氣球密度儀法在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)壓實(shí)度中的應(yīng)用

梁騰龍

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司非洲事業(yè)部，云南 昆明 650041）

1 體積測(cè)試原理

氣球密度儀與灌砂筒檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度，都是以某種物質(zhì)作為介質(zhì)從而換算試驗(yàn)探坑體積，最后達(dá)到計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)材料壓實(shí)密度為目的。檢測(cè)方法的不同在于探坑體積測(cè)量方式存在區(qū)別。

灌砂筒：利用已知密度均勻（0.3-0.6mm）的量砂從一定高度自由下落灌入到探坑內(nèi)，按單位重不變的原理來測(cè)量探坑體積，再根據(jù)探坑內(nèi)的材料質(zhì)量計(jì)算材料密度，以達(dá)到計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度為目的。

氣球密度儀： 通過氣球密度儀加壓裝置向儀器中的儲(chǔ)水桶中施加壓力，使底部橡膠氣球膨脹填充探坑，再通過體積標(biāo)尺直接讀取探坑體積，根據(jù)探坑內(nèi)材料質(zhì)量計(jì)算材料密度，以達(dá)到計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度為目的。

2 氣球密度儀

從（圖1）可以簡(jiǎn)單地了解該儀器的配件及說明，氣球密度儀主要配件：

1）水位器，連接與儀器頂部用于調(diào)節(jié)水位和觀察氣泡；

2）壓力表，最大量程1巴，精確0.02巴；

3）加壓桿（體積標(biāo)尺），一個(gè)外部刻有刻度線的中空桿，底部配有橡膠活塞和密封圈；

4）儲(chǔ)水桶，銅制外殼，內(nèi)徑9.5cm內(nèi)壁光滑無凸起變形；

5）基礎(chǔ)版，基礎(chǔ)版為中心開有圓孔，外沿呈方形的合金金屬板，具有足夠的硬度，不會(huì)在使用的過程中變形，基礎(chǔ)版中心開孔直徑為150mm；

6）橡膠氣球，具有柔性的橡膠薄膜，防水且可自由拆卸，也可用其他乳膠材料代替。

圖1 氣球密度儀示意圖

3 試驗(yàn)步驟

3.1 粗糙表面體積檢測(cè)

測(cè)點(diǎn)利用毛刷清除松散顆粒且面積不小于基礎(chǔ)板尺寸，用鉚釘固定基礎(chǔ)板使其接近水平面，如果達(dá)不到，應(yīng)重新進(jìn)行調(diào)整。將儀器固定在基礎(chǔ)板上，按壓手柄使其達(dá)到所需壓力（大于或等于0.05巴）本文所用儀器擬定的基準(zhǔn)壓力為0.2巴，然后通過儀器的體積標(biāo)尺上直接讀取測(cè)點(diǎn)粗糙表面體積。

3.2 試坑中材料的重量

用鐵錘和鋼釬挖取探坑內(nèi)的所有材料，試坑深度不大于孔口直徑切不小于孔口直徑的一半，試坑的形狀必須是垂直向下，試坑內(nèi)松散顆粒應(yīng)用毛刷進(jìn)行清理，收集從試坑中挖取的所有材料密封在塑料袋或稱樣器皿中防止水分蒸發(fā)，在挖取材料的過程中應(yīng)避免材料丟失。

3.3 探坑體積測(cè)量

將氣球密度儀再次固定在基礎(chǔ)板上，扭緊固定螺栓，按壓手柄向儲(chǔ)水筒內(nèi)加壓，待加壓至0.2bar的壓力時(shí)立即停止施壓，提起手柄利用體積標(biāo)尺上的游標(biāo)讀取所測(cè)探坑的總體積。最后利用總體積減去粗糙面體積所得出的就是探坑內(nèi)的體積。

注意：在第3項(xiàng)中描述的所有操作過程中，基礎(chǔ)板都不得在試驗(yàn)的過程中發(fā)生移位（特別是在體積測(cè)量期間）。

4 對(duì)比試驗(yàn)

4.1 灌砂筒檢測(cè)準(zhǔn)備工作

根據(jù)粒徑大小選用合適的灌砂筒，本文以150mm大型灌砂筒為例，一袋標(biāo)準(zhǔn)砂按照規(guī)范JTG E60-2008公路工程路基試驗(yàn)檢測(cè)規(guī)程提取0.3mm-0.6mm的量砂，三次量砂的平均松方密度為1.33g/cm3；灌砂筒距筒口約15mm位置的定值筒加砂為8500g在玻璃板上標(biāo)定錐體體積內(nèi)基準(zhǔn)量砂為661g灌砂筒流沙口開關(guān)關(guān)閉自由。

4.2 氣球密度儀檢測(cè)準(zhǔn)備工作

安裝水位器，用生膠帶纏裹防止漏氣漏水；倒置氣球密度儀向儲(chǔ)水筒內(nèi)注水，安裝底部橡膠氣球確保密封不透水；轉(zhuǎn)正儀器打開水位器頂部封蓋，將配套直徑為150mm的鋼制圓形鋼片墊入基礎(chǔ)板圓環(huán)內(nèi)，然后將儀器安裝在基礎(chǔ)板上扭緊基礎(chǔ)板螺絲；體積標(biāo)尺歸零，輕輕敲打基礎(chǔ)板和儲(chǔ)水桶外壁，使多余氣泡通過水溫器排出，過程中繼續(xù)向設(shè)備內(nèi)注水，直至觀察無氣泡排出后擰緊水位器封蓋；擦干儀器外部水分，垂直旋轉(zhuǎn)設(shè)備觀察是否有水溢出，無水溢出則表明準(zhǔn)備工作完畢。

4.3 同一探坑體積測(cè)試對(duì)比

在路基上選擇測(cè)點(diǎn)，根據(jù)3.2的操作步驟先利用灌砂筒基礎(chǔ)板，在測(cè)點(diǎn)上檢測(cè)粗糙面的體積，然后將氣球密度儀基板用鉚釘固定在原位置，挖取徑高比1∶1的試驗(yàn)探坑，挖取探坑內(nèi)的所有材料，清除坑內(nèi)松散材料。將氣球密度儀安裝在基礎(chǔ)板上測(cè)量探坑體積，最后將灌砂筒置于探坑上測(cè)量探坑體積，兩種儀器分別檢測(cè)的結(jié)果數(shù)據(jù)看（表1）：

表1 儀器檢測(cè)數(shù)據(jù)

通過2種設(shè)備在同一測(cè)點(diǎn)位置做體積對(duì)比我們可以看出2種設(shè)備的體積檢測(cè)方法雖然有所不同，但最終的檢測(cè)結(jié)果相同令人滿意。氣球密度儀的基礎(chǔ)板厚實(shí)測(cè)為0.5cm通過計(jì)算得出基礎(chǔ)板內(nèi)的理論體積為88.4g/cm3，氣球密度儀實(shí)測(cè)145g/cm3減去基礎(chǔ)板內(nèi)體積結(jié)果為56.6g/cm3結(jié)果接近于灌砂筒所測(cè)得的測(cè)點(diǎn)粗糙面體積54.9g/cm3。氣球密度儀最小精度為10g/cm3如有精度要求可以進(jìn)行估讀，因?yàn)榫鹊男枰髡咴谶@里進(jìn)行了估讀。

4.4 數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析

利用2種設(shè)備在相同材質(zhì)的路基自然段上進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)定統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)試點(diǎn)采用隨機(jī)取樣法，路基結(jié)構(gòu)層為PST-0路基頂，設(shè)計(jì)壓實(shí)度95% 材料為紅土礫石料，評(píng)定采用規(guī)范JTG F80/1-2017公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊(cè) 土建工程。

以上結(jié)果顯示灌砂法檢測(cè)結(jié)果評(píng)定中標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)偏差大，數(shù)值反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度不穩(wěn)定。氣球密度儀法相對(duì)于灌砂法來說，結(jié)果偏差相對(duì)比較穩(wěn)定，操作過程中只要施加的壓力保持一致，探坑體積變化就不會(huì)太大。

5 儀器標(biāo)定

氣球密度儀體積標(biāo)尺由30個(gè)主刻度線組成，最大測(cè)量體積3000cm3詳細(xì)信息可以查看（表2）中的刻度線。如果在使用之前對(duì)體積精度產(chǎn)生疑問，可以按照以下步驟對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，舉例為3000型密度儀：

1）將儀器底部固定裝置打開，將內(nèi)置活塞提升至頂部并將體積標(biāo)尺上的游標(biāo)歸零，分別用1m的鋼直尺和游標(biāo)卡尺檢測(cè)儲(chǔ)水桶的內(nèi)徑和筒深，經(jīng)測(cè)量筒深為4233mm，內(nèi)徑為95mm通過體積公式計(jì)算得出儲(chǔ)水桶的體積為3000cm3按照體積標(biāo)尺的精度又可以分為30個(gè)主要刻度線、150個(gè)次要刻度線和300個(gè)分刻度線，通過以上數(shù)據(jù)我們可以進(jìn)行計(jì)算每個(gè)刻度線之間的間距（圖2）：

表2 灌砂筒法檢測(cè)壓實(shí)度結(jié)果評(píng)定

表3 氣球密度儀檢測(cè)壓實(shí)度結(jié)果評(píng)定

圖2 示意圖

每個(gè)主要刻度線間距：4233/300=14.11mm；

每個(gè)次要刻度線間距：4233/300/5=2.82mm；

每個(gè)分刻度線間距:4233/300/10=1.41mm。

2）用游標(biāo)卡尺測(cè)量每個(gè)主刻度線、次刻度線和分刻度線的間距，每個(gè)刻度線的間距距離就代表相對(duì)應(yīng)的體積，每1.41mm代表的就是10cm3的體積、每2.82mm代表的就是20cm3的體積、每14.11mm代表的就是100cm3的體積，以此類推。

3）如果體積標(biāo)尺刻度間距出現(xiàn)差異且每級(jí)刻度間距保持一致的情況下可以通過修正系數(shù)來彌補(bǔ)，例如對(duì)分刻度進(jìn)行測(cè)量實(shí)際測(cè)量刻度間距為1.21mm體積為8.58cm3通過標(biāo)準(zhǔn)體積可以計(jì)算出修正系數(shù)為1.166如果存在修正系數(shù)，在探坑體積的測(cè)量中應(yīng)考慮修正系數(shù)，有必要時(shí)每年對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定1次。

6 結(jié)語

灌砂法用的量砂在運(yùn)輸過程中和試驗(yàn)過程中的輕微震動(dòng)都會(huì)造成探坑體積發(fā)生變化，每次量砂回收之后要進(jìn)行多次篩分所以每天都需要進(jìn)行清洗后重新標(biāo)定量砂密度，以確保檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確有效，過程煩瑣不易操作。探坑體積誤差每增加1cm3壓實(shí)度濕密度變化1kg/m3壓實(shí)度結(jié)果變化0.041%，試驗(yàn)過程避免因操作不當(dāng)造成誤差偏離過大影響檢測(cè)結(jié)果。

氣球密度儀可以快速簡(jiǎn)便的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)，為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)收工作節(jié)省時(shí)間。氣球密度儀建議采用蒸餾水，防止有過多微氣泡影響檢測(cè)結(jié)果，對(duì)于繼配碎石料土或針狀顆粒較多的碎石層，在探坑邊緣及底部用平面鐵器進(jìn)行敲打，避免橡膠氣球破裂。儀器在使用及運(yùn)輸過程中應(yīng)小心搬運(yùn)防止重物擠壓導(dǎo)致的體積標(biāo)尺變形除此之外建議做定期保養(yǎng)和標(biāo)定，防止數(shù)據(jù)失真，長(zhǎng)久不使用的應(yīng)保養(yǎng)后進(jìn)行封存。