李洪周,黃成友,王 宣

(1.中國(guó)十九冶集團(tuán)有限公司 ，四川成都610031;2.中冶交通工程技術(shù)有限公司，北京100028)

1 工程概況及特點(diǎn)

1.1 工程概況

MR125公路為納米比亞公路局投資升級(jí)瀝青道路，總長(zhǎng)208 km,分兩期組織實(shí)施。一期長(zhǎng)115.2 km，有179座涵洞，自KONGOLA至LINANTI；二期長(zhǎng)92.8 km，有82座涵洞，自L(fǎng)INANTI至KATIMA,連接B8公路。公路位于南非高原西部納米比亞境內(nèi)，北至贊比亞，處于熱帶旱季地區(qū)，早晚溫差較大。填筑料土質(zhì)類(lèi)型：低塑性或無(wú)塑性的砂類(lèi)土。以填筑路基為主，少量需挖方。填筑料來(lái)源于周邊50多處取土場(chǎng)，需采用推土機(jī)及挖掘機(jī)剝離后挖運(yùn)至路基進(jìn)行填筑。主要檢測(cè)試驗(yàn)有土工試驗(yàn)、混凝土抗壓試驗(yàn)、集料試驗(yàn)等。

1.2 工程特點(diǎn)

(1)MR125公路工程路線(xiàn)長(zhǎng)、工期短，地方道路法對(duì)填筑壓實(shí)度要求較高，路基填筑質(zhì)量嚴(yán)格執(zhí)行南非COLTO標(biāo)準(zhǔn)。MR125公路工程路基填筑要求詳見(jiàn)表1。

表1 物料及壓實(shí)度要求

(2)本工程填筑料土質(zhì)類(lèi)型屬于低塑性或無(wú)塑性的砂類(lèi)土。主要土工試驗(yàn)分室外和室內(nèi)，室外：現(xiàn)場(chǎng)密度及濕度檢測(cè)，動(dòng)態(tài)圓錐貫入檢測(cè)；室內(nèi)：土類(lèi)篩分及液塑性指數(shù)、線(xiàn)性收縮，取土坑及填筑段的填料做擊實(shí)試驗(yàn)確定最大干密度及最佳含水率，CBR值確定土的性質(zhì)。

(3)根據(jù)納米比亞MR125公路施工法：本項(xiàng)目填方路基現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)采用核子密度儀，因此及時(shí)掌控路基填筑料的壓實(shí)情況有利于提高施工進(jìn)度。試驗(yàn)規(guī)程遵從《南非試驗(yàn)規(guī)程》及南非COLTO標(biāo)準(zhǔn)。

2 最大密度干密度及最佳含水量的確定

在壓實(shí)過(guò)程中,土顆粒間的引力和斥力的相對(duì)大小決定了壓實(shí)土的結(jié)構(gòu)。當(dāng)土樣的含水量較小時(shí),土粒間引力較大,在一定的外部壓實(shí)功能作用下,還不能有效地克服引力而使土顆粒相對(duì)移動(dòng),這時(shí)壓實(shí)效果較差;增大含水量后,結(jié)合水膜逐漸增厚,引力減小,土顆粒在相同功能條件下易于移動(dòng)而擠密,所以壓實(shí)效果較好;當(dāng)含水量增大到一定程度后,孔隙中已出現(xiàn)了自由水,結(jié)合水膜的擴(kuò)大作用不再顯著,因而引力的減少也不是十分顯著,同時(shí)自由水填充在孔隙中阻止土顆粒移動(dòng)的作用卻隨著含水量的增加而漸漸顯著起來(lái),所以此時(shí)壓實(shí)效果反而下降。所以,通過(guò)檢測(cè)土壤的干密度能有效評(píng)判路基壓實(shí)度的質(zhì)量。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)密度(最大干密度)和最佳含水量的確定方法

由于筑路材料結(jié)構(gòu)層次等因素的不同,確定室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)密度的方法也多樣化,有些方法需在實(shí)踐中進(jìn)一步完善。最大干密度是指通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，利用雙曲線(xiàn)圖確定最大干密度值,該值對(duì)應(yīng)的含水量即為最佳含水量。

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)定義

(1)最大密度：特定壓實(shí)作用力下，材料的最大密度是在不同含水量水平下進(jìn)行壓實(shí)后取得的最高密度。

(2)最佳含水量：特定壓實(shí)作用力下，材料的最佳含水量系指獲得最大密度條件下的含水量。

2.1.2 試驗(yàn)主要儀器

(1)一個(gè)直徑為152.4±0.5 mm的模子，152.4±1 mm高，配有可拆卸軸環(huán)、底板及一塊25.4±1 mm厚的隔板。按規(guī)定，將隔板放入模具后，模子的有效深度應(yīng)為127±1 mm。隔板應(yīng)牢牢固定在底板上。壓實(shí)底板應(yīng)用螺栓固定在一塊至少150 mm厚、200 kg重的混凝土砌塊上。

(2)一只4.536 kg±20 g搗錘，表面直徑為50.8±1.0 mm，帶一個(gè)護(hù)套，下落距離為457.2±2 mm。

(3)鋼尺一把(約300 mm長(zhǎng)),沉砂槽一個(gè), 稱(chēng)重15 kg的天平一臺(tái),稱(chēng)重2 kg的天平一臺(tái)，精確至0.1 g。

(4)一個(gè)鋼制搗固機(jī)或一個(gè)小型試驗(yàn)室粉碎機(jī)。篩網(wǎng)：19.0 mm及4.75 mm，符合SABS197的規(guī)定。

(5)鐵研缽及研杵一套，橡膠嘴杵一只，抹刀一把。

(6)1 000 g材料以測(cè)定含水量的適宜容器。

(7)恒溫控制的干燥爐一臺(tái)，能將溫度保持在105～110℃。

(8)量筒，容量分別為1 000 ml和500 ml，噴水器或?yàn)⑺饕粋€(gè)，周長(zhǎng)150 mm的濾紙。

(9)一部樣品擠壓機(jī)，適用于將壓實(shí)試樣從模具內(nèi)壓出的千斤頂、杠桿、框架或其他裝置(可選擇)。

2.1.3 試驗(yàn)步驟

(1) 樣品制備:足量風(fēng)干樣本用一個(gè)19.0 mm的篩子篩分。留在19.0 mm篩上的集料用一個(gè)鋼制搗固機(jī)(或試驗(yàn)室粉碎機(jī))輕輕碾碎以通過(guò)一個(gè)19.0 mm的篩子后再加進(jìn)已過(guò)篩的部分。應(yīng)注意不要將集料過(guò)度粉碎。如果材料含有土壤集料，則集料應(yīng)采用一套研缽和研杵盡可能的碾細(xì)。

(2)四分法:每一份再分成四份，以獲得五盆完全相似的材料。最好是用一個(gè)沉砂槽將樣本分成16等份，用其中三份(即樣本的3/16)來(lái)確定濕度—密度關(guān)系曲線(xiàn)上的一點(diǎn)。多余的一份可以丟棄。五個(gè)盆子中的材料質(zhì)量都應(yīng)在6～7 kg之間，質(zhì)量較大的應(yīng)用于相對(duì)密度較高的材料。為了方便起見(jiàn)，五個(gè)盆子中的質(zhì)量應(yīng)相等。

(3)攪拌(均勻配制):測(cè)量每個(gè)盆子中的樣本，精確度達(dá)到5 g，然后轉(zhuǎn)移到混合盆中。噴水器或?yàn)⑺髦屑尤胍欢w積的水，然后緩慢加入盆中的材料中。加水時(shí)，應(yīng)用鏟子不斷攪拌材料，加水直至操作員認(rèn)為達(dá)到最佳含水量，應(yīng)持續(xù)攪拌濕料長(zhǎng)達(dá)幾分鐘。測(cè)量噴水器或?yàn)⑺髦惺Ｓ嗟乃恳郧蟮脤?shí)際添加的水量，此數(shù)量然后表達(dá)為風(fēng)干材料的一個(gè)百分比?，F(xiàn)在濕料應(yīng)覆蓋有防止蒸發(fā)的潮濕包層，并靜置半個(gè)小時(shí)，使水分均勻分布。靜止半個(gè)小時(shí)，可在水?dāng)嚢柽M(jìn)后立即開(kāi)始?jí)簩?shí)。

(4)擊實(shí)試驗(yàn):現(xiàn)在再次攪拌濕料，稱(chēng)出約1 000 g材料并轉(zhuǎn)移到模具里。通過(guò)壓實(shí)和輕微夯實(shí)，將土壤表層手工平整，并使用一個(gè)4.536 kg重的搗錘從457.2 mm處下落夯砸55次。夯砸應(yīng)均勻分布在整個(gè)層面，分五輪，每輪11次。每一輪夯砸中，八次砸在圓周外側(cè)，三次砸在中心周?chē)?。提升起搗錘后，操作員應(yīng)確保導(dǎo)鞘位于土壤上，而搗錘落下前位于鞘的正上方。搗錘的下落應(yīng)無(wú)任何外力作用。操作人員還應(yīng)注意搗錘的夯砸面保持清潔，且材料不會(huì)結(jié)成塊粘在夯砸面上。夯砸過(guò)第一層后，測(cè)量模具頂部下的夯砸材料表層深度，不含軸環(huán)，該深度應(yīng)在96 mm～99 mm之間。如果深度不正確，下一層稱(chēng)出的濕料的質(zhì)量應(yīng)適當(dāng)增加或減少。應(yīng)按照完全相同的方式再夯砸四層材料，每層厚度應(yīng)稍微超出25 mm，但不得超過(guò)30 mm。模具頂部到壓實(shí)層表面的深度最好應(yīng)在下列范圍之間：第一層：96～99 mm；第二層：68～71 mm；第三層：43～46 mm；第四層：15～20 mm。

壓實(shí)第五層后，材料表面應(yīng)高于模具頂部以上5～15 mm，不含軸環(huán)，人工再用抹刀抹平。

(5)烘干法確定含水量:壓實(shí)第二層后，從盆子的材料中取出一份具有代表性的樣本，置于一個(gè)合適的容器內(nèi)以測(cè)定其含水量。樣品應(yīng)在500～1 000 g之間。材料越粗糙，樣品越大。濕樣本應(yīng)立刻稱(chēng)重，精確度達(dá)0.1 g，然后在105～110℃的干燥箱中烘干至恒定質(zhì)量。測(cè)定的含水量精確到0.1 %。結(jié)果記錄在表格A7/1上或類(lèi)似表格中。

(6)確定濕度—密度關(guān)系曲線(xiàn)的其他點(diǎn):上文說(shuō)明的是對(duì)濕度—密度關(guān)系曲線(xiàn)上一點(diǎn)的確定，但仍需獲得其他幾點(diǎn)。因此，需對(duì)其它四個(gè)盆子中制備好的材料(不同含水量)實(shí)施上述操作。第二次壓實(shí)后，用一個(gè)假設(shè)含水量來(lái)計(jì)算兩次壓實(shí)的近似干密度，該假設(shè)含水量是所加水分的百分比加上風(fēng)干樣本的估計(jì)含水量。按假設(shè)含水量繪制近似干燥密度，則兩點(diǎn)的相對(duì)位置將表明第三點(diǎn)應(yīng)添加的水量。標(biāo)出第三點(diǎn)后，曲線(xiàn)形狀將表明剩余點(diǎn)的最佳含水量。如果可能，則應(yīng)在濕度—密度曲線(xiàn)任何一側(cè)的峰值處至少求得含水量相差1%的兩點(diǎn)，而最后一點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近峰值，除非之前已在該點(diǎn)附近求得一點(diǎn)。

2.1.4 計(jì)算

(1)計(jì)算公式。

式中:d為以干土百分比表示的含水量；a為容器及濕材料的質(zhì)量；b為容器及干材料的質(zhì)量；c為容器本身的質(zhì)量。

(2)按如下公式計(jì)算每一點(diǎn)的干密度，精確度達(dá) 1 kg/ m3。

式中:D為干密度(kg/m3)；W為濕材料質(zhì)量(g)；V為模具體積(ml)。

模具體積(V)是常量，上述公式可簡(jiǎn)化為下列公式：

式中:F(模具因子)=(100/V)×1 000。

2.1.5 濕度—密度關(guān)系

完成計(jì)算后，根據(jù)各干密度將含水量繪制成圖，曲線(xiàn)峰值表明材料在此壓實(shí)作用力下的最佳含水量和最大干密度(圖1)。

圖1 濕度—密度曲線(xiàn)

2.1.6 修正系數(shù)

(1)為了測(cè)定模具的容積，模具兩端及隔板周邊都涂抹潤(rùn)滑油，且模具、隔板及底板應(yīng)組裝在一起。模具和隔板之間可擠出的多余潤(rùn)滑脂應(yīng)進(jìn)行清除。為組裝好的模具和180 mm的方形玻璃板一起稱(chēng)重。往模具中灌滿(mǎn)水，輕輕的將玻璃板滑至模具頂部。在玻璃板完全蓋住模具前，用吸液管滴入水。玻璃板完全覆蓋容器時(shí)，玻璃下方不應(yīng)有氣泡。將盛水的模具和玻璃板一起稱(chēng)重，計(jì)算模具中水的質(zhì)量。此測(cè)定過(guò)程應(yīng)進(jìn)行至少兩次。測(cè)量水溫，并按照如下公式求得模具的容積(V)及因數(shù)(F)：

表2 溫度水的相對(duì)密度

(2)試驗(yàn)期間，應(yīng)盡最大可能維持下列變量不變：材料分級(jí)；水分的統(tǒng)一混合；壓實(shí)前的靜置時(shí)間；試驗(yàn)期間水分蒸發(fā)量；搗錘的下落高度；搗錘的自由下落；夯實(shí)的分布；連續(xù)層的厚度；最后一層超出模具頂部5～15 mm；完成頂部表面。

(3)雖然沒(méi)有必要每次試驗(yàn)都測(cè)定模具的容積和質(zhì)量，但應(yīng)定期對(duì)此進(jìn)行檢查。

3 現(xiàn)場(chǎng)密度試驗(yàn)檢測(cè)方法

現(xiàn)場(chǎng)密度檢測(cè)用核子濕度密度儀法： 核子法測(cè)定土壤和礫石內(nèi)部密度與含水量的試用方法。

定義：材料內(nèi)部的干密度即該材料每單位體積的干質(zhì)量(kg/m3)；內(nèi)部含水量(m/v)即材料每單位體積水的質(zhì)量(kg/m3)；本方法中的含水量適用本定義。

主要試驗(yàn)儀器：HS-5001核子密度儀。

3.1 檢測(cè)試驗(yàn)前檢查(參數(shù)修正)

將設(shè)備移入現(xiàn)場(chǎng)前，在主實(shí)驗(yàn)室預(yù)先選定的參考點(diǎn)檢查參考裝置上的設(shè)備。必須按制造商推薦的次數(shù)進(jìn)行參考標(biāo)準(zhǔn)的讀數(shù)。如果超出標(biāo)定范圍讀數(shù)數(shù)量超出了規(guī)定的數(shù)量，則再次進(jìn)行讀數(shù)。如果超出標(biāo)定范圍讀數(shù)數(shù)量仍超出了規(guī)定的數(shù)量，則應(yīng)將儀器退回制造商。

參考裝置的讀數(shù)記錄應(yīng)永久保存。

3.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

在現(xiàn)場(chǎng)選擇一個(gè)固定參考點(diǎn)，進(jìn)行兩次讀數(shù)，且讀數(shù)應(yīng)在制造商設(shè)定的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定范圍內(nèi)。如果一次讀數(shù)超出范圍，則必須進(jìn)行第二次讀數(shù)。如果第二次仍在范圍外，則必須選擇另一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)參考點(diǎn)。應(yīng)確保附近(至少10 m遠(yuǎn))沒(méi)有其他物體，如車(chē)輛、墻或其他核儀器等。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)路基的密度/含水量采用核子密度儀直接透射測(cè)量法。將鉆桿穿過(guò)底板引導(dǎo)物后鉆入地下，鉆入深度應(yīng)比欲測(cè)量深度至少深50 mm。取出鉆桿時(shí)注意不要破壞鉆洞。

(1)將儀器置于準(zhǔn)備好的測(cè)試點(diǎn)上，將直接透射探頭直接放于鉆孔上。

(2)將探頭降至孔中測(cè)量密度所需深度。

(3)為減小核源與檢測(cè)器間的氣隙，必須輕輕拉住測(cè)量器使之固定住探頭并防止探頭觸碰孔壁。

(4)然后進(jìn)行一次測(cè)量，取得讀數(shù)，保持中心位置不變，旋轉(zhuǎn)180°再進(jìn)行第二次測(cè)量，記錄讀數(shù)，再將儀器在原位轉(zhuǎn)90°測(cè)第三次，記錄讀數(shù)，然后將這三次讀數(shù)的平均值作為核子儀濕密度與含水量的測(cè)得值，計(jì)算干密度。

(5)在進(jìn)行密度計(jì)數(shù)讀數(shù)后，為避免損壞探頭，必須先將探頭收回，再將儀器移出測(cè)試點(diǎn)。

(6)儀器移出測(cè)試點(diǎn)后，及時(shí)對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行含水量測(cè)定取足夠的試樣，其結(jié)果與核子儀檢測(cè)的含水量比對(duì)。

4 壓實(shí)度確定

4.1 壓實(shí)度

是指土被壓實(shí)后的干容重與土的最大干密度之比。

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定填筑材料最大干密度Dmax,現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)核子儀確定土壓實(shí)后密度D。

壓實(shí)度=D/Dmax×100 %

4.2 壓實(shí)路段數(shù)據(jù)分析

(1)k5+150-k5+525路段Fill層壓實(shí)密度檢測(cè)，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)93 %(表3)。

表3 壓實(shí)密度檢測(cè)

(2)對(duì)K5+150-K5+525路段填料取樣，通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)求得該段填料最大干密度1 859 kg/ m3，最佳含水量11.1 %。

(3)壓實(shí)度結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 壓實(shí)度結(jié)果統(tǒng)計(jì)

(4)結(jié)論：K5+150-K5+525平均壓實(shí)度95.6 %，符合規(guī)范要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

路基壓實(shí)質(zhì)量是道路治理最重要的指標(biāo)之一,為保證路基、路面的強(qiáng)度,必須對(duì)路基路面結(jié)構(gòu)層進(jìn)行充分壓實(shí)。對(duì)瀝青道路來(lái)說(shuō),通過(guò)對(duì)路基土、路面基層材料最大干密度、最佳含水量及瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)密度的測(cè)定,根據(jù)道路特點(diǎn)實(shí)際需要,靈活運(yùn)用灌砂法、核子濕度密度儀法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)密度檢測(cè),獲得準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù),準(zhǔn)確評(píng)價(jià)道路路基壓實(shí)度的質(zhì)量,確保道路使用安全。

[1] 南非試驗(yàn)規(guī)程及南非COLTO標(biāo)準(zhǔn)[S]

[2] JTG E60-2008公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程[S]