PFWD壓實(shí)度快速檢測法在水利堤防填土工程中的應(yīng)用探討

黃能高

(江西省撫州市臨川區(qū)撫河河道堤防維護(hù)中心，江西 撫州 344000)

堤防填土工程的壓實(shí)質(zhì)量對整個工程的質(zhì)量和安全具有決定性作用，一旦堤防填土工程質(zhì)量出現(xiàn)問題，很可能引發(fā)工程事故[1-6]。

目前，最常用的堤防工程填土材料主要有粘性土、砂性土、碎石等，不同的填筑材料具有不同的壓實(shí)特性和沉降特性，為了提升堤防填土工程的施工質(zhì)量，必須對施工過程中的壓實(shí)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果做出壓實(shí)參數(shù)的實(shí)時調(diào)整[7-12]。傳統(tǒng)檢測壓實(shí)質(zhì)量的方法存在檢測時間長、檢測精度低等問題，而且一些檢測方法對原有結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致工程質(zhì)量降低，精確、快速、無損、直觀、實(shí)時的壓實(shí)指標(biāo)檢測方法顯得格外重要[13]。便攜式落錘彎沉儀(PFWD)是一種新型壓實(shí)度檢測儀器，在國外已經(jīng)普及應(yīng)用，但在國內(nèi)仍處于初步探索應(yīng)用階段，且基本集中于公路工程方面，在堤防填土工程壓實(shí)度檢測中應(yīng)用還比較鮮見[14-15]。

本文利用便攜式落錘彎沉儀對堤防填土工程的壓實(shí)指標(biāo)進(jìn)行快速檢測，建立壓實(shí)指標(biāo)與檢測指標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系，可為堤防填土工程施工質(zhì)量控制提供方法和借鑒。

1 工程概況

中洲堤位于臨川區(qū)撫河中游，為一環(huán)形圩堤，被撫河干流及從千金坡分叉的支流所包圍，圩區(qū)東面為從千金坡分叉的支流，西面為撫河干流，形成一環(huán)形圩堤，圩區(qū)為撫河沖積平原，地勢平坦，地面高程一般為35m左右。中洲堤工程級別為4級，主要建筑物級別為4級，總長31.12km，橋東防洪墻長1.54km，圩堤保護(hù)面積24.77km2，耕地2.75萬畝，人口5.35萬人。本文對取自該堤防填土工程的粘性土和砂性土兩種土樣進(jìn)行壓實(shí)度檢測分析，兩類填土的物理參數(shù)見表1。

2 PFWD快速檢測法

2.1 檢測方法選取

在堤防填土工程壓實(shí)度現(xiàn)場檢測中，常用的有灌砂法、環(huán)刀法、鉆芯法、無核密度儀測定法、FBT法、PFWD法以及SDG法等。灌砂法檢測一個點(diǎn)的時間需要20～30min，環(huán)刀法檢測一個點(diǎn)的時間需要10～15min，而鉆芯法檢測一個點(diǎn)的時間需要1h，這三種方法檢測時間較長，不適合快速大型工程現(xiàn)場的快速高效檢測。無核密度儀測定法和SDG 法的檢測裝置更加輕便，但是在檢測之前需要做必要的準(zhǔn)備工作，一個檢測點(diǎn)檢測時間一般需要2～3min；FBT檢測法操作簡單，檢測一個點(diǎn)僅需1min，但不能對同一個點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測試，檢測精度有待提升；PFWD 檢測法試驗(yàn)裝置體積小、組裝方便，可適用于狹窄場所，受外界干擾小，可實(shí)現(xiàn)同時施工和檢測，做到堤防工程壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時監(jiān)控，檢測一點(diǎn)僅需1min，可在不影響工程進(jìn)度和質(zhì)量前提下實(shí)現(xiàn)快速大面積的檢測，因此工程選用PFWD法對堤防填土工程壓實(shí)指標(biāo)進(jìn)行檢測。

2.2 PFWD檢測原理

PFWD是便攜式落錘彎沉儀的簡稱，便攜式落錘彎沉儀主要包括兩個部分，一是動力加載系統(tǒng)，主要由鎖定桿、滑桿、落錘、緩沖裝置、承載板等結(jié)構(gòu)組成；二是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要由操作界面和打印機(jī)組成，如圖1所示。本文選用ZFG3000型便攜式落錘彎沉儀對撫河河道堤防填土工程壓實(shí)度進(jìn)行檢測分析，該型號PFWD 主要性能參數(shù)見表2。PFWD檢測過程如下：①將落錘提起并將鎖定桿上部鎖定；②松開鎖定裝置，使落錘自由下落；③落錘最終落在承載板上，對承載板產(chǎn)生一個自由落體沖擊力；④承載板受到?jīng)_擊力后產(chǎn)生位移變形；⑤數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集位移和速度參數(shù)并存儲在采集系統(tǒng)中，同時可將數(shù)據(jù)實(shí)時打印出來。

表2 ZFG3000型便攜式落錘彎沉儀性能參數(shù)

圖1 ZFG3000型便攜式落錘彎沉儀

3 PFWD檢測影響因素分析

3.1 填土厚度的影響

不同填土厚度下PFWD檢測回彈模量的變化特征如圖2所示。從圖中可以看到：即使是同一類型土的碾壓施工，其動態(tài)彈性模量的波動也比較大，這可能與局部存在欠壓現(xiàn)象有關(guān)；填土厚度越大，彈性模量越小，但24cm厚度和36cm厚度下的彈性模量相差不大，填土厚度越薄，單位體積填土的壓實(shí)功越大，填土越密實(shí)，因而動彈性模量越大，但是填土厚度太薄，又會影響碾壓施工效率，造成施工周期延長，因此，填土厚度應(yīng)適中。

圖2 填土厚度對檢測效果的影響

3.2 落錘次數(shù)的影響

不同錘擊次數(shù)下測得的填土彎沉值如圖3所示。相同點(diǎn)位下，當(dāng)落錘次數(shù)為1時，彎沉值較大，當(dāng)落錘次數(shù)大于1時，彎沉值較第一次錘擊時有較大幅度降低，且呈緩慢減小的變化趨勢，最終趨于一個相對穩(wěn)定值，這主要是因?yàn)槁溴N質(zhì)量為10kg，當(dāng)?shù)谝淮温溴N時，會對土體產(chǎn)生較大的沖擊，使得彎沉值較大，在實(shí)際操作過程中，應(yīng)盡量使落錘預(yù)砸三次后，再記錄彎沉數(shù)值。

圖3 落錘次數(shù)對檢測效果的影響

3.3 重錘下落高度的影響

不同重錘下落高度下PFWD檢測回彈模量的變化特征如圖4所示。隨著落錘高度的增加，回彈模量逐漸減小，這主要是因?yàn)槁溴N高度越大，所獲得的重力勢能越大，重力勢能最終轉(zhuǎn)化為沖擊動能，迫使承載板產(chǎn)生位移。因此，為了保證測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，在每次測試時，應(yīng)根據(jù)土壤物理力學(xué)性質(zhì)，設(shè)定統(tǒng)一合理的高度，并在測試過程中，盡量保持導(dǎo)桿垂直，以減小落錘下降過程中摩擦阻力所帶來的能量損失。

圖4 重錘下落高度對檢測效果的影響

4 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

壓實(shí)度是堤防填土工程最重要的質(zhì)量控制指標(biāo)，PFWD檢測法在測試過程中主要記錄落錘時間、速度、彎沉值以及回彈模量值，為使測試精度更高，通常一個點(diǎn)測試三次，取三次測試彎沉值(落錘高度均為70cm)的平均值計(jì)算回彈模量值，通過回彈模量值來判斷壓實(shí)度是否合格，因此需要確定回彈模量與壓實(shí)度之間的關(guān)系，現(xiàn)場試驗(yàn)中粘性土壓實(shí)度采用環(huán)刀法進(jìn)行檢測，砂性土壓實(shí)度采用灌砂法進(jìn)行檢測，建立回彈模量與壓實(shí)度關(guān)系如圖5所示。壓實(shí)度與回彈模量之間呈良好的冪函數(shù)關(guān)系，回彈模量越高，壓實(shí)度越大；粘性土的壓實(shí)度與回彈模量關(guān)系為：K=77.782E0.0362(K表示壓實(shí)度，E表示回彈模量)，相關(guān)系數(shù)R2為0.8196，砂性土的壓實(shí)度與回彈模量關(guān)系為：K=36.025E0.2413，相關(guān)系數(shù)R2為0.8469。

圖5 回彈模量與壓實(shí)度關(guān)系

通過上文分析可知：PFWD快速檢測法能對粘性土、砂性土等不同類型堤防填土工程壓實(shí)度進(jìn)行較為準(zhǔn)確地測試，PFWD快速檢測法測試得到的回彈模量與填土工程壓實(shí)度之間呈良好的冪函數(shù)關(guān)系。通過PFWD快速檢測法得到的回彈模量，將其代入對應(yīng)類型填土材料的關(guān)系式中，可以獲得堤防填土工程的壓實(shí)度，實(shí)現(xiàn)堤防填土工程壓實(shí)指標(biāo)的快速檢測。

5 結(jié)語

(1)PFWD 檢測法試驗(yàn)裝置體積小，組裝方便，受外界環(huán)境干擾小，檢測時間短，可用于狹窄場地，可在不影響工程進(jìn)度和質(zhì)量前提下實(shí)現(xiàn)快速大面積檢測。

(2)隨著填土厚度的增加，動彈性模量逐漸減小，填土工程厚度應(yīng)適中；為不影響檢測精度，應(yīng)盡量使落錘預(yù)砸三次后，再記錄彎沉數(shù)值；落錘高度對檢測回彈模量有重要影響，每次檢測的落錘高度應(yīng)盡量保持統(tǒng)一。

(3)PFWD快速檢測法所測回彈模量與堤防填土工程材料的壓實(shí)度呈良好的冪函數(shù)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)PFWD對堤防填土工程壓實(shí)指標(biāo)進(jìn)行快速檢測。

(4)本文僅對粘性和砂性堤防填土工程的壓實(shí)度進(jìn)行快速檢測分析，關(guān)于其他填筑材料的壓實(shí)度檢測還需在今后做進(jìn)一步研究。