偏大。而目前国内多采用为机械式引伸计，很难在不破坏试样结构，同时试样中心部位又产生颈缩的情况下准确测量试样的伸长量，从而导致结果无效。
另外，尽管各个检测设备原理相同，但结构构造不同，精度也不高，再现性差，结果存在很大差异，检测机构间可比性不高。在相对复杂的项目，例如水力学性能和耐久性上就会产生非常大的误差。比如垂直渗透系数的检测设备往往十分原始，在水温控制，水头差控制，溶解氧控制，渗流时间控制，层流控制等各方面都有缺陷，与理想状态下的试验结果有一定的差距。
3、试样不均匀
虽然标准规范中已经从裁取样品和数据处理方面进行了相关规定，但是由于产品原料及成型工艺的问题，同一样品上性能检测结果也很不均匀，就算检测结果中并没有异常数据，但是实际检测数据与不断变化的真值之间还是存在一定的误差。
例如土工膜的单位面积质量和厚度是相对较均匀的，根据中国土工合成材料协会组织的比对结果，各实验室间无系统误差。但根据对同一卷非织造土工布中不同部位的单位面积质量及厚度进行检测，大小极值之间甚至存在20%的误差，另外针对土工格栅的研究也表明采用拉塑成型的单向土工格栅的拉伸强度也有10%左右的误差。
4、检测方法误差
1）检测方法标准不统一
土工合成材料根据用途的不同，采用的标准体系也各不相同，据不完全统计至少有五种不同的应用技术规范，对应三种不同的检测方法标准（见下表），相互之间存在较大差异，给检测结果的统一性带来了不小的困难。
注：名义夹持长度均为不使用引伸计时；假设土工织物伸长率为8%~75%。
由上表可以看出，无论是在样品宽度上，还是在调湿过程中相对湿度的容差范围上，甚至是在拉伸速率上都有明显的差别。这样的例子还有很多，在《土工合成材料 梯形法撕破强力的测定》GB/T 13763-2010标准中要求试样的宽度为75mm，拉伸速率为50 mm/min；而在《公路工程土工合成材料试验规程》JTG E50-2006标准中要求试样的宽度为76 mm，拉伸速率为100 mm/min；到了《土工合成材料测试规程》SL 235-2012标准中要求试样的宽度为76 mm，而拉伸速率变成了300 mm/min，建立在不同的试验条件下的试验结果是不可能统一乃至消除误差的。
2）检测方法本身存在不确定性
在等效孔径（干筛法）试验中，规定将标准颗粒材料由细及粗的在同一试样上进行试验，而细颗粒很可能堵塞在织物内，给粗颗粒的通过造成障碍，尤其是针刺土工织物，往往一次试验完成后土工织物比初始时增重30~50克，可见对检测结果的影响是十分巨大的，与理论上的真值相差甚远。
而在土工膜的渗透系数试验中，检测结果处于10-12～10-13的数量级，以现有的检测仪器来讲，无法在如此小的数量级上保证数据的准确，而且由于渗透水量很小，检测时间要保持很长一段时间，增大了不确定性。建议用耐静水压逐渐替代渗透系数来对土工膜的防渗性能进行验收评价，这样的检测结果可信度更高。
5、环境因素
土工织物作为一种柔性材料，检测环境对实验结果的影响也非常之大。首先试样状态调节尤为重要，如果没有按照规范对试样进行足够时间的调湿，就会产生结果失真的情况。其次试样标准状态与使用状态的不同也会导致检测结果与真值之间产生系统误差。
例如在土工布的垂直渗透系数试验中，计算公式中常规厚度的测定是在2kPa压力下进行的，而在试验过程中试样始终是在水中饱和后处于不同的水力梯度压力下的，与之前厚度的测定并不是同一条件，由此而得到的垂直渗透系数与真值还是有一定差异的。另外由于试验条件的限制，垂直渗透系数的测定也不可能保持层流的状态下，在不同紊流的状态下测定的垂直渗透系数也各不相同，建议能适当扩大过水面积，并且只取中间层流部分的水流量进行计算，这样会使误差减少到最低。
四、对土工合成材料性能检测的一点建议
根据以上对土工合成材料性能检测误差来源的分析，有以下几个方面的建议：
1）检测人员要具备相应专业的基础知识，同时经过培训，操作考核合格后持证上岗，严格按照标准规范的要求进行操作，积累经验，避免过失误差；
2）检测仪器要统一构造及校准要求，同时拥有良好的人机交互界面，有不断的创新的意识，既要满足标准的要求，又要保持较好的准确性和重复性；
3）样品制备过程要完全符合标准要求，以减少试样均匀性对检测结果的影响；
4）检测方法要统一和改进，土工合成材料与岩土工程中其他相关土体的相关作用原理基本是一致的，没有必要采取不同的检测方法来进行测定，统一标准的缺失已经成为了制约行业发展的瓶颈；同时应根据实际的检测经验不断改进实验方案，使其更加准确合理；
5）检测环境条件要一致，并接近实用环境，这样可以减少系统误差，并为工程设计提供更好的支撑。
结束语
随着新科技新产品的不断涌现，土工合成材料的应用范围也不断扩展，本文结合笔者的实际经验，探讨了土工合成材料性能检测中的误差来源，希望可以帮人们在检测过程中避免过失误差，消除系统误差，减少随机误差，使检测结果更加准确可信，为工程质量的监控提供可靠的依据。
参考文献：
[1]陈莺，孙伯永，徐伟利.土工合成材料测试中的一些问题及建议[B].浙江水利科技，2002.
2]刘莲，等.浅析国内土工合成材料测试标准[A].非织造布，2010.
[3]杨明昌.土工合成材料实验室的检测误差[A].水利水运工程学报，2005.
[4]谢仁红，等.土工合成材料检测技术中常见问题及其影响[A].中国港湾建设，2012.
论文作者:张飞
论文发表刊物:《基层建设》2017年第14期
论文发表时间:2017/10/11
标签：误差论文; 试样论文; 材料论文; 土工合成论文; 标准论文; 真值论文; 性能论文; 《基层建设》2017年第14期论文;