美標(biāo)（ASTM）規(guī)范下ARNAUD土壩填筑檢測(cè)方法

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(duì)壓實(shí)度和含水率要求高。由于施工現(xiàn)場(chǎng)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(cè)采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）為主，英國(guó)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(cè)，對(duì)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(guó)為非洲東部一島國(guó)，位于印度洋西南方，作為火山島國(guó)，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(lèi)發(fā)展指數(shù)被評(píng)為“高”級(jí)別的國(guó)家之一。是準(zhǔn)高端的國(guó)際市場(chǎng)。

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(kāi)挖與填筑、帷幕灌漿和監(jiān)測(cè)儀器等）、引水進(jìn)Mare Aux Vacoas（MAV）的新建明渠、泵站、Pradier渠道升級(jí)和Tatamaka 支渠升級(jí)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(guò)程中，土料借土場(chǎng)距離填筑現(xiàn)場(chǎng)約為25km，借土區(qū)域降雨量也較大，料場(chǎng)開(kāi)挖深度為3m，所取的土樣需在借土場(chǎng)進(jìn)行晾曬，此時(shí)需對(duì)土樣含水率進(jìn)行快速控制，目的是送至填筑現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)降雨過(guò)于頻繁，在毛里求斯島北部又設(shè)置一處晾曬場(chǎng)地，由于島國(guó)海洋氣候原因，此處降雨量大大減少，仍然需要在料場(chǎng)進(jìn)行含水率檢測(cè)，避免土樣過(guò)于干燥，導(dǎo)致無(wú)法壓實(shí)。為此，需對(duì)填筑過(guò)程中的含水率及壓實(shí)度檢測(cè)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(cè)填筑過(guò)程中的含水率及壓實(shí)度，對(duì)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(zhǎng)220m，高18m。根據(jù)招標(biāo)規(guī)范要求，土壩填筑現(xiàn)場(chǎng)控制檢測(cè)主要包含壓實(shí)度檢測(cè)和含水率檢測(cè)，在工程師的見(jiàn)證下按照技術(shù)規(guī)范要求的頻率進(jìn)行檢測(cè)，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(guó)規(guī)范的同等級(jí)土壩要求高。

3 填筑土料含水量控制

由于料場(chǎng)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(cè)方法尤為重要。

本項(xiàng)目的技術(shù)規(guī)范對(duì)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(chǎng)降雨較為頻繁，因此要求土料在曬料場(chǎng)即達(dá)到規(guī)定的含水率，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)堆放的土料也要每日進(jìn)行檢測(cè)，避免在填筑現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)大量的含水率過(guò)高或者過(guò)低的現(xiàn)象，因此需引入快速而準(zhǔn)確的檢測(cè)方法，再使用烘箱法對(duì)其進(jìn)行修正，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，經(jīng)過(guò)研究規(guī)范及比對(duì)，選取了ASTM D-4643的微波爐法用于現(xiàn)場(chǎng)施工。

3.1 微波爐法檢測(cè)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(cè)，并給出相應(yīng)的操作規(guī)程。根據(jù)ASTM D-4643，微波爐檢測(cè)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(cè)重量之間的關(guān)系，由于在實(shí)際填筑過(guò)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(cè)的質(zhì)量為100g左右，檢測(cè)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(duì)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(chǎng)試驗(yàn)段進(jìn)行了烘箱法及微波爐法檢測(cè)含水率的對(duì)比，在同一地點(diǎn)不同深度平行取樣，分別在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行微波爐法檢測(cè)及稱(chēng)量后送至試驗(yàn)室進(jìn)行烘箱法檢測(cè)，檢測(cè)后對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 烘箱法與微波爐法檢測(cè)含水率對(duì)比表

點(diǎn)號(hào) 取樣深度 微波爐檢測(cè)含水率（%） 烘箱檢測(cè)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(jiàn)圖1：

結(jié)合表1及圖1可見(jiàn)，微波爐法檢測(cè)含水率及烘箱法具有良好的線性關(guān)系。在現(xiàn)場(chǎng)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(cè)松土?xí)r存在較大額偏差，在曬料場(chǎng)和堆料場(chǎng)一℃即可進(jìn)行收集并運(yùn)送至大壩填筑現(xiàn)場(chǎng)，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(chǎng)檢測(cè)

4.1 概述

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

4.2 現(xiàn)場(chǎng)密度檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)密度檢測(cè)主要通過(guò)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(cè)方法有直接檢測(cè)法及非直接檢測(cè)法。直接檢測(cè)法通過(guò)確定填筑面上開(kāi)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(guò)在烘箱內(nèi)110±5℃條件下加熱，之后通過(guò)檢測(cè)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(guò)檢測(cè)土樣中某種物質(zhì)的含量，通過(guò)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(cè)。

4.2.1 灌砂法

灌砂法采用的本地通用英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（BS1377-9）灌砂桶，檢測(cè)深度小于150mm時(shí)，使用灌砂桶直徑為100mm，檢測(cè)深度大于150mm小于250m時(shí)，使用灌砂桶直徑為200mm；在檢測(cè)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(cè)方式的基準(zhǔn)， 用以校核標(biāo)定其他檢測(cè)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(chǎng)壓實(shí)后密度，所檢測(cè)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(chǎng)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(cè)面13mm，若環(huán)刀進(jìn)入過(guò)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(guò)稱(chēng)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(guó)Troxler生產(chǎn)的3440型核子密度濕度儀（簡(jiǎn)稱(chēng)核子密度儀），用來(lái)測(cè)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(cè)桿端部，產(chǎn)生伽瑪射線（Gamma emission）， 用于檢測(cè)壓實(shí)度。檢測(cè)是共有兩種檢測(cè)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(cè)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(cè)器檢測(cè)放射強(qiáng)度。伽瑪粒子到達(dá)探測(cè)器前必須經(jīng)過(guò)需檢測(cè)材料，大量伽瑪粒子會(huì)與需檢測(cè)物質(zhì)內(nèi)電子碰撞并消失，探測(cè)器可以檢測(cè)消失的粒子數(shù)量并據(jù)此計(jì)算出需檢測(cè)材料的壓實(shí)度。簡(jiǎn)而言之，到達(dá)探測(cè)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(cè)器的粒子都來(lái)自于探桿端部放射源且全部穿過(guò)檢測(cè)物質(zhì)，因此所得到的密度就是探測(cè)器表面與探桿端部放射源之間的平均密度。

（2） 濕度檢測(cè)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(cè)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(lèi)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(cè)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(guò)時(shí)，將產(chǎn)生更多的低能中子；同樣的原因，當(dāng)被測(cè)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(duì)低能中子非常敏感而對(duì)高能中子不敏感。低能中子計(jì)數(shù)越高，表示被測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，其檢測(cè)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(méi)有泥巴和任何其他物質(zhì)妨礙良好的面對(duì)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(guò)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(guò)（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(duì)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(jiàn)證下進(jìn)行了兩種方法的對(duì)比試驗(yàn)。灌砂法采用直徑100mm灌砂桶，檢測(cè)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(jiàn)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(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，找出濕密度線性關(guān)系，見(jiàn)圖2。

圖2可見(jiàn)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(chǎng)實(shí)際濕密度，都可用于現(xiàn)場(chǎng)填筑壓實(shí)度控制，但環(huán)刀法檢測(cè)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(duì)比試驗(yàn)。由美國(guó)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(cè)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(duì)密度及含水率進(jìn)行對(duì)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(duì)核子密度儀與灌砂法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比需每月進(jìn)行一次。本工程在土方回填段進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，每個(gè)月進(jìn)行一次比對(duì)試驗(yàn)，用以修整核子密度儀結(jié)果。在每次對(duì)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(cè)，根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果建立回歸方程，并對(duì)核子密度儀的檢測(cè)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(cè)結(jié)果，X為核子密度儀檢測(cè)結(jié)果?，F(xiàn)以2014年5月份在壩面實(shí)測(cè)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(duì)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(shuō)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(cè)。同時(shí)在進(jìn)行土方檢測(cè)以及瀝青檢測(cè)（反射法）同樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，土方與碎石一樣采用灌砂法檢測(cè)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，瀝青進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)時(shí)采用鉆芯法檢測(cè)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(guò)程中，大壩分層填筑碾壓完成后，現(xiàn)場(chǎng)采用核子密度儀對(duì)其進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)。并按照要求，定期進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)核子密度儀進(jìn)行修正。

4.3 含水率的控制和檢測(cè)

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(chǎng)要求含水率低于要求的含水率，現(xiàn)場(chǎng)需要安裝一個(gè)帶有水表的灑水系統(tǒng)用于現(xiàn)場(chǎng)含水的控制，當(dāng)開(kāi)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(cè)定。當(dāng)所測(cè)含水低于最優(yōu)含水的界定范圍時(shí)，通過(guò)計(jì)算來(lái)確定現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)實(shí)測(cè)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(pán)耙使其拌合均勻。之后開(kāi)始按照碾壓參數(shù)（一遍靜碾，五遍振動(dòng)）對(duì)其進(jìn)行碾壓，最終使用用灌砂法修訂過(guò)的核子密度儀來(lái)檢測(cè)其含水和壓實(shí)度，用來(lái)確保工程的質(zhì)量。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

在土壩填筑時(shí)，同時(shí)涉及到含水率及壓實(shí)度的檢測(cè)。為了方便快捷的檢測(cè)碾壓效果，引進(jìn)核子密度儀進(jìn)行檢測(cè)，然而核子密度儀屬于非直接法檢測(cè)，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(duì)試驗(yàn)，找出其中的關(guān)系，對(duì)偏差進(jìn)行修正之后可用于控制性試驗(yàn)。

對(duì)含水率進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，傳統(tǒng)的烘箱法最為準(zhǔn)確然而耗時(shí)最長(zhǎng)，因此引入美標(biāo)規(guī)范中的微波爐法進(jìn)行快速檢測(cè)，此法可用于料場(chǎng)含水率控制，在檢測(cè)時(shí)料場(chǎng)主管及現(xiàn)場(chǎng)填筑技術(shù)人員均可參與，使之對(duì)土料含水率有更加直觀的認(rèn)識(shí)，有利于加快現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)介：張波，男，貴州印江人，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事水利水電工程施工技術(shù)和管理。