SDG密度儀測定無粘性土密實(shí)度試驗(yàn)探究

李 真，王正君，熊奧運(yùn)，姜榮輝

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

0 引言

近年，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對工程建設(shè)的投入不斷加大。工程填土的質(zhì)量普遍用壓實(shí)度指標(biāo)進(jìn)行控制，不同土質(zhì)的壓實(shí)性能有很大的區(qū)別。通常認(rèn)為，無粘性土的壓實(shí)效果較好。相較于粘性土、粉質(zhì)土等分散性土來說，無粘性土呈密實(shí)狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，壓縮性小，強(qiáng)度大，可作為良好的天然地基，具有較大的研究意義和利用價值。

工程上在壓實(shí)填土施工中，填土密實(shí)度測試是填土壓實(shí)質(zhì)量控制的重中之重。目前，理論上可以用于無粘性土密實(shí)度檢測的方法主要有破損法（環(huán)刀法、灌砂法和灌水法）[1~3]以及無損法（核子密度儀法）。但由于無粘性土的粘性較差且呈松散狀態(tài)，使用環(huán)刀法及灌砂法進(jìn)行檢測時，土樣不易成型，操作難度大，檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較差。無損檢測方法不是一種直接檢測填土壓實(shí)度的方法，此類方法不僅能夠保持被測土體的完整性，減少對壓實(shí)路基和壓實(shí)堤壩的破壞，而且可以較好地避免外界因素的干擾，很大程度地提高了檢測效率。但核子密度儀法的使用過程較為復(fù)雜，并且存在核輻射的危險，這些因素導(dǎo)致其在工程建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展受到很大限制。因此，迫切需要一種能夠無損、安全、快速、準(zhǔn)確檢測無粘性土密實(shí)度的方法。本文使用SDG無核密度儀測定無粘性土的密實(shí)度，并用傳統(tǒng)破損法灌水法[4]檢測值作為對照試驗(yàn)，探究該儀器測定無粘性土密實(shí)度的穩(wěn)定性與可靠性。

1 測試原理及儀器簡介

SDG無核土壤密度儀是近年來推出的一款用于土壤密實(shí)度測試的無損檢測儀器。它采用電化學(xué)阻抗圖譜技術(shù)，在對電磁場測量時可以將土壤密度與含水率區(qū)分開，其壓實(shí)度是通過電磁感應(yīng)場對材料基質(zhì)電化學(xué)阻抗的變化響應(yīng)來達(dá)到無損檢測的目的[5]。由于空氣的介電常數(shù)比土壤中的其他材料的介電常數(shù)低得多，當(dāng)壓實(shí)度提高時，土壤中空氣減少，導(dǎo)致綜合介電常數(shù)升高，SDG土壤密度儀通過內(nèi)置數(shù)據(jù)處理器將測試得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算得到的壓實(shí)填土的密度、壓實(shí)度及土體含水率，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場填土密度的實(shí)時快速無損檢測。SDG相較于各種傳統(tǒng)的有損測量方法以及其它的無損測量方法，展現(xiàn)了很好的優(yōu)越性，是當(dāng)前較為先進(jìn)的土壤密度檢測儀器。

試驗(yàn)所用的儀器為美國交通運(yùn)輸公司研發(fā)生產(chǎn)的SDG200無核密度儀，儀器基本技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 SDG200無核密度儀基本技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法

2.1 前置參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行SDG無粘性土密實(shí)度檢測試驗(yàn)之前，首先要將被測土體的前置參數(shù)輸入儀器中，這是儀器操作的重要步驟[6]。試驗(yàn)所用土樣為黑龍江省通河縣的天然砂土，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》試驗(yàn)得到的基本參數(shù)。表中最大干密度與最優(yōu)含水率的獲取方式與粘性土區(qū)別很大，這也是使用SDG密度儀檢測無粘性土密實(shí)度的一個難點(diǎn)。通過先行研究可知粘性土的最大干密度與最優(yōu)含水率通過擊實(shí)試驗(yàn)即可獲得，而無粘性土的這兩個參數(shù)需通過振動法[7]先得出最大干密度，再利用最大干密度與最優(yōu)含水率的轉(zhuǎn)換關(guān)系式得到最優(yōu)含水率。無粘性土不同于粘性土，沒有液限和塑限，因此在進(jìn)行無粘性土的密實(shí)度檢測時，將以上兩個參數(shù)設(shè)置為0即可。砂土基本參數(shù)見表2。

表2 砂土基本參數(shù)

2.2 制備土樣及試驗(yàn)過程

由于SDG密度儀是通過電磁感應(yīng)場對材料基質(zhì)化學(xué)阻抗的變化得到的測試結(jié)果，因此使用該儀器在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行檢測時，需要提前制備一個木制模具[8]，采用木制材料不僅能夠避免外界因素對儀器的干擾、又可節(jié)約成本。試驗(yàn)制備的模具見圖1，考慮到儀器測量的深度和直徑以及邊界效應(yīng)的影響，故模具的尺寸為90 cm×90 cm×30 cm。

圖1 土樣制備

使用SDG密度儀在室內(nèi)檢測無粘性壓實(shí)填土的前期準(zhǔn)備。

1）土樣篩分：用篩分器對原樣砂土進(jìn)行大致篩分，只需將其中的大粒徑石塊以及其他雜質(zhì)去除即可，以求充分保證土樣的級配良好。

2）土樣制備：由于模具的體積以及砂土的最大干密度已知，然后將預(yù)期的壓實(shí)度設(shè)置為90%，即可求出需要制備的干土質(zhì)量。

式中：m干土為干土質(zhì)量；V模具為模具體積；ρdmax為最大干密度；m濕為濕土質(zhì)量；ω0為土樣真實(shí)含水率。

通過酒精燃燒法可以測得土樣的真實(shí)含水率。

式中：m水為土樣中加水的質(zhì)量。

為了保證土樣的含水率均勻，不能直接將土一次性倒入模具中，而是需要采取定量多次的方式向模具中添加相同且攪拌均勻的土樣，然后分3次進(jìn)行充分壓實(shí)。制備好的土樣必須要蓋上塑料薄膜放置一夜，目的是使其含水率均勻并且不發(fā)生變化。

進(jìn)行SDG試驗(yàn)時，首先要將待測土樣表面刮平，按一定比例間隔選擇測試點(diǎn)。在測試點(diǎn)處選擇5個固定點(diǎn)，然后按照圖2所示位置進(jìn)行測試，一次完整的檢測需要經(jīng)過5個步驟。當(dāng)開始讀數(shù)時切記不要觸摸儀器，否則測試結(jié)果將會出現(xiàn)較大誤差。5次讀數(shù)過后儀器將自動計算其平均值到數(shù)據(jù)文件中。準(zhǔn)備測試前，一定要使儀器處于穩(wěn)定狀態(tài)，遠(yuǎn)離電線、電源等通電設(shè)備。然后打開SDG密度儀，查看儀器各項(xiàng)功能能否正常操作，當(dāng)儀器信號接收穩(wěn)定后，開始測試。由于目前SDG土壤密度儀能夠保存數(shù)據(jù)的最大容量值為30個，因此，一旦超過最大容量值，儀器就會自動將之前測得的數(shù)據(jù)隱藏，只保留最新數(shù)據(jù)。各點(diǎn)的檢測用時大概在120 s~180 s之間，檢測完成后，儀器會通過自動內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理器對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算得到各項(xiàng)測試指標(biāo)，每個點(diǎn)的實(shí)時檢測數(shù)據(jù)都要及時記錄下來，以防丟失[9~10]。為了判定SDG密度儀測試的穩(wěn)定性，本試驗(yàn)制備了含水率不同的三種土樣作為參照。檢測完成后，繼續(xù)用原土樣做灌水法試驗(yàn)，得到壓實(shí)土體的真實(shí)密度，衡量該儀器的可靠性。SDG密度儀測試見圖3。

圖2 SDG密度儀測試步驟

圖3 SDG儀測試

3 結(jié)果與分析

3.1 SDG密度儀檢測結(jié)果穩(wěn)定性分析

表3 SDG土樣一各點(diǎn)的檢測值

圖4 土樣1數(shù)據(jù)圖

表4 SDG土樣二各點(diǎn)的檢測值

圖5 土樣2數(shù)據(jù)圖

表5 SDG土樣三各點(diǎn)的檢測值

圖6 土樣3數(shù)據(jù)圖

各土樣各監(jiān)測點(diǎn)檢測得到的數(shù)據(jù)見表3~表5、圖4~圖6，由圖可知，SDG密度儀展現(xiàn)了較好的性能，該儀器測得的無粘性填土壓實(shí)度均接近于預(yù)計值90%，穩(wěn)定性較高，可以用于對無粘性土密實(shí)度的檢測。

3.2 SDG密度儀檢測結(jié)果準(zhǔn)確性分析

表6 灌水法檢測數(shù)據(jù)值

通過對相同條件的壓實(shí)土樣用SDG密度儀和灌水法進(jìn)行對比試驗(yàn)，探究兩種不同方法檢測數(shù)據(jù)見表6、表7，數(shù)據(jù)擬合圖見圖7。

表7 SDG檢測數(shù)據(jù)值

圖7 SDG與灌水法數(shù)據(jù)擬合圖

通過以上圖表數(shù)據(jù)可知，SDG密度儀與灌水法檢測出的無粘性填土壓實(shí)度值具有較好的擬合度，兩條折線相關(guān)性密切。通過SDG值與灌水法值的擬合，可以得到R平方值為0.8063，兩組數(shù)據(jù)之間的擬合算式為：y=-0.0136x2+0.3712x+83.493。在工程填土中，灌水法的檢測值具有代表性，可以較為準(zhǔn)確地反映填土的壓實(shí)情況。因此，從以上論證可以得出，該儀器具有較好的準(zhǔn)確性，值得在工程領(lǐng)域推廣使用。

4 結(jié)論

1）使用SDG密度儀檢測無粘性土的密實(shí)度時，前置參數(shù)的獲取方式與粘性土有很大不同。無粘性土的最大干密度與最優(yōu)含水率需要通過振動法試驗(yàn)以及二者的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到，而粘性土則必須通過擊實(shí)試驗(yàn)獲取。

2）運(yùn)用SDG密度儀檢測多組無粘性土的密實(shí)度后，通過對比分析數(shù)據(jù)，可以得出該儀器測試結(jié)果的波動范圍較小，具有良好的穩(wěn)定性。

3）將傳統(tǒng)有損方法灌水法作為對照試驗(yàn)，把二者測得的土壤密實(shí)度數(shù)據(jù)擬合之后，發(fā)現(xiàn)SDG土壤密度儀檢測結(jié)果與灌水法檢測值具有一定的相似性，都與預(yù)期的壓實(shí)度相近，準(zhǔn)確性較高。

4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)可知，SDG土壤密度儀測定的無粘性土干密度值與真實(shí)值較為接近，誤差較小。而通過其測得的含水率值卻普遍大于真實(shí)值，存在較大誤差，不能如實(shí)地反映無粘性土的含水狀況。此誤差產(chǎn)生的主要原因是該儀器測試含水率的原理與傳統(tǒng)的灌水法檢測有很大不同。