李欣欣，王正君，莊晶晶

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

填方工程壓實指標(biāo)檢測技術(shù)的綜述

李欣欣，王正君，莊晶晶

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

填方工程是道路、橋梁、水利等工程的基礎(chǔ)，而填土的壓實指標(biāo)是保證質(zhì)量的關(guān)鍵，近年來各種工程對于填方工程質(zhì)量的要求也更加嚴(yán)格。目前壓實指標(biāo)的檢測有很多種方法，傳統(tǒng)的檢測方法大多都費時費力，而且有些方法的操作十分復(fù)雜容易精度不夠，遠遠滿足不了快速無損檢測的要求。本文從檢測方法的原理、適用范圍、優(yōu)缺點等方面將國內(nèi)外常用壓實指標(biāo)檢測技術(shù)加以分析與比較，對填方工程壓實指標(biāo)檢測的研究與發(fā)展具有重要意義。

壓實度 ；模量；無損檢測技術(shù)；壓實指標(biāo)

填方工程是道路、橋梁、水利等工程的基礎(chǔ)，而填土的壓實指標(biāo)是保證質(zhì)量的關(guān)鍵，目前填方工程壓實指標(biāo)的檢測和評定主要是采用破損法(環(huán)刀法、灌砂法及灌水法等)和非破損檢測法(目前主要是核子密度儀法)。破損法檢測速度慢，對工程有一定的破壞作用，如對檢測后的試坑處理不當(dāng)，則該處將成為填方工程的薄弱環(huán)節(jié)；核子密度儀法的使用過程比較復(fù)雜，價格較高，并且由于存在一定輻射危險，使得其應(yīng)用推廣受到一定的限制。因此，急需一種能夠無損、快速評定填方工程壓實指標(biāo)的檢測技術(shù)。

1 檢測方法分類與對比

1.1 破損檢測法

目前，施工過程中結(jié)構(gòu)層壓實質(zhì)量的破損檢測法主要包括環(huán)刀法、灌砂法及灌水法等。

環(huán)刀法是測定現(xiàn)場密度的傳統(tǒng)方法。由于環(huán)刀體積不大，用環(huán)刀法測定土的密度，在試驗時其數(shù)值很容易受到人為因素等情況影響。

灌砂法是當(dāng)前最常用的一種方法，我國規(guī)范中一直沿用灌砂法測壓實度以進行路基壓實質(zhì)量控制。灌砂法操作簡單，但相比環(huán)刀法，他的操作過程較復(fù)雜，需要攜帶大量的砂，而且需要頻繁稱量，因此試驗速度較慢。如果不掌握操作的細節(jié)，會使測試結(jié)果出現(xiàn)較大的錯誤，如標(biāo)準(zhǔn)砂要清潔干燥，均勻顆粒，并進行密度校準(zhǔn)；檢測現(xiàn)場表面應(yīng)該平整；從試洞中取出的土樣應(yīng)及時密封在塑料袋或容器內(nèi)。因此，在實際運行中，必須嚴(yán)格控制每一個操作步驟，以滿足項目質(zhì)量的準(zhǔn)確評估。

1.2 微破損或者半破損檢測法

動態(tài)圓錐貫入儀(DCP: Dynamic Cone Penetrometer)，是一種常用的動力觸探儀器，在巖土工程勘察中經(jīng)常用來確定地基承載力，評價土的密實度，以及作為鉆探設(shè)備在土洞勘察中應(yīng)用[1]。通常DCP完成一個測點的測試工作只需1～3 min的時間，具有快速方便的優(yōu)點[2-3]。

填土密實度檢測儀，在其他國家也被稱為"普氏貫入儀”， 主要用于檢測大面積填方工程碾壓后密實度和均勻性[4]。選取碾壓完的工作面，并在上面鉆一個孔，把儀器插入孔中，測試結(jié)果就可以顯示出來了。它的探測深度為30 cm，最適宜的情況是分層檢查分層碾壓的填土工程[5]。該儀器按結(jié)構(gòu)分為機械式和電子智能式兩種，其測試結(jié)果采用貫入度來反映。

綜上，采用環(huán)刀法時，由于環(huán)刀的體積比較小，會使得表面修正和土樣的稱重過程產(chǎn)生很大的誤差，而且環(huán)刀法在取土過程中很容易造成誤差。灌砂法是在路基試驗測量中最常見的一種方法，但是灌砂法也有一定的缺點，這些缺點主要表現(xiàn)在：操作過程和數(shù)據(jù)會受到人為因素的影響使測量的結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差。DCP通過建立捶擊數(shù)和密實度關(guān)系曲線，推定密實度，但檢測時受錘擊高度、不同人操作時錘擊力度等因素影響。填土密實度檢測儀在檢測時要求勻速貫入，操作時會較大程度影響測試精度。

以上均為采用破損法檢測結(jié)構(gòu)層壓實質(zhì)量，對結(jié)構(gòu)層均有一定的破壞作用，檢測點(試坑)如果處理不好將是該結(jié)構(gòu)層的薄弱環(huán)節(jié)，而且檢測時選取的點有限，代表性差。因此，該類檢測不能實現(xiàn)無損、快捷、精度高等要求，具有很大的局限性。

1.3 無損檢測法

1.3.1 彈性波檢測法

瑞雷面波法是瑞雷面波在傳播過程中遇到填土密度變化時, 就會出現(xiàn)頻散現(xiàn)象，在頻散曲線上出現(xiàn)速度突變，從而為路基壓實度的檢測提供了條件。由于用瑞雷波可反演橫波速度，而橫波速度與填土碾壓密實度之間存在對應(yīng)關(guān)系。瑞雷面波法有很多優(yōu)點，儀器輕便且易操作；對路面本身無損害，而且當(dāng)場即可顯示結(jié)果，更適合現(xiàn)場檢測。目前存在的問題是: 由于分層壓實引起上下土層密度不一致可能產(chǎn)生另一種表面波；不同的激振方式將產(chǎn)生不同的波速，不同的激振力會導(dǎo)致計時誤差；而且用于檢測波形的儀器價格也比較昂貴[6]。

1.3.2 放射性檢測法

核子密度濕度儀法是利用放射性元素測定填土層的密度和含水率，儀器的構(gòu)造見圖1。此種檢測方法方便快速，通常一個測定不到2 min即可測完,測試一人即可完成，有些進口儀器還可以儲存并打印測試結(jié)果。這種方法的缺點是放射性物質(zhì)對人體有害，而且放射源會發(fā)生衰變，影響核子密度儀的精度。為了防止核子密度濕度儀產(chǎn)生的輻射對人造成不良影響，核子密度濕度儀操作人員應(yīng)該距離該儀器2 m以外。而且該方法很容易受到周圍環(huán)境的影響，具有一定的局限性。

1.3.3 電磁波檢測法

土體密度儀是一種能夠反映填土的密度及含水率的儀器，其原理是通過電磁感應(yīng)場對材料基質(zhì)電化學(xué)阻抗的變化響應(yīng)來進行測試，達到實時無損填土密度檢測的目的[7]。在現(xiàn)場檢測時，一旦檢測出壓實度達不到要求，我們就可以利用施工機械仍在現(xiàn)場迅速彌補，這樣也就可以節(jié)省大量的人力和物力。土體密度儀的構(gòu)造見圖2。該儀器對直接檢測壓實土壤的壓實度與含水率, 提供了一種簡易、快速的測試方法。

圖1 核子密度儀

圖2 土體密度儀

1.3.4 瞬態(tài)類檢測法

土體剛度儀(Soil Stiffness Gauge)是一種手提式儀器，由美國研制開發(fā)。該儀器對直接檢測壓實土壤的兩種關(guān)鍵的工程力學(xué)性能—鋪層剛度和土壤模量，提供了一種簡易、快速、精確的測試方法，同時也提供了計算地基反力，CBR和土壤密度的一種替代方法[9]。它通過在土的表面施加一個恒定的振動力的方式，量測由此產(chǎn)生的變形[10]，動態(tài)地反映材料現(xiàn)場的工程特性。土壤剛度/模量測試儀在地面上測量材料的力學(xué)阻抗，以頻率的函數(shù)的形式測量得到土壤層的壓力和引起的表面彎沉。剛度、變形力等直接由材料的阻抗產(chǎn)生。儀器的構(gòu)造見圖3。儀器確定每個頻率下的剛度，顯示的是25個頻率下測得剛度值的平均值。整個過程大約需要1 min，在這些低頻段表面的阻抗由剛度控制，與土壤的剪切模量成比例。利用泊松比，可以的得到剪切模量[11]。由此可以看出它具有攜帶方便、測量快速、數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)點，且無核子輻射。其應(yīng)用范圍非常廣泛，其中包括石灰、水泥、粉塵及聚合物穩(wěn)定材料瀝青等。

圖3 土體剛度儀[8]

落錘式彎沉儀(FWD)的工作原理是通過計算機控制重錘提升然后下落,落錘對路面施加脈沖荷載,該荷載通過剛性圓盤作用到路面上,由位移傳感器可以測出由荷載產(chǎn)生的變形。我們還可以通過改變重錘的提升高度來改變荷載的大小[12]。FWD能很好地模擬交通荷載對路面的影響, 可以選擇很多測試點，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。落錘式彎沉儀的結(jié)構(gòu)如圖4。

便攜式落錘彎沉儀(Portable Falling Weight Deflecto-meter，簡稱 PFWD)，也可以叫做手提式落錘彎沉儀(LFWD)，其結(jié)構(gòu)如圖5。相對于落錘式彎沉儀來說，PFWD更加方便快捷，更具操作性。PFWD傳感器的精度也更高，因此測試結(jié)果準(zhǔn)確度也更加可靠。此方法的操作也很簡單，只需一人就可以完成。與傳統(tǒng)的貝克曼梁法相比，PFWD使用方便且快速。可以用于長距離連續(xù)的測定。此種方法現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于高鐵道床的壓實質(zhì)量檢測。

圖4 落錘式彎沉儀

圖5 落球式便攜剛性檢測儀

落球式便攜剛性檢測儀測試原理主要是基于Hertz沖擊理論，把球(剛性球體) 從一定高度自由落下，通過測試球體與測試對象的接觸時間，從而推定材料的力學(xué)特性，因此，這種技術(shù)也可稱為落球檢測技術(shù)[13]。通過測試得到接觸時間便可以求出變形模量。落球儀的一個明顯優(yōu)勢是可以利用測試得到的變形模量，推算機床系數(shù)和貝克曼彎沉。且其設(shè)備測試效率高，操作簡便。落球測試技術(shù)的測試深度范圍大致在10～30 cm，但其測試結(jié)果受黏性、應(yīng)變水平和荷載速度、粒徑等的影響。其適用于粉土、沙土、水泥土等，但是不適用于堆石的檢驗。

壓實計法，壓實計主要分三個部分，傳感器、信號處理器和指示儀表，在振動碾的振動軸上安裝傳感器，在駕駛臺安裝指示儀表，通過測量振動碾的運動情況，壓實計能夠監(jiān)測工作面的壓實程度。壓實計值( Compaction Meter Value，簡稱CMV)。

(1)

式中：CMV為壓實計值；A1(F1)為動態(tài)響應(yīng)信號的一次諧波分量；A0(F0)為動態(tài)響應(yīng)信號的基頻分量。

隨著碾壓遍數(shù)的增加，壓實度也會發(fā)生變化，同時CMV也隨之改變。

當(dāng)以壓實度計作為質(zhì)量檢測的主要手段時，通過碾壓試驗確定壓實參數(shù)是非常重要的。碾壓試驗最好在施工作業(yè)區(qū)進行。首先確定鋪料厚度；其次，振動碾在碾壓的過程中要保持行進速度恒定。試驗時應(yīng)在試驗區(qū)先碾壓幾遍，以保證表面平整。要盡可能多地讀取數(shù)據(jù)，每次碾壓完成，根據(jù)要求取樣，反復(fù)校核壓實計讀數(shù)，并對其聯(lián)系進行仔細的分析。當(dāng)壓實計讀數(shù)不再隨碾壓遍數(shù)增加或增加很小時，碾壓即可結(jié)束。要注意的是：必須采用分道碾壓，各道之間搭接10～20 cm為宜，不能采用錯距法[14]。

綜上分析：核子密度儀法具有一定的輻射危險，采用透射法也具有一定破損性；探地雷達法對測試結(jié)構(gòu)層厚度及內(nèi)部缺陷效果較好，由于其對含水率的影響比較敏感(測試原理涉及到介電常數(shù))，壓實度測試效果不好，并且價格較高；瑞雷面波法測試時需要布置大量的測點進行對比分析，測試速度慢； PFWD法在測量剛性半剛性材料時經(jīng)常會產(chǎn)生跳板現(xiàn)象，因此在測定時會影響其精確度，但與FWD法相比卻有著明顯的優(yōu)越性；FBT測試法雖然測量過程方便快速，且對剛性半剛性材料的測試準(zhǔn)確度高，但是對于壓實質(zhì)量不好的測點，其精度卻不如PFWD法的測量值。

2 壓實指標(biāo)檢測技術(shù)應(yīng)用

壓實度的檢測有很多種方法，而每種方法都有其適用和不適用的范圍，以上提及方法的適用范圍見表1，通過對于各種方法的比較，可以更好的選擇檢測方法，從而提高檢測準(zhǔn)確度。

表1 現(xiàn)場密度檢測方法適用范圍比較

3 檢測指標(biāo)

壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)可分為物理指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)。

物理指標(biāo)主要包括壓實度，相對密度、孔隙比率、含氣量等。而其中壓實度是使用最為廣泛的物理指標(biāo)。在以上提及的方法中，除SDG在測量之后可以直接讀取壓實度的值外，大部分的檢測方法都是以測量土體密度為目的，從而間接的計算得出壓實度的值。例如，直達波法主要是通過建立一種波速與干密度的相關(guān)關(guān)系來推測出壓實度。壓實計則是由壓實計值判斷壓實度。普式貫入儀測量的是其貫入度，瞬態(tài)瑞雷面波測量的是瑞雷波速，核子密度儀測量的則是濕密度、干密度及含水量。通過對各種方法的比較與分析發(fā)現(xiàn)，雖然有些指標(biāo)是間接的，但其在在工程上也具有重要的意義。而根據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SD 128-84)，密度試驗都是以環(huán)刀法和灌砂法為規(guī)范。

力學(xué)指標(biāo)主要是指變形模量、地基系數(shù)K30、動彈性模量，及承載比等。其中地基系數(shù)K30最早是在日本應(yīng)用，我國是從大秦線施工中才開始以K30作為一項壓實質(zhì)量評價指標(biāo)。

變形模量Ev1與Ev2是通過一次加載和二次加載測得的變形模量，常用平板荷載試驗作為檢測裝置[18]。

1997年2月德國頒布實施了《德國鐵路建設(shè)中輕型落錘儀的使用規(guī)定》(NGT39)，該標(biāo)準(zhǔn)中表明了動態(tài)變形模量是一項可行的路基壓實標(biāo)準(zhǔn)，已成為路基等填方工程檢測技術(shù)的發(fā)展方向。如今中國也將動態(tài)變形模量正式加入到《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB 10102-2004)中。

PFWD法與落球法雖然原理不相同，但都可以得出彎沉值與動彈性模量，落球法甚至還可以推算出地基系數(shù)。傳統(tǒng)檢測彎沉的方法為貝克曼梁法，貝克曼梁法作為工程上的標(biāo)準(zhǔn)，而其操作過程并不簡易，其梁也非常長，因此容易產(chǎn)生誤差。而壓實度對于碎石土不具任何意義，在施工中經(jīng)常采用沉降值作為檢測指標(biāo)。

土體剛度也同樣可以作為壓實指標(biāo)，由于壓實的目的是穩(wěn)固土壤并提高其工程性質(zhì)，所以，最想得到的是其工程特性即土的彈性模量和覆蓋層剛度，而不僅僅是干密度和含水量。這一點在土方工程施工中應(yīng)該記住[19-20]。

為了尋求更加快速、直接、無損檢測填方工程壓實指標(biāo)的方法，我們還需進行大量的試驗與數(shù)據(jù)分析，從而實現(xiàn)填方工程壓實指標(biāo)快速檢測技術(shù)。

4 結(jié) 論

在填方的工程中,壓實度的檢測有很多種方法，而掌握每種測定方法的優(yōu)缺點、適用范圍、操作步驟，針對不同的材料，切合實際的采用相應(yīng)的方法才能掌握材料的實際壓實效果。 填土壓實質(zhì)量檢測結(jié)果能反映工程的真實情況, 為施工過程控制以及竣工后壓實質(zhì)量的檢測提供很好的解決方案和可靠的依據(jù)。運用壓實質(zhì)量檢測技術(shù)不僅可以避免不必要的重復(fù)勞動, 還可以節(jié)約工程造價, 保證工程質(zhì)量。隨著科學(xué)的發(fā)展與技術(shù)的不斷創(chuàng)新，它的進步和發(fā)展將具有更為重要的理論意義和工程實用價值。

[1] 孫兆云, 程祥俊. DCP與FWD在路用性能評價中的相關(guān)性研究[J]. 山東交通科技, 2013(4): 36-38.

[2] 查旭東, 劉國才, 楊博. DCP快速檢測土體壓實性能的室內(nèi)試驗[J]. 長沙理工大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2012, 9(1): 12-16.

[3] 黑軍, 霍建濤, 賴東波. 貫入儀在黃河堤防工程壓實度檢測中的應(yīng)用[J]. 中國水利, 2008(22): 72-73.

[4] 王峰，程培峰. 密實度檢測儀在粉砂土路基壓實度檢測中的應(yīng)用[J]. 中外公路，2015,35(6):18-22

[5] 魏雅光, 周君撫, 阮江勝, 等. 普氏貫入儀在堤防加固工程中的應(yīng)用[J]. 治淮, 2001(6): 22-23.

[6] 席紅媛, 齊廣超, 齊月華. 淺析路基壓實質(zhì)量檢測技術(shù)[J]. 交通標(biāo)準(zhǔn)化, 2007(9): 44-47.

[7] 顧歡達，薛國強，胡舜，等. SDG 密度儀路基壓實度檢測及效果評價[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013,39(12):1835-1842.

[8] Abu-Farsakh M Y, Alshibli K, Nazzal M, et al. Assessment of in-situ test technology for construction control of base courses and embankments[J]. Report No, FHWA/LA, 2004(4): 385.

[9] 李武斌. 土體剛度儀在路基壓實質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J]. 西部探礦工程, 2004, 16(9): 145-147.

[10] Lenke L, McKeen R, Grush M. Laboratory evaluation of GeoGauge for compaction control[J]. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2003 (1849): 20-30.

[11] 李全森. GeoGauge 土壤剛度/模量測試儀在高速公路路基工程質(zhì)量控制中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究:電子版，2012(21).

[12] 曾凡奇, 張四偉, 程霞. FWD 和貝克曼梁在路面檢測中的相關(guān)關(guān)系分析[J]. 公路, 2004 (9): 131-133.

[13] 田北平, 吳佳曄, 蔣世龍, 等. 基于落球檢測技術(shù)原理的測試系統(tǒng)在填土路基碾壓質(zhì)量管理中的應(yīng)用[J]. 公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版), 2009(12):21.

[14] 楊義茂, 趙炳海. 壓實計在堆石壩填筑碾壓工程中的應(yīng)用[J]. 河北水利水電技術(shù), 2004 (2): 42-43.

[15] 陳國英. 灌砂法檢測路基壓實度[J]. 交通世界, 2010 (3): 136-137.

[16] 張德存, 梁娟. 核子密度儀在檢測壓實度中的應(yīng)用[J]. 山東交通科技, 2001(3):15.

[17] 胡光勝. PFWD 在路基壓實狀態(tài)快速檢測及均勻性評價上的應(yīng)用[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[18] 趙海杰. 路基壓實質(zhì)量評價指標(biāo)的研究[D]. 西安：長安大學(xué), 2015.

[19] Popescu M E.An introduction to geotechnical engineering[J].Engineering Geology,1981,22(4):377.

The review of detection technology of compaction index filling project

LI Xinxin, WANG Zhengjun，ZHUANG Jingjing

(Instituteofhydraulicandelectricengineering,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

Filling project is the foundation of embankment, bridge,hydraulic engineering and other projects. Compaction index is the key to ensure the quality of filling engineering.In recent years,the quality requirements of all kinds of embankment engineerings are also more stringent.At present, there are many methods to detect compaction indexes, most of the traditional detection methods are time-consuming and laborious,complex,the precision is not enough and far from being able to meet the requirements of rapid non-destructive testing.This paper compared and analyze the commonly used compaction index detection technology from the principle,scope of application,advantages and disadvantages.This research has important significance for the research and development of test embankment compaction index.

compactness;modulus;non-destructive testing technology;compaction index

黑龍江省三江工程建設(shè)管理局項目(HGZL/KY-01)；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃引導(dǎo)項目(GZ16B013)

李欣欣(1993-)，女，黑龍江塔河人，碩士研究生，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程研究。E-mail:595585058@qq.com。

王正君(1971-)，男，黑龍江賓縣人，教授，主要從事材料、無損檢測研究。E-mail:wzjsir@163.com。

TU4

A

2096-0506(2017)04-0047-06