填方工程壓實(shí)指標(biāo)檢測(cè)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)

填方工程壓實(shí)指標(biāo)檢測(cè)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(shí)指標(biāo)是保證質(zhì)量的關(guān)鍵，近年來(lái)各種工程對(duì)于填方工程質(zhì)量的要求也更加嚴(yán)格。目前壓實(shí)指標(biāo)的檢測(cè)有很多種方法，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法大多都費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且有些方法的操作十分復(fù)雜容易精度不夠，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了快速無(wú)損檢測(cè)的要求。本文從檢測(cè)方法的原理、適用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)等方面將國(guó)內(nèi)外常用壓實(shí)指標(biāo)檢測(cè)技術(shù)加以分析與比較，對(duì)填方工程壓實(shí)指標(biāo)檢測(cè)的研究與發(fā)展具有重要意義。

壓實(shí)度 ；模量；無(wú)損檢測(cè)技術(shù)；壓實(shí)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(shí)指標(biāo)是保證質(zhì)量的關(guān)鍵，目前填方工程壓實(shí)指標(biāo)的檢測(cè)和評(píng)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(cè)法(目前主要是核子密度儀法)。破損法檢測(cè)速度慢，對(duì)工程有一定的破壞作用，如對(duì)檢測(cè)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(guò)程比較復(fù)雜，價(jià)格較高，并且由于存在一定輻射危險(xiǎn)，使得其應(yīng)用推廣受到一定的限制。因此，急需一種能夠無(wú)損、快速評(píng)定填方工程壓實(shí)指標(biāo)的檢測(cè)技術(shù)。

1 檢測(cè)方法分類與對(duì)比

1.1 破損檢測(cè)法

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

環(huán)刀法是測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)密度的傳統(tǒng)方法。由于環(huán)刀體積不大，用環(huán)刀法測(cè)定土的密度，在試驗(yàn)時(shí)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(guó)規(guī)范中一直沿用灌砂法測(cè)壓實(shí)度以進(jìn)行路基壓實(shí)質(zhì)量控制。灌砂法操作簡(jiǎn)單，但相比環(huán)刀法，他的操作過(guò)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(yàn)速度較慢。如果不掌握操作的細(xì)節(jié)，會(huì)使測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)較大的錯(cuò)誤，如標(biāo)準(zhǔn)砂要清潔干燥，均勻顆粒，并進(jìn)行密度校準(zhǔn)；檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)表面應(yīng)該平整；從試洞中取出的土樣應(yīng)及時(shí)密封在塑料袋或容器內(nèi)。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，必須嚴(yán)格控制每一個(gè)操作步驟，以滿足項(xiàng)目質(zhì)量的準(zhǔn)確評(píng)估。

1.2 微破損或者半破損檢測(cè)法

動(dòng)態(tài)圓錐貫入儀(DCP: Dynamic Cone Penetrometer)，是一種常用的動(dòng)力觸探儀器，在巖土工程勘察中經(jīng)常用來(lái)確定地基承載力，評(píng)價(jià)土的密實(shí)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(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試工作只需1～3 min的時(shí)間，具有快速方便的優(yōu)點(diǎn)[2-3]。

填土密實(shí)度檢測(cè)儀，在其他國(guó)家也被稱為"普氏貫入儀”， 主要用于檢測(cè)大面積填方工程碾壓后密實(shí)度和均勻性[4]。選取碾壓完的工作面，并在上面鉆一個(gè)孔，把儀器插入孔中，測(cè)試結(jié)果就可以顯示出來(lái)了。它的探測(cè)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(jī)械式和電子智能式兩種，其測(cè)試結(jié)果采用貫入度來(lái)反映。

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

以上均為采用破損法檢測(cè)結(jié)構(gòu)層壓實(shí)質(zhì)量，對(duì)結(jié)構(gòu)層均有一定的破壞作用，檢測(cè)點(diǎn)(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(cè)時(shí)選取的點(diǎn)有限，代表性差。因此，該類檢測(cè)不能實(shí)現(xiàn)無(wú)損、快捷、精度高等要求，具有很大的局限性。

1.3 無(wú)損檢測(cè)法

1.3.1 彈性波檢測(cè)法

瑞雷面波法是瑞雷面波在傳播過(guò)程中遇到填土密度變化時(shí), 就會(huì)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(shí)度的檢測(cè)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(shí)度之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。瑞雷面波法有很多優(yōu)點(diǎn)，儀器輕便且易操作；對(duì)路面本身無(wú)損害，而且當(dāng)場(chǎng)即可顯示結(jié)果，更適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。目前存在的問(wèn)題是: 由于分層壓實(shí)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(huì)導(dǎo)致計(jì)時(shí)誤差；而且用于檢測(cè)波形的儀器價(jià)格也比較昂貴[6]。

1.3.2 放射性檢測(cè)法

核子密度濕度儀法是利用放射性元素測(cè)定填土層的密度和含水率，儀器的構(gòu)造見(jiàn)圖1。此種檢測(cè)方法方便快速，通常一個(gè)測(cè)定不到2 min即可測(cè)完,測(cè)試一人即可完成，有些進(jìn)口儀器還可以儲(chǔ)存并打印測(cè)試結(jié)果。這種方法的缺點(diǎn)是放射性物質(zhì)對(duì)人體有害，而且放射源會(huì)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(duì)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(cè)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(guò)電磁感應(yīng)場(chǎng)對(duì)材料基質(zhì)電化學(xué)阻抗的變化響應(yīng)來(lái)進(jìn)行測(cè)試，達(dá)到實(shí)時(shí)無(wú)損填土密度檢測(cè)的目的[7]。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，一旦檢測(cè)出壓實(shí)度達(dá)不到要求，我們就可以利用施工機(jī)械仍在現(xiàn)場(chǎng)迅速?gòu)浹a(bǔ)，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(jiàn)圖2。該儀器對(duì)直接檢測(cè)壓實(shí)土壤的壓實(shí)度與含水率, 提供了一種簡(jiǎn)易、快速的測(cè)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(cè)法

土體剛度儀(Soil Stiffness Gauge)是一種手提式儀器，由美國(guó)研制開(kāi)發(fā)。該儀器對(duì)直接檢測(cè)壓實(shí)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(jiǎn)易、快速、精確的測(cè)試方法，同時(shí)也提供了計(jì)算地基反力，CBR和土壤密度的一種替代方法[9]。它通過(guò)在土的表面施加一個(gè)恒定的振動(dòng)力的方式，量測(cè)由此產(chǎn)生的變形[10]，動(dòng)態(tài)地反映材料現(xiàn)場(chǎng)的工程特性。土壤剛度/模量測(cè)試儀在地面上測(cè)量材料的力學(xué)阻抗，以頻率的函數(shù)的形式測(cè)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(jiàn)圖3。儀器確定每個(gè)頻率下的剛度，顯示的是25個(gè)頻率下測(cè)得剛度值的平均值。整個(gè)過(guò)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(cè)量快速、數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)點(diǎn)，且無(wú)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(guò)計(jì)算機(jī)控制重錘提升然后下落,落錘對(duì)路面施加脈沖荷載,該荷載通過(guò)剛性圓盤(pán)作用到路面上,由位移傳感器可以測(cè)出由荷載產(chǎn)生的變形。我們還可以通過(guò)改變重錘的提升高度來(lái)改變荷載的大小[12]。FWD能很好地模擬交通荷載對(duì)路面的影響, 可以選擇很多測(cè)試點(diǎn)，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(jiǎn)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(duì)于落錘式彎沉儀來(lái)說(shuō)，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(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度也更加可靠。此方法的操作也很簡(jiǎn)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?？梢杂糜陂L(zhǎng)距離連續(xù)的測(cè)定。此種方法現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于高鐵道床的壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)。

圖4 落錘式彎沉儀

圖5 落球式便攜剛性檢測(cè)儀

落球式便攜剛性檢測(cè)儀測(cè)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(guò)測(cè)試球體與測(cè)試對(duì)象的接觸時(shí)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(cè)技術(shù)[13]。通過(guò)測(cè)試得到接觸時(shí)間便可以求出變形模量。落球儀的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是可以利用測(cè)試得到的變形模量，推算機(jī)床系數(shù)和貝克曼彎沉。且其設(shè)備測(cè)試效率高，操作簡(jiǎn)便。落球測(cè)試技術(shù)的測(cè)試深度范圍大致在10～30 cm，但其測(cè)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(yàn)。

壓實(shí)計(jì)法，壓實(shí)計(jì)主要分三個(gè)部分，傳感器、信號(hào)處理器和指示儀表，在振動(dòng)碾的振動(dòng)軸上安裝傳感器，在駕駛臺(tái)安裝指示儀表，通過(guò)測(cè)量振動(dòng)碾的運(yùn)動(dòng)情況，壓實(shí)計(jì)能夠監(jiān)測(cè)工作面的壓實(shí)程度。壓實(shí)計(jì)值( Compaction Meter Value，簡(jiǎn)稱CMV)。

(1)

式中：CMV為壓實(shí)計(jì)值；A1(F1)為動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)的一次諧波分量；A0(F0)為動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)的基頻分量。

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

當(dāng)以壓實(shí)度計(jì)作為質(zhì)量檢測(cè)的主要手段時(shí)，通過(guò)碾壓試驗(yàn)確定壓實(shí)參數(shù)是非常重要的。碾壓試驗(yàn)最好在施工作業(yè)區(qū)進(jìn)行。首先確定鋪料厚度；其次，振動(dòng)碾在碾壓的過(guò)程中要保持行進(jìn)速度恒定。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)在試驗(yàn)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(shí)計(jì)讀數(shù)，并對(duì)其聯(lián)系進(jìn)行仔細(xì)的分析。當(dāng)壓實(shí)計(jì)讀數(shù)不再隨碾壓遍數(shù)增加或增加很小時(shí)，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(cuò)距法[14]。

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

2 壓實(shí)指標(biāo)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

壓實(shí)度的檢測(cè)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(jiàn)表1，通過(guò)對(duì)于各種方法的比較，可以更好的選擇檢測(cè)方法，從而提高檢測(cè)準(zhǔn)確度。

表1 現(xiàn)場(chǎng)密度檢測(cè)方法適用范圍比較

3 檢測(cè)指標(biāo)

壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)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(shí)度，相對(duì)密度、孔隙比率、含氣量等。而其中壓實(shí)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(cè)量之后可以直接讀取壓實(shí)度的值外，大部分的檢測(cè)方法都是以測(cè)量土體密度為目的，從而間接的計(jì)算得出壓實(shí)度的值。例如，直達(dá)波法主要是通過(guò)建立一種波速與干密度的相關(guān)關(guān)系來(lái)推測(cè)出壓實(shí)度。壓實(shí)計(jì)則是由壓實(shí)計(jì)值判斷壓實(shí)度。普式貫入儀測(cè)量的是其貫入度，瞬態(tài)瑞雷面波測(cè)量的是瑞雷波速，核子密度儀測(cè)量的則是濕密度、干密度及含水量。通過(guò)對(duì)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(yàn)規(guī)程》(SD 128-84)，密度試驗(yàn)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(dòng)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(guó)是從大秦線施工中才開(kāi)始以K30作為一項(xiàng)壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。

變形模量Ev1與Ev2是通過(guò)一次加載和二次加載測(cè)得的變形模量，常用平板荷載試驗(yàn)作為檢測(cè)裝置[18]。

1997年2月德國(guó)頒布實(shí)施了《德國(guó)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(dòng)態(tài)變形模量是一項(xiàng)可行的路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，已成為路基等填方工程檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。如今中國(guó)也將動(dòng)態(tài)變形模量正式加入到《鐵路工程土工試驗(yàn)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(dòng)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(cè)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(guò)程并不簡(jiǎn)易，其梁也非常長(zhǎng)，因此容易產(chǎn)生誤差。而壓實(shí)度對(duì)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(cè)指標(biāo)。

土體剛度也同樣可以作為壓實(shí)指標(biāo)，由于壓實(shí)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(diǎn)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(wú)損檢測(cè)填方工程壓實(shí)指標(biāo)的方法，我們還需進(jìn)行大量的試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析，從而實(shí)現(xiàn)填方工程壓實(shí)指標(biāo)快速檢測(cè)技術(shù)。

4 結(jié) 論

在填方的工程中,壓實(shí)度的檢測(cè)有很多種方法，而掌握每種測(cè)定方法的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍、操作步驟，針對(duì)不同的材料，切合實(shí)際的采用相應(yīng)的方法才能掌握材料的實(shí)際壓實(shí)效果。 填土壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果能反映工程的真實(shí)情況, 為施工過(guò)程控制以及竣工后壓實(shí)質(zhì)量的檢測(cè)提供很好的解決方案和可靠的依據(jù)。運(yùn)用壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)不僅可以避免不必要的重復(fù)勞動(dòng), 還可以節(jié)約工程造價(jià), 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(jìn)步和發(fā)展將具有更為重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

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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(xiàng)目(HGZL/KY-01)；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃引導(dǎo)項(xiàng)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(wú)損檢測(cè)研究。E-mail:wzjsir@163.com。

TU4

A

2096-0506(2017)04-0047-06