灌砂法現(xiàn)場測試土密度和壓實度置換材料的選擇

□文/許 淵 朱 亮

灌砂法是道路工程中土密度、壓實度檢測的常用方法，GB/T 50123—2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》、JTGE 40—2007《公路土工試驗規(guī)程》及JTGE 60—2008《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》中均對該試驗方法的適用范圍、試驗步驟、精度及允許偏差進行了詳細說明。GB 50123—2019 中要求量砂粒徑在0.25～0.50 mm，土的密度精確至0.01 g/cm3；JTGE 40—2007 中要求量砂粒徑在0.25～0.50 mm，土的密度平行試驗允許偏差≯0.03 g/cm3；JTGE 60—2008 中要求量砂粒徑 0.3～0.6 mm，土的密度要求精密度0.01 g/cm3。根據(jù)以上規(guī)范要求可知，灌砂法對標(biāo)準(zhǔn)砂的選用有較高要求，標(biāo)準(zhǔn)砂自身密度測定是否準(zhǔn)確且在試驗過程中能否恒定不變，對土密度測試結(jié)果有著極大的影響。

1 標(biāo)準(zhǔn)砂密度對土密度和壓實度影響程度分析

標(biāo)準(zhǔn)砂的松方堆積密度通過標(biāo)定罐標(biāo)定得出并且直接參與計算，灌砂法的計算公式

式中：ρd為土的干密度，g/cm；m1為灌砂前灌砂筒及砂的質(zhì)量，g；m4為灌砂后灌砂筒及砂的質(zhì)量，g；m2為灌砂筒下部圓錐體砂質(zhì)量，g；md為烘干后質(zhì)量，g；K為壓實度，%；ρc為擊實試驗得到的最大干密度，g/cm3。

進行定量分析，m1=12 000 g、m4=8 730 g、m2=850 g、試坑內(nèi)取出的材料濕質(zhì)量mw=4 000 g、md=3 800 g、ρc=2.340 g/cm3、最佳含水率ω=4.9%。選取3 種不同砂密度進行試驗，結(jié)果見表1。

表1 灌砂法檢測土的密度試驗數(shù)據(jù)

由表1 可見，砂密度相差0.03 g/cm3時，土干密度的計算結(jié)果偏差達到0.047 g/cm3，已經(jīng)超過JTGE 40—2007 規(guī)定的平行試驗密度允許偏差≯0.03 g/cm3的要求，壓實度的檢測結(jié)果更是偏差了2.1%，直接影響壓實度結(jié)果的合格判定；也就是說，即使砂密度有很小的變化，都會導(dǎo)致土工試驗的最終密度及壓實度發(fā)生很大的變化。因此，標(biāo)準(zhǔn)砂的密度必須精確。

2 現(xiàn)場檢測采用標(biāo)準(zhǔn)砂的缺陷分析

目前采用的灌砂法檢測過程中使用的標(biāo)準(zhǔn)砂存在兩個難以處理的缺陷。

1）砂密度室內(nèi)標(biāo)定數(shù)據(jù)跟現(xiàn)場數(shù)據(jù)難以一致。規(guī)范規(guī)定試驗前需要對砂密度進行標(biāo)定，每換一次量砂都必須重新測定松方密度。標(biāo)定通常情況下在試驗室進行，而將標(biāo)準(zhǔn)砂帶到工地現(xiàn)場檢測使用時，由于標(biāo)準(zhǔn)砂直接與大氣接觸，難以避免地產(chǎn)生狀態(tài)變化，尤其是標(biāo)準(zhǔn)砂灌入試坑內(nèi)部時，試坑內(nèi)濕度與試驗室內(nèi)濕度差異極大，導(dǎo)致砂在試坑內(nèi)的堆積密度與試驗室內(nèi)標(biāo)定密度相差很大。

眾所周知，砂是一種吸濕性較強的材料，容易“受潮”，其原因是由于砂中顆粒間的孔隙相互貫通，形成無數(shù)的毛細管，當(dāng)砂與含水率較高的材料（即材料表面存在少量自由水）接觸時，由于材料中水分子張力作用，水分子沿砂堆中的毛細孔隙上升，直至水分子所受的重力與使其上升的張力平衡時停止；此時，水分上升高度稱毛細管上升高度。灌砂法檢測中采用的標(biāo)準(zhǔn)砂是經(jīng)過篩網(wǎng)篩分后的單一粒級砂，粒徑均勻一致，顆粒間的孔隙沒有粒徑更小的物質(zhì)填充，因此砂顆粒間存在較大孔隙形成豐富的毛細管道。試坑材料中的自由水分子沿毛細管道上升運動顯著，外觀表現(xiàn)為接觸試坑壁的砂受潮變濕，砂體有較為明顯的收縮。由于砂受潮收縮，砂體堆積密度變大，試坑中流入了更多的砂，導(dǎo)致灌砂后灌砂筒及砂質(zhì)量變小，最終計算得到的干密度變小。

2）砂密度受試坑深度影響大且難以控制。JTGE 40—2007 提出，標(biāo)定罐的深度對砂密度有影響，標(biāo)定罐的深度減2.5 cm，砂密度降低約1%，這對材料干密度數(shù)值影響＞0.02 g/cm3，對壓實度數(shù)據(jù)影響1%左右。分析其原因在于，砂顆粒自由落體運動不同高度，最后的動能不同，導(dǎo)致堆積緊密度不同。因此規(guī)范要求檢測時，試坑深度應(yīng)與標(biāo)定罐一致；然而實際檢測開挖過程中難以控制試坑深度與標(biāo)定罐一致，粗粒土集料粒徑經(jīng)常達到2.5 cm 以上，很難控制開挖精度，進而導(dǎo)致試坑內(nèi)砂的堆積密度與試驗室固定高度標(biāo)定罐標(biāo)定的密度不同。

3 選擇一種更適宜的置換材料

灌砂法試驗所需要的置換材料應(yīng)滿足堆積密度穩(wěn)定、高強度不易破碎、不吸水這三個關(guān)鍵要求。堆積密度恒定不易變可以保證置換材料室內(nèi)標(biāo)定的堆積密度與現(xiàn)場試驗堆積密度相同；高強度不易破碎才能保證置換材料的顆粒體積不變并且可重復(fù)利用；不吸水可以保證置換材料自身的密度不變，保證周圍潮濕環(huán)境不影響材料堆積密度。

常見的球體材料主要有玻璃球、塑料球、鋼球、氧化鋯球。

1）玻璃球。強度不足，易因碰撞破碎而導(dǎo)致球體不圓，堆積密度不穩(wěn)定。

2）塑料球。密度較小，在下落滾動堆積過程中，因自重較小不易形成緊密堆積狀態(tài)，進而影響堆積密度的穩(wěn)定性，同時塑料材質(zhì)不耐磨。

3）鋼球。自身密度過大，灌入試坑后對下方及周圍土體的擠壓力過大，極易導(dǎo)致試坑體積“脹大”，不能有效反應(yīng)挖出筑路材料的真實體積。

4）氧化鋯球。常用的研磨球體，硬度高不易破碎，表面光滑度高，密度適中，不吸水；其性能滿足置換材料所需的要求。

選用單一粒徑5 mm左右的氧化鋯球作為灌砂法置換材料進行堆積試驗，分別將氧化鋯球在距離灌砂法標(biāo)定罐口50、80、100 mm 高度自由落下，測試氧化鋯球的堆積密度，結(jié)果見表2。

表2 不同下落高度氧化鋯球的堆積密度

由表2 可見，氧化鋯球試驗時的堆積密度受下落高度影響很小，遠小于標(biāo)準(zhǔn)砂高度變化2.5 cm，砂密度變化約1%的變化幅度。

向裝滿氧化鋯球的標(biāo)定罐中緩慢噴灑少量水，使水逐漸滲入堆積材料中，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，堆積材料未發(fā)生明顯收縮現(xiàn)象，表明氧化鋯球的堆積體積不易受潮濕環(huán)境中水分的影響。

4 結(jié)語

標(biāo)準(zhǔn)砂在灌砂法試驗中用做置換材料，容易受試坑內(nèi)部潮濕環(huán)境的影響，堆積體積發(fā)生明顯收縮變化；標(biāo)準(zhǔn)砂在不同高度落下時，堆積密度變化較大，以上兩種情況都導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)砂室內(nèi)標(biāo)定密度與現(xiàn)場試驗時的實際密度不一致，導(dǎo)致計算得到的試坑體積不準(zhǔn)，進而影響試驗材料的密度、壓實度。氧化鋯球具有硬度高不易破碎、表面光滑度高、密度適中、不吸水等優(yōu)點，作為置換材料其精確度優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)砂?？紤]到實際試驗中使用的儀器、被檢材料粒徑大小、試驗方便程度，選用單一粒徑5 mm左右的氧化鋯球效果較好。球體下落后可依靠自身動能滾動到狀態(tài)穩(wěn)定位置，實現(xiàn)緊密堆積，同時與試坑壁較好貼服，充分填充。材料使用后回收方便，水洗、過篩、烘干后可重復(fù)使用；可以作為標(biāo)準(zhǔn)砂的替換材料，提高灌砂法試驗的精度。