摘 要：毛里求斯ARNAUD（阿諾德）土壩項(xiàng)目位于毛里求斯中部，壩體為均質(zhì)土壩，對壓實(shí)度和含水率要求高。由于施工現(xiàn)場降雨頻繁，項(xiàng)目工期緊，填筑要求高，工程師要求嚴(yán)格，根據(jù)招標(biāo)文件技術(shù)規(guī)范，試驗(yàn)檢測采用美國標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）為主，英國標(biāo)準(zhǔn)（BS）為輔，因此探討在美標(biāo)及英標(biāo)條件下土壩填筑的壓實(shí)度及含水率檢測，對于指導(dǎo)土壩填筑施工具有較大的意義，同時(shí)也希望能為同行提供參考。

關(guān)鍵詞：土壩；壓實(shí)度；含水率，美標(biāo)（ASTM）

1 概況

毛里求斯共和國為非洲東部一島國，位于印度洋西南方，作為火山島國，毛里求斯四周被珊瑚礁環(huán)繞，島上地貌千姿百態(tài)，沿海是狹窄平原，中部是高原山地，有多座山脈和孤立的山峰。截至2013年，毛里求斯是非洲三個(gè)被人類發(fā)展指數(shù)被評為“高”級別的國家之一。是準(zhǔn)高端的國際市場。

ARNAUD項(xiàng)目位于毛里求斯中部，工程項(xiàng)目主要包括： ARNAUD 土壩（大壩開挖與填筑、帷幕灌漿和監(jiān)測儀器等）、引水進(jìn)Mare Aux Vacoas（MAV）的新建明渠、泵站、Pradier渠道升級和Tatamaka 支渠升級改造等，項(xiàng)目所在區(qū)域從12月中旬至次年5月為主雨期，收海洋性氣候的影響，全年下雨特別頻繁。土壩填筑是本項(xiàng)目的關(guān)鍵，也是本工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

在填筑過程中，土料借土場距離填筑現(xiàn)場約為25km，借土區(qū)域降雨量也較大，料場開挖深度為3m，所取的土樣需在借土場進(jìn)行晾曬，此時(shí)需對土樣含水率進(jìn)行快速控制，目的是送至填筑現(xiàn)場的土樣能有較為合適的含水率，以利于壓實(shí)。項(xiàng)目中后期時(shí)由于料場降雨過于頻繁，在毛里求斯島北部又設(shè)置一處晾曬場地，由于島國海洋氣候原因，此處降雨量大大減少，仍然需要在料場進(jìn)行含水率檢測，避免土樣過于干燥，導(dǎo)致無法壓實(shí)。為此，需對填筑過程中的含水率及壓實(shí)度檢測方法進(jìn)行具體的研究，選取合適的方法，從而快速，準(zhǔn)確的檢測填筑過程中的含水率及壓實(shí)度，對于加快填筑速度，降低施工成本，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

2 土壩填筑的技術(shù)指標(biāo)

本項(xiàng)目壩體為均質(zhì)土壩，設(shè)計(jì)土壩長220m，高18m。根據(jù)招標(biāo)規(guī)范要求，土壩填筑現(xiàn)場控制檢測主要包含壓實(shí)度檢測和含水率檢測，在工程師的見證下按照技術(shù)規(guī)范要求的頻率進(jìn)行檢測，主要技術(shù)指標(biāo)為：土料塑形指數(shù)（PI）大于12，液限為53，塑限為39，壓實(shí)度要求為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)值的（MDD）98%，含水率為最優(yōu)含水率（OMC）的-1%至+2%。較中國規(guī)范的同等級土壩要求高。

3 填筑土料含水量控制

由于料場土料含水量不均且大壩所在區(qū)域經(jīng)常性下雨，導(dǎo)致本項(xiàng)目土料的含水率控制成為大壩填筑中關(guān)鍵控制項(xiàng)，因而，找出快速控制含水率的檢測方法尤為重要。

本項(xiàng)目的技術(shù)規(guī)范對填筑時(shí)土料的含水率要求嚴(yán)格，同時(shí)大壩施工現(xiàn)場降雨較為頻繁，因此要求土料在曬料場即達(dá)到規(guī)定的含水率，同時(shí)對現(xiàn)場堆放的土料也要每日進(jìn)行檢測，避免在填筑現(xiàn)場出現(xiàn)大量的含水率過高或者過低的現(xiàn)象，因此需引入快速而準(zhǔn)確的檢測方法，再使用烘箱法對其進(jìn)行修正，用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工，經(jīng)過研究規(guī)范及比對，選取了ASTM D-4643的微波爐法用于現(xiàn)場施工。

3.1 微波爐法檢測含水率

美標(biāo)ASTM D-4643中提出可用微波爐進(jìn)行快速的含水率檢測，并給出相應(yīng)的操作規(guī)程。根據(jù)ASTM D-4643，微波爐檢測時(shí)第一次加熱時(shí)間為3min，之后每次為1min，至質(zhì)量變化很小時(shí)停止（小于0.1%），可認(rèn)為要求。微波爐法在使用時(shí)需采集一定數(shù)量的具有代表性的土樣，表1為ASTM D 4643內(nèi)土樣顆粒大小及取樣檢測重量之間的關(guān)系，由于在實(shí)際填筑過程當(dāng)中填筑的土料留在2.0mm篩網(wǎng)的百分比小于%，故每個(gè)樣本用于檢測的質(zhì)量為100g左右，檢測時(shí)間大約為25分鐘，質(zhì)量變化可滿足規(guī)范要求。

3.2 烘箱法與微波爐法的對比

2014年5月，項(xiàng)目部試驗(yàn)室會(huì)同監(jiān)理工程師在料場試驗(yàn)段進(jìn)行了烘箱法及微波爐法檢測含水率的對比，在同一地點(diǎn)不同深度平行取樣，分別在現(xiàn)場進(jìn)行微波爐法檢測及稱量后送至試驗(yàn)室進(jìn)行烘箱法檢測，檢測后對比結(jié)果見表1。

表1 烘箱法與微波爐法檢測含水率對比表

點(diǎn)號(hào) 取樣深度 微波爐檢測含水率（%） 烘箱檢測含水率（%） 差值（%） 備注

1 5cm 34.3 35.6 1.3

20cm 40.8 36.1 -4.7

2 5cm 35.3 35.4 0.1

20cm 36.0 36.2 0.2

3 5cm 34.8 34.6 -0.2

20cm 35.8 35.5 -0.3

4 5cm 33.4 33.8 0.4

20cm 34.2 34.5 0.3

5 5cm 34.8 34.5 -0.3

20cm 35.5 35.6 0.1

6 5cm 35.1 36.3 1.22

20cm 36.6 37.2 0.6

7 5cm 33.3 33.9 0.62

20cm 34.9 34.6 -0.32

8 5cm 31.6 32.1 0.47

20cm 33.8 35.6 1.76

9 5cm 33.7 34.2 0.5

20cm 34.7 35.7 0.95

微波爐及烘箱法線性關(guān)系見圖1：

結(jié)合表1及圖1可見，微波爐法檢測含水率及烘箱法具有良好的線性關(guān)系。在現(xiàn)場實(shí)際操作中，微波爐法可快速得出較為準(zhǔn)確的土樣含水率。

3.3 填筑前土料含水率控制方法

由于核子密度儀在檢測松土?xí)r存在較大額偏差，在曬料場和堆料場一℃即可進(jìn)行收集并運(yùn)送至大壩填筑現(xiàn)場，避免了依靠經(jīng)驗(yàn)控制含水率容易出現(xiàn)的偏差。

4 大壩填筑現(xiàn)場檢測

4.1 概述

根據(jù)規(guī)范要求，土壩填筑現(xiàn)場控制檢測主要包含壓實(shí)度檢測和含水率檢測。

4.2 現(xiàn)場密度檢測

現(xiàn)場密度檢測主要通過體積及質(zhì)量確定壓實(shí)后密度及含水率，最終確定干密度。檢測方法有直接檢測法及非直接檢測法。直接檢測法通過確定填筑面上開挖小洞所移除的土料質(zhì)量及洞的體積確定濕密度，包含灌砂法及環(huán)刀法。通過在烘箱內(nèi)110±5℃條件下加熱，之后通過檢測干土的質(zhì)量確定水分損失，可以得出含水率。非直接法通過檢測土樣中某種物質(zhì)的含量，通過一定的關(guān)系計(jì)算出土料的密度或者含水率，主要指核子密度儀法進(jìn)行檢測。

4.2.1 灌砂法

灌砂法采用的本地通用英國標(biāo)準(zhǔn)（BS1377-9）灌砂桶，檢測深度小于150mm時(shí)，使用灌砂桶直徑為100mm，檢測深度大于150mm小于250m時(shí)，使用灌砂桶直徑為200mm；在檢測度時(shí)此法應(yīng)用最為廣泛，結(jié)果可靠，因此作為其他檢測方式的基準(zhǔn)， 用以校核標(biāo)定其他檢測方式。

4.2.2 環(huán)刀法

根據(jù)ASTM D-2937，環(huán)刀法可用于確定建筑物回填、公路填筑及土壩填筑現(xiàn)場壓實(shí)后密度，所檢測土樣最大粒徑為4.75mm，當(dāng)此法用于控制性試驗(yàn)時(shí)，所用環(huán)刀體積不能小于850cm3，典型的環(huán)刀外徑為101mm，內(nèi)徑為97mm，高度為127mm。

現(xiàn)場使用時(shí)，先清除壓實(shí)土表面松土，獲得平整的基礎(chǔ)面，把環(huán)刀和堵頭組裝好放置于土樣上面，均勻的擊打環(huán)刀堵頭，根據(jù)規(guī)范要求直至環(huán)刀上緣低于檢測面13mm，若環(huán)刀進(jìn)入過深，會(huì)導(dǎo)致環(huán)刀內(nèi)土樣的變形或者擠壓，從而導(dǎo)致結(jié)果偏差。環(huán)刀進(jìn)入一定深度之后，使用小鏟或者其他工具挖出環(huán)刀，使用刮土刀修整兩側(cè)土樣，一個(gè)良好的樣本內(nèi)不應(yīng)該包含石頭、植物根系或者其他材料。通過稱量環(huán)刀凈重及環(huán)刀與土樣總重，已知環(huán)刀體積，即可得到土樣濕密度。

4.2.3 核子密度儀法

（1）本項(xiàng)目采用美國Troxler生產(chǎn)的3440型核子密度濕度儀（簡稱核子密度儀），用來測量泥土、泥石聚集物、水泥和瀝青地基、瀝青表面等的濕度、密度和壓實(shí)度。

Troxler 3440 核子密度儀內(nèi)置有兩種放射性物質(zhì)，其中銫-137（cesium-137）位于探測桿端部，產(chǎn)生伽瑪射線（Gamma emission）， 用于檢測壓實(shí)度。檢測是共有兩種檢測模式：直射法與反射法，其中用于土壩填筑時(shí)許采用直射法。

采用直射法檢測時(shí)，含有銫-137放射源的探桿降低到要求深度，會(huì)產(chǎn)生伽瑪粒子，核子密度儀底板的探測器檢測放射強(qiáng)度。伽瑪粒子到達(dá)探測器前必須經(jīng)過需檢測材料，大量伽瑪粒子會(huì)與需檢測物質(zhì)內(nèi)電子碰撞并消失，探測器可以檢測消失的粒子數(shù)量并據(jù)此計(jì)算出需檢測材料的壓實(shí)度。簡而言之，到達(dá)探測器的粒子數(shù)量越少，則材料的壓實(shí)度越高。由于所有到達(dá)探測器的粒子都來自于探桿端部放射源且全部穿過檢測物質(zhì)，因此所得到的密度就是探測器表面與探桿端部放射源之間的平均密度。

（2） 濕度檢測Troxler 3440型核子密度儀采用40毫居里（mCi）镅241放射源，向土壤等被測材料放射高能中子射線，高能中子與氫原子碰撞后，迅速失去能量而變成低能中子，而其它任何種類的原子都不能象氫原子那樣顯著減少高能中子的能量。被測材料中的濕度越高，水分含量就越高，氫原子就越多，當(dāng)中子射線穿過時(shí)，將產(chǎn)生更多的低能中子；同樣的原因，當(dāng)被測材料較干時(shí)，產(chǎn)生的低能中子數(shù)目就較少。Troxler儀器中內(nèi)置的氦-3管對低能中子非常敏感而對高能中子不敏感。低能中子計(jì)數(shù)越高，表示被測材料的濕度越高；反之，低能中子計(jì)數(shù)越低，表示濕度越低。核子儀測量的是地表到地表以下10公分的材料的平均含水率。核子儀在進(jìn)行密度和水分測量時(shí)，分別使用不同的放射源，不同的射線接受器，不同的數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)，所以密度和水分兩個(gè)檢測系統(tǒng)相互獨(dú)立，其檢測數(shù)據(jù)也互不影響。

（3）因?yàn)榉派湓磿?huì)衰變，為確認(rèn)工作正常，每日應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)。把參考件數(shù)放在干燥，平坦的表面上，至少離任何建筑物或結(jié)構(gòu)2 米（6 尺），離任何其他放射源10米（30尺）。儀器放在參考件上，需保證參考件頂和儀器都清潔干凈、平滑沒有泥巴和任何其他物質(zhì)妨礙良好的面對面接觸，使儀器處于安全模式，即可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)。

儀器將自動(dòng)地將這次新計(jì)數(shù)值和過去最后4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)的平均值進(jìn)行比較，如果不超過（或不小于）濕度平均值的2%并（或）密度平均值的 1%，此新計(jì)數(shù)值將視為合格。在獲取計(jì)數(shù)值之后，需把標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)登記記錄。

4.2.4 環(huán)刀法與灌砂法的比較及核子密度儀與灌砂法對比試驗(yàn)

（1）環(huán)刀法與灌砂法的比較。為了獲得環(huán)刀法與灌砂法之間濕密度的關(guān)系，項(xiàng)目部試驗(yàn)室在監(jiān)理工程師的見證下進(jìn)行了兩種方法的對比試驗(yàn)。灌砂法采用直徑100mm灌砂桶，檢測深度為150mm，環(huán)刀采用符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀，外徑102mm，高度127mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.

表 2 環(huán)刀法與灌砂法濕密度比較

點(diǎn)號(hào) 濕密度（Kg/m3）

環(huán)刀法 灌砂法 備注

1 1886 1895 9

2 1919 1909 10

3 1852 1867 12

4 1883 1875 8

5 1895 1839 56

6 1903 1887 16

通過實(shí)驗(yàn)對比，找出濕密度線性關(guān)系，見圖2。

圖2可見環(huán)刀法及灌沙法試驗(yàn)結(jié)果比較接近，兩種方法得到的均為現(xiàn)場實(shí)際濕密度，都可用于現(xiàn)場填筑壓實(shí)度控制，但環(huán)刀法檢測更加快捷，在土壩回填時(shí)，常使用環(huán)刀法可以快速得出碾壓后土樣的濕密度，比灌砂法節(jié)約大量時(shí)間。

（2） 核子密度儀與灌砂法對比試驗(yàn)。由美國工兵工程規(guī)范COE： EM_1110-2-1911 Construction Control for Earth and Rock-Fill Dams，核子密度儀在檢測含水率高于40%的土樣時(shí)出現(xiàn)非線性結(jié)果，因此在使用時(shí)需采取傳統(tǒng)的方式對密度及含水率進(jìn)行對比試驗(yàn)，修正核子密度儀的結(jié)果。

同時(shí)，根據(jù)本項(xiàng)目技術(shù)規(guī)范，在使用核子密度儀前需對核子密度儀與灌砂法進(jìn)行對比試驗(yàn)，對比需每月進(jìn)行一次。本工程在土方回填段進(jìn)行對比試驗(yàn)，每個(gè)月進(jìn)行一次比對試驗(yàn)，用以修整核子密度儀結(jié)果。在每次對比試驗(yàn)室選取已壓實(shí)土壩填筑面，至少取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行灌砂法檢測，根據(jù)對比試驗(yàn)結(jié)果建立回歸方程，并對核子密度儀的檢測結(jié)果進(jìn)行修正。

Y=a+bX（式中a、b為回歸系數(shù)）

其中假設(shè)Y值為灌砂法實(shí)測結(jié)果，X為核子密度儀檢測結(jié)果。現(xiàn)以2014年5月份在壩面實(shí)測結(jié)果建立一元線性方程，其中土樣最大干密度為1381g/m3，最佳含水量為36.3%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)對比，得出壓實(shí)度線性方程為：y = 0.8992x + 108.09，相關(guān)系數(shù)為R2=0.87。根據(jù)以上結(jié)果，說明Troxler 3440壓實(shí)度相關(guān)性接近于0.9，可以用于本項(xiàng)目試驗(yàn)檢測。同時(shí)在進(jìn)行土方檢測以及瀝青檢測（反射法）同樣進(jìn)行對比試驗(yàn)，土方與碎石一樣采用灌砂法檢測檢測結(jié)果對比，瀝青進(jìn)行對比試驗(yàn)時(shí)采用鉆芯法檢測實(shí)際壓實(shí)度，即可得出相應(yīng)的線性方程以及相關(guān)系數(shù)。

實(shí)際施工過程中，大壩分層填筑碾壓完成后，現(xiàn)場采用核子密度儀對其進(jìn)行壓實(shí)度檢測。并按照要求，定期進(jìn)行對比試驗(yàn)，對核子密度儀進(jìn)行修正。

4.3 含水率的控制和檢測

由于本項(xiàng)目的特殊性，為了確保填筑料的含水率在可控范圍內(nèi)，往往在曬料場要求含水率低于要求的含水率，現(xiàn)場需要安裝一個(gè)帶有水表的灑水系統(tǒng)用于現(xiàn)場含水的控制，當(dāng)開始攤鋪下一層時(shí)，在接觸面輕輕的均勻的碰灑少量的水；隨著土料的攤鋪，一般在整個(gè)工作面取8個(gè)土樣，用于含水的測定。當(dāng)所測含水低于最優(yōu)含水的界定范圍時(shí)，通過計(jì)算來確定現(xiàn)場所需加水量，公式如下：

Mw=M/（1+0.01W1）*0.01（W-W1）

式中：W為OMC；W1為現(xiàn)場實(shí)測含水；M為濕土重量；Mw為所需加水量。

確定所需加水量之后，在其表層均勻的噴灑定量的含水，待其沉浸30分鐘。使用圓盤耙使其拌合均勻。之后開始按照碾壓參數(shù)（一遍靜碾，五遍振動(dòng)）對其進(jìn)行碾壓，最終使用用灌砂法修訂過的核子密度儀來檢測其含水和壓實(shí)度，用來確保工程的質(zhì)量。

實(shí)際施工過程中，當(dāng)大壩分層填筑碾壓完成后，現(xiàn)場采用核子密度儀對其進(jìn)行含水率檢測。

5 結(jié)束語

在土壩填筑時(shí)，同時(shí)涉及到含水率及壓實(shí)度的檢測。為了方便快捷的檢測碾壓效果，引進(jìn)核子密度儀進(jìn)行檢測，然而核子密度儀屬于非直接法檢測，在使用前需進(jìn)行與傳統(tǒng)的灌砂法或者環(huán)刀法進(jìn)行比對試驗(yàn)，找出其中的關(guān)系，對偏差進(jìn)行修正之后可用于控制性試驗(yàn)。

對含水率進(jìn)行檢測時(shí)，傳統(tǒng)的烘箱法最為準(zhǔn)確然而耗時(shí)最長，因此引入美標(biāo)規(guī)范中的微波爐法進(jìn)行快速檢測，此法可用于料場含水率控制，在檢測時(shí)料場主管及現(xiàn)場填筑技術(shù)人員均可參與，使之對土料含水率有更加直觀的認(rèn)識(shí)，有利于加快現(xiàn)場施工進(jìn)度。

參考文獻(xiàn)：

[1]ASTM D 6938-08 Standard Test Method for Density of Soil and Soil-Aggregate in Place by Nuclear Methods （Shallow Depth）[S].

[2]ASTM D 7759-12 Standard Guide for Nuclear Surface Moisture and Density Gauge Calibration[S].

作者簡介：張波，男，貴州印江人，高級工程師，長期從事水利水電工程施工技術(shù)和管理。