细粒土含水率快速检测法的研究与应用

钟 波

(中国水利水电第七工程局有限公司,四川 成都 610041)

1 概 述

现有的细粒土含水率快速检测方法包括酒精燃烧法与微波炉法。两种方法各有优劣。鉴于微波炉法影响因素较多,而常用的烘干法检测细粒土含水率获得的结果较准确,但其耗时较长:对于黏性土不少于8 h,砂类土不少于6 h,故其不能满足细粒土快速施工的要求;采用酒精燃烧法[1]虽然获得结果快速,但其不经济环保,存在安全隐患,而且酒精燃烧温度较高,对有机质含量较高的细粒土的检测结果影响较大;微波炉法[2]检测含水率的优点是检测时间较快,但其缺点是影响因素较多,检测结果准确性较差。为此,笔者依托苏丹上阿特巴拉水利枢纽黏土芯墙大坝工程,系统地研究了采用微波炉法检测含水率的影响因素,完善了微波炉法并将该方法进行了实际应用。

2 微波炉法与烘干法对比试验

鉴于微波炉法影响因素较多,其准确性相对于烘干法较差,故微波炉法《Standard Test Method for Determination of Water (Moisture) Content of Soil by the Microwave Oven Heating》ASTM D4643-00[3]获得的检测结果只能作为指导性结果,如遇仲裁需以烘干法作为最终结果。此外,该规范没有规定如何选择最佳参数组合,如样品个数、有机质含量、烘烤时间等。

鉴于微波炉法确定性较差,需要根据《Standard Test Method for Calibration of Microwave Ovens》ASTM F 1317-98[4]对其进行校正。笔者在研究时将样品中的含水率控制在18%～36%之间,烘烤时间选择为8 min至15 min,微波炉功率选择为754 W,每次1个样品,并将样品重量控制为150 g±10 g,以烘干法检测值为基准,进行了168组对比试验。对比试验差值(绝对值)最小为0.4%,最大为4.5%,平均为2%,说明微波炉法若仅考虑含水率和烘烤时间两个因素,则其检测结果规律性不强,离差较大,准确度较差。为了增加微波炉法含水率检测结果的准确性,必须通过正交试验分析微波炉法检测含水率的主要影响因素,并最大限度地消除主要影响因素对微波炉法含水率检测结果的影响,从而提高微波炉法含水率检测结果的准确性。

前期检测数据表明:微波炉法检测结果的影响因素有微波炉功率、烘烤时间、有机质含量、含水率大小、样品重量、样品个数等。为分析各种因素对含水率结果影响的大小,确定微波炉法的准确参数,配制了不同含水率、不同有机质含量的试样进行了正交试验。本次研究阶段的难点在于配制不同有机质含量的试样。而已取土样有机质含量的变化范围为1%～6.7%,对于有机质含量范围为0%～0.7%的试样,只能采用已去除有机质(在440 ℃煅烧)[5]的土样与有机质含量为2%～3%的土料进行掺配制备。

3 正交试验

将正交试验的因素选定为含水率(15%～36%)、烘烤时间(6～13 min)、样品加瓷杯重量(50～90 g)、样品数量(1～8个)、有机质含量(0%～6.3%)和微波炉功率(468～1 300 W)共6个因素,8个水平,选取L64(89)正交试验表进行正交试验。

4 正交试验结果分析

在对64组正交试验数据进行分析时,以烘干法结果为基准进行了差值分析,其差值越接近于零,说明微波炉法检测结果越准确。为了分析以上6个因素对微波炉法检测含水率影响的主次关系和可靠程度,需要对正交试验结果进行极差分析和方差分析。

4.1 极差分析

极差分析的目的在于分析各因素对含水率检测结果的影响大小及主次关系。极差分析结果见表1。

表1 极差分析结果表

根据对表1中的极差分析结果进行分析得知:本次正交试验极差值最大的是微波炉功率,其次是样品个数,再次是有机质含量,然后是样品加瓷杯重量,再次为烘烤时间,最小为含水率。由此可以判定微波炉快速检测含水率的各影响因素的主次关系为:微波炉功率 >样品个数 >有机质含量 >样品加瓷杯重> 烘烤时间 >含水率。

本次正交试验有3个空列,其为本次正交试验误差列,极差值最小,说明误差控制较好。本次正交试验在设计时各主要因素已包含齐全,已无其他对含水率影响较大的影响因素,试验较成功;同时筛选出差值在±0.3%范围内的6组最佳组合,其最佳参数组合见表2。

表2 最佳参数组合表

在表2中的6组对应参数组合中,其细粒土含水率检测结果最接近烘干法值,故在现场检测时通常选择第1或第4组合。

4.2 方差分析

为确定正交试验中6个影响因素的主次关系置信概率,必须进行方差分析。所取得的方差分析结果见表3。

表3 方差分析结果表

在6个影响因素中,对检测结果影响最显著的是微波炉功率,其次为样品个数,再次为有机质含量,而方差和极差分析整体结果一致。微波炉功率越大,土样中的水分蒸发越快、越彻底;若其功率过大,有机质将影响检测结果,准确度将降低。而样品个数将影响到试样在微波炉加热过程中的能量吸收,同一功率下,检测样品个数越少,单个样品吸收能量越多,其受热效果越好,水分蒸发越彻底。

5 微波炉法的应用

在取得正交试验成果后,将优化参数后的微波炉法在黏土芯墙填筑施工中进行了实际应用。微波炉法的优化参数为:烘烤时间为7 min,样品加瓷杯重量为55～60 g,2个样品,微波炉功率为754 W的参数组合。为了验证优化参数后微波炉法取得的检测结果的可靠性,笔者抽取了30组样品进行了含水率对比试验。对比试验仍以烘干法为基准,优化参数后的微波炉法与烘干法结果对比情况见表4。

表4 优化参数后的微波炉法与烘干法结果对比表

通过对优化参数后的微波炉法与烘干法结果进行对比分析得知:微波炉法与烘干法含水率差值(绝对值)平均为0.3%,最大为0.6%,最小为0%。对比试验情况与正交试验结果吻合,说明优化参数后的微波炉法取得的结果准确、可靠。

6 结 语

对于细粒土含水率的检测,烘干法获得的结果较为准确,但因其耗时较长而不能满足快速填筑施工的要求。微波炉法获取结果快速,但其影响因素较多,若参数组合选择不合适,则其准确性较烘干法差。本次研究通过正交试验找出了使用微波炉法检测细粒土含水率的影响因素及影响的主次关系,为微波炉法检测含水率的参数选择提供了有力依据。微波炉法的使用解决了烘干法耗时长,酒精燃烧法不经济、环保数值偏高、存在安全隐患的问题。优化参数组合后的微波炉法在保证检测结果准确性的同时缩短了细粒土填筑施工检测周期,提高了施工效率,所取得的经验可为类似工程参考。