細粒土含水率快速檢測法的研究與應用

鐘 波

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610041)

1 概 述

現有的細粒土含水率快速檢測方法包括酒精燃燒法與微波爐法。兩種方法各有優劣。鑒于微波爐法影響因素較多,而常用的烘干法檢測細粒土含水率獲得的結果較準確,但其耗時較長:對于黏性土不少于8 h,砂類土不少于6 h,故其不能滿足細粒土快速施工的要求;采用酒精燃燒法[1]雖然獲得結果快速,但其不經濟環保,存在安全隱患,而且酒精燃燒溫度較高,對有機質含量較高的細粒土的檢測結果影響較大;微波爐法[2]檢測含水率的優點是檢測時間較快,但其缺點是影響因素較多,檢測結果準確性較差。為此,筆者依托蘇丹上阿特巴拉水利樞紐黏土芯墻大壩工程,系統地研究了采用微波爐法檢測含水率的影響因素,完善了微波爐法并將該方法進行了實際應用。

2 微波爐法與烘干法對比試驗

鑒于微波爐法影響因素較多,其準確性相對于烘干法較差,故微波爐法《Standard Test Method for Determination of Water (Moisture) Content of Soil by the Microwave Oven Heating》ASTM D4643-00[3]獲得的檢測結果只能作為指導性結果,如遇仲裁需以烘干法作為最終結果。此外,該規范沒有規定如何選擇最佳參數組合,如樣品個數、有機質含量、烘烤時間等。

鑒于微波爐法確定性較差,需要根據《Standard Test Method for Calibration of Microwave Ovens》ASTM F 1317-98[4]對其進行校正。筆者在研究時將樣品中的含水率控制在18%～36%之間,烘烤時間選擇為8 min至15 min,微波爐功率選擇為754 W,每次1個樣品,并將樣品重量控制為150 g±10 g,以烘干法檢測值為基準,進行了168組對比試驗。對比試驗差值(絕對值)最小為0.4%,最大為4.5%,平均為2%,說明微波爐法若僅考慮含水率和烘烤時間兩個因素,則其檢測結果規律性不強,離差較大,準確度較差。為了增加微波爐法含水率檢測結果的準確性,必須通過正交試驗分析微波爐法檢測含水率的主要影響因素,并最大限度地消除主要影響因素對微波爐法含水率檢測結果的影響,從而提高微波爐法含水率檢測結果的準確性。

前期檢測數據表明:微波爐法檢測結果的影響因素有微波爐功率、烘烤時間、有機質含量、含水率大小、樣品重量、樣品個數等。為分析各種因素對含水率結果影響的大小,確定微波爐法的準確參數,配制了不同含水率、不同有機質含量的試樣進行了正交試驗。本次研究階段的難點在于配制不同有機質含量的試樣。而已取土樣有機質含量的變化范圍為1%～6.7%,對于有機質含量范圍為0%～0.7%的試樣,只能采用已去除有機質(在440 ℃煅燒)[5]的土樣與有機質含量為2%～3%的土料進行摻配制備。

3 正交試驗

將正交試驗的因素選定為含水率(15%～36%)、烘烤時間(6～13 min)、樣品加瓷杯重量(50～90 g)、樣品數量(1～8個)、有機質含量(0%～6.3%)和微波爐功率(468～1 300 W)共6個因素,8個水平,選取L64(89)正交試驗表進行正交試驗。

4 正交試驗結果分析

在對64組正交試驗數據進行分析時,以烘干法結果為基準進行了差值分析,其差值越接近于零,說明微波爐法檢測結果越準確。為了分析以上6個因素對微波爐法檢測含水率影響的主次關系和可靠程度,需要對正交試驗結果進行極差分析和方差分析。

4.1 極差分析

極差分析的目的在于分析各因素對含水率檢測結果的影響大小及主次關系。極差分析結果見表1。

表1 極差分析結果表

根據對表1中的極差分析結果進行分析得知:本次正交試驗極差值最大的是微波爐功率,其次是樣品個數,再次是有機質含量,然后是樣品加瓷杯重量,再次為烘烤時間,最小為含水率。由此可以判定微波爐快速檢測含水率的各影響因素的主次關系為:微波爐功率 >樣品個數 >有機質含量 >樣品加瓷杯重> 烘烤時間 >含水率。

本次正交試驗有3個空列,其為本次正交試驗誤差列,極差值最小,說明誤差控制較好。本次正交試驗在設計時各主要因素已包含齊全,已無其他對含水率影響較大的影響因素,試驗較成功;同時篩選出差值在±0.3%范圍內的6組最佳組合,其最佳參數組合見表2。

表2 最佳參數組合表

在表2中的6組對應參數組合中,其細粒土含水率檢測結果最接近烘干法值,故在現場檢測時通常選擇第1或第4組合。

4.2 方差分析

為確定正交試驗中6個影響因素的主次關系置信概率,必須進行方差分析。所取得的方差分析結果見表3。

表3 方差分析結果表

在6個影響因素中,對檢測結果影響最顯著的是微波爐功率,其次為樣品個數,再次為有機質含量,而方差和極差分析整體結果一致。微波爐功率越大,土樣中的水分蒸發越快、越徹底;若其功率過大,有機質將影響檢測結果,準確度將降低。而樣品個數將影響到試樣在微波爐加熱過程中的能量吸收,同一功率下,檢測樣品個數越少,單個樣品吸收能量越多,其受熱效果越好,水分蒸發越徹底。

5 微波爐法的應用

在取得正交試驗成果后,將優化參數后的微波爐法在黏土芯墻填筑施工中進行了實際應用。微波爐法的優化參數為:烘烤時間為7 min,樣品加瓷杯重量為55～60 g,2個樣品,微波爐功率為754 W的參數組合。為了驗證優化參數后微波爐法取得的檢測結果的可靠性,筆者抽取了30組樣品進行了含水率對比試驗。對比試驗仍以烘干法為基準,優化參數后的微波爐法與烘干法結果對比情況見表4。

表4 優化參數后的微波爐法與烘干法結果對比表

通過對優化參數后的微波爐法與烘干法結果進行對比分析得知:微波爐法與烘干法含水率差值(絕對值)平均為0.3%,最大為0.6%,最小為0%。對比試驗情況與正交試驗結果吻合,說明優化參數后的微波爐法取得的結果準確、可靠。

6 結 語

對于細粒土含水率的檢測,烘干法獲得的結果較為準確,但因其耗時較長而不能滿足快速填筑施工的要求。微波爐法獲取結果快速,但其影響因素較多,若參數組合選擇不合適,則其準確性較烘干法差。本次研究通過正交試驗找出了使用微波爐法檢測細粒土含水率的影響因素及影響的主次關系,為微波爐法檢測含水率的參數選擇提供了有力依據。微波爐法的使用解決了烘干法耗時長,酒精燃燒法不經濟、環保數值偏高、存在安全隱患的問題。優化參數組合后的微波爐法在保證檢測結果準確性的同時縮短了細粒土填筑施工檢測周期,提高了施工效率,所取得的經驗可為類似工程參考。