黃澤群 肖梓瑩

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

發(fā)展交通強(qiáng)國需要有四通八達(dá)的交通網(wǎng)為基礎(chǔ)，修建安全可靠、行車舒適的道路則是交通網(wǎng)的重要組成部分。道路一般由面層、基層、墊層、土基組成，在修建過程中需要進(jìn)行分層回填并對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行檢測，檢測合格才可進(jìn)行下一結(jié)構(gòu)層材料回填。其中，壓實(shí)度檢測是必不可少的一項(xiàng)檢測工作，充分壓實(shí)路基、路面結(jié)構(gòu)層可保證路基、路面的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定度以及平整度等性能，有利于提升道路質(zhì)量，延長道路的使用壽命。壓實(shí)度一般表示施工現(xiàn)場的土或其他筑路材料經(jīng)過壓實(shí)后采用相關(guān)檢測方法測試得到的最大干密度與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)獲得的最大干密度的比值[1]，壓實(shí)度結(jié)果可用于表征施工現(xiàn)場的土或其他筑路材料壓實(shí)后的密度狀況，壓實(shí)度結(jié)果越高，表明該結(jié)構(gòu)層的干密度越大，整體性能也更加優(yōu)異，因此，壓實(shí)度是道路工程中施工質(zhì)量檢測的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

道路工程中壓實(shí)度的檢測包括室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)獲得的最大干密度和施工現(xiàn)場檢測的最大干密度，前者通常采用重型擊實(shí)法、重型振實(shí)法等方法，而后者可采用的檢測方法較多，包括灌砂法、灌水法、環(huán)刀法、核子儀法、落錘法、瑞雷波法等方法。本文將對灌砂法、灌水法、環(huán)刀法、落錘法、核子儀法、瑞雷波法的檢測原理、操作步驟展開闡述，并歸納了各種檢測方法的特點(diǎn)以及對其中幾種檢測方法進(jìn)行了對比分析，以期為工程人員提供參考。

1 壓實(shí)度檢測方法

1.1 灌砂法

灌砂法是目前檢測壓實(shí)度最為常見的方法之一，也是現(xiàn)場檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法，適用于測量細(xì)粒土、砂類土、礫類土的密度。在進(jìn)行灌砂法試驗(yàn)時(shí)，首先需要測定粒徑為0.25mm～0.5mm 量砂的密度，將裝有量砂的灌砂筒置于體積已知的標(biāo)定罐上方，通過測量標(biāo)定罐中量砂的質(zhì)量計(jì)算量砂的密度；接著在待測區(qū)域選擇面積40㎝×40cm 的平坦場地并將表面清掃干凈，放置基板并使用工具沿著基板中央的孔進(jìn)行鑿洞，洞壁應(yīng)具有良好的光滑度、平整度且保持筆直，鑿洞深度為下一結(jié)構(gòu)層表層，鑿出的土需全部收集起來并取一部分試樣測試其含水率；然后將灌砂筒置于洞口處并打開開關(guān)使量砂填滿鑿洞，測算填入洞中量砂的質(zhì)量并推算出其體積，則此體積即為鑿出土的體積；最后根據(jù)鑿出土的質(zhì)量、含水率、量砂的體積即可計(jì)算出現(xiàn)場土樣的最大干密度，并根據(jù)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)獲得的標(biāo)準(zhǔn)最大干密度即可計(jì)算出壓實(shí)度。

灌砂法的試驗(yàn)原理比較簡單，操作步驟較多，在實(shí)際操作時(shí)存在一定難度，壓實(shí)度結(jié)果容易出現(xiàn)誤差，進(jìn)而引發(fā)質(zhì)量檢測、施工部門以及監(jiān)督單位之間的爭議，因此需要檢測人員具有良好的檢測習(xí)慣且嚴(yán)格按照規(guī)范認(rèn)真進(jìn)行試驗(yàn)，多點(diǎn)取樣取平均值。

1.2 灌水法

灌水法與灌砂法的試驗(yàn)原理以及操作步驟比較相似，灌水法適用于現(xiàn)場測量粗粒土和巨粒土的密度。在進(jìn)行灌水法試驗(yàn)時(shí)，首先同樣需要選擇面積為40cm×40cm 的平坦場地，清除表面未壓實(shí)的土層，整平測點(diǎn)處的地面并用水準(zhǔn)尺檢查；接著根據(jù)土層中顆粒的最大粒徑確定試坑的目標(biāo)直徑和目標(biāo)深度，按照試坑的目標(biāo)直徑確定坑口輪廓線，在輪廓線內(nèi)下鑿至目標(biāo)深度并將鑿出的土全部收集起來，取代表性試樣測試含水率；待鑿好試坑后，根據(jù)試坑的直徑放上相應(yīng)尺寸的套環(huán)，用水準(zhǔn)尺檢查是否處于水平位置，將塑料薄膜與試坑內(nèi)側(cè)緊密貼合；然后記錄儲水桶內(nèi)初始水位高度，打開開關(guān)使水緩慢注入塑料薄膜內(nèi)，待水面與套環(huán)上邊緣位置齊平時(shí)則立即將開關(guān)閉合，記錄此時(shí)儲水桶內(nèi)水位高度；最后根據(jù)灌水體積計(jì)算出試坑的容積，并結(jié)合土的質(zhì)量、含水率結(jié)果推算出現(xiàn)場試驗(yàn)的最大干密度，再根據(jù)室內(nèi)壓實(shí)試驗(yàn)獲得的標(biāo)準(zhǔn)最大密度便可得出壓實(shí)度。

1.3 環(huán)刀法

環(huán)刀法是測量現(xiàn)場密度的傳統(tǒng)方法，主要用于測量不含礫石的素土以及無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定細(xì)粒土的密度，不適用于含有粒料的穩(wěn)定土及松散性材料。其檢測原理是使用體積、質(zhì)量均已知的環(huán)刀在土層中選取土樣，然后測量土樣的質(zhì)量以及含水率，根據(jù)環(huán)刀的體積、土樣質(zhì)量和含水率結(jié)果計(jì)算土樣的干密度，再根據(jù)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)獲得的標(biāo)準(zhǔn)最大干密度即可得到土層的壓實(shí)度。由于土層碾壓后土體的密實(shí)度從上至下呈逐漸減小的趨勢[2]，環(huán)刀法的檢測結(jié)果僅代表環(huán)刀內(nèi)土樣所在深度范圍內(nèi)的平均干密度，無法代表整個(gè)土層的干密度，因此在取樣時(shí)應(yīng)具有隨機(jī)性還應(yīng)確保測點(diǎn)土樣與送樣土質(zhì)相同以保證檢測結(jié)果的精度以及準(zhǔn)確度。

1.4 落錘法

落錘法是利用落錘頻譜式快速測定儀來檢測土層的壓實(shí)度，是當(dāng)前應(yīng)用比較頻繁的一種檢測方法[3]，其基本工作原理是通過落錘的自由下落，沖擊地面使土體表面產(chǎn)生反彈力，通過傳感器接收土體的反彈力并將其傳送至計(jì)算儀器中，經(jīng)過儀器運(yùn)算可獲得待測土層的壓實(shí)度，工作原理流程圖如圖1 所示，在施工現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室土槽內(nèi)皆可使用。通常情況下，反彈力越大土層的壓實(shí)度越高，反之則越低。

圖1 落錘頻譜式快速測定儀原理圖[4]

1.5 核子儀法

核子儀法適用于檢測土壤、碎石、土石混合物、瀝青混合料等材料的濕密度與含水量。測試濕密度的基本工作原理是利用銫137 伽馬源向待測材料釋放伽瑪射線，其中一部分射線被待測材料吸收而另一部分射線則會穿透待測材料，能夠穿透待測材料的射線可被安裝在儀器內(nèi)的蓋革-密勒計(jì)數(shù)管檢測到，當(dāng)較多的射線被材料吸收而較少的射線穿透材料時(shí)，計(jì)數(shù)管讀數(shù)較小則表明待測材料的濕密度較大，反之則表明待測材料的濕密度較小。測試含水量的基本原理是利用镅241/鈹中子源向待測材料釋放高能中子射線，高能中子與氫原子碰撞后迅速失去能量而變成低能中子，當(dāng)待測材料的濕度較高時(shí)，氫原子數(shù)量則越多，當(dāng)射線穿過時(shí)，將產(chǎn)生較多的低能中子，由于儀器中的含水量檢測管只檢測低能中子，因此檢測管計(jì)數(shù)越大則表示待測材料有較高的含水量，反之含水量較低[5,6]。最后，利用測出的濕密度、含水量結(jié)果計(jì)算出材料的干密度，并與室內(nèi)試驗(yàn)獲取的標(biāo)準(zhǔn)最大干密度進(jìn)行比較得到密實(shí)度。

1.6 瑞雷波法

瑞雷波是地震波中的一種面波，在分層介質(zhì)中傳播具有頻散特性而在均勻介質(zhì)中傳播則沒有，而且瑞雷波的傳播速度與介質(zhì)的密度具有相關(guān)性，因此，根據(jù)實(shí)測的頻散曲線可對層位進(jìn)行劃分并計(jì)算各層的速度值，通過各層的瑞雷波速度值與密度值的關(guān)系可計(jì)算各層的壓實(shí)度。實(shí)際檢測時(shí)，測點(diǎn)應(yīng)選擇在地勢較平坦的待測地段，接著以測點(diǎn)為中心點(diǎn)將兩個(gè)傳感器對稱放置在地面上，然后用激振錘垂直敲擊地面，利用計(jì)算機(jī)收集產(chǎn)生的信號，為提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性每一個(gè)測點(diǎn)需要敲擊5 次以上，最后對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并計(jì)算出壓實(shí)度[4]。

2 壓實(shí)度檢測方法比較

隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，道路工程中路基壓實(shí)度的檢測方法也較多，各種檢測方法有其各自的特點(diǎn)，表1 歸納了幾種檢測方法的特點(diǎn)。因此，有諸多科研人員、工程人員通過對同一區(qū)域的土層采用多種方法進(jìn)行檢測，對比壓實(shí)度結(jié)果的差異并分析了其中原因。

表1 不同檢測方法的特點(diǎn)

董海文等[7]以長沙市某道路為例，采用灌砂法和瑞雷波法來評估路基壓實(shí)度，結(jié)果顯示兩種檢測方法測出的壓實(shí)度值相近，相對平均誤差為2.31%，平均絕對誤差為2.43%，同時(shí)指出瑞雷波法的檢測數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定、檢測速度快、對路面沒有損壞。劉曉敏[8]同樣采用灌砂法和瑞雷波法進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示兩種檢測方法的結(jié)果基本一致，誤差均小于1%，由于瑞雷波法是無損檢測，在檢測路基的填筑質(zhì)量時(shí)不會對路基造成破壞，同時(shí)檢測結(jié)果表示為一定范圍內(nèi)路基壓實(shí)度的平均值，檢測結(jié)果更能反映實(shí)際情況。

毛志勇[4]以寧波市某市政道路路基為研究對象，分別采用灌砂法、環(huán)刀法和落錘法檢測路基壓實(shí)度，結(jié)果顯示三種檢測方法得出的結(jié)果相差不大，并且環(huán)刀法、落錘法的檢測結(jié)果與灌砂法檢測結(jié)果具有較好的相關(guān)性。除此之外，研究發(fā)現(xiàn)灌砂法檢測的壓實(shí)度結(jié)果會出現(xiàn)大于100%的現(xiàn)象，這是因?yàn)闇y點(diǎn)的土樣與所測最大干密度的代表土樣存在差異，另一方面則可能是檢測人員操作不當(dāng)造成的誤差；在采用環(huán)刀法檢測時(shí)，需要取碾壓層中間的土，其結(jié)果才會與灌砂法檢測結(jié)果相近，由于環(huán)刀容積小容易導(dǎo)致測試結(jié)果發(fā)生突變，因此應(yīng)隨機(jī)選擇測點(diǎn)且測點(diǎn)需具備一定的代表性；而落錘法的檢測結(jié)果相對穩(wěn)定，受人為因素的影響相對較少，但對土體的適用性和準(zhǔn)確性需要進(jìn)一步研究。

高順峰等[9]以某公路工程為例，分別采用灌砂法與核子儀法檢測了不同壓實(shí)區(qū)域內(nèi)素土路基和不同石灰含量灰土路基的干密度，將兩種方法的檢測結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析和回歸分析，結(jié)果顯示這兩種檢測方法得出的檢測結(jié)果非常接近，而且誤差滿足相關(guān)規(guī)范要求，并且數(shù)據(jù)離散性較小；采用盒形圖分析發(fā)現(xiàn)這兩種檢測方法各自檢測結(jié)果的中值、內(nèi)距、極差均比較接近，數(shù)據(jù)特征一致。因此，利用核子儀法檢測路基壓實(shí)度具有較高的可靠度，同時(shí)核子儀法是無損檢測方法，檢測速度快、效率高、能夠降低檢測人員的工作強(qiáng)度且不影響工程進(jìn)度。常中飛[10]通過試驗(yàn)亦表示核子儀法能夠簡單方便、準(zhǔn)確快速的測試路基的壓實(shí)度以提供第一手資料，在檢測過程中相較于灌砂法更加安全。

3 小結(jié)

⑴灌砂法、灌水法、環(huán)刀法作為傳統(tǒng)檢測方法，雖然檢測速度比較慢，但是檢測的結(jié)果相對準(zhǔn)確可靠，而采用落錘法、核子儀法以及瑞雷波法能夠提高檢測速度、減少檢測人員數(shù)量，但是在使用儀器時(shí)需要進(jìn)行標(biāo)定與修正，檢測費(fèi)用也較高。

⑵道路工程中壓實(shí)度檢測應(yīng)朝著無損檢測的方向展開研究與開發(fā)，以達(dá)到提高檢測效率，減少檢測人員的工作強(qiáng)度，提升檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性并具有良好經(jīng)濟(jì)性的目的。