納米比亞某沙漠公路路基壓實(shí)度檢測技術(shù)的探討

李洪周,黃成友,王 宣

(1.中國十九冶集團(tuán)有限公司 ，四川成都610031;2.中冶交通工程技術(shù)有限公司，北京100028)

1 工程概況及特點(diǎn)

1.1 工程概況

MR125公路為納米比亞公路局投資升級瀝青道路，總長208 km,分兩期組織實(shí)施。一期長115.2 km，有179座涵洞，自KONGOLA至LINANTI；二期長92.8 km，有82座涵洞，自LINANTI至KATIMA,連接B8公路。公路位于南非高原西部納米比亞境內(nèi)，北至贊比亞，處于熱帶旱季地區(qū)，早晚溫差較大。填筑料土質(zhì)類型：低塑性或無塑性的砂類土。以填筑路基為主，少量需挖方。填筑料來源于周邊50多處取土場，需采用推土機(jī)及挖掘機(jī)剝離后挖運(yùn)至路基進(jìn)行填筑。主要檢測試驗(yàn)有土工試驗(yàn)、混凝土抗壓試驗(yàn)、集料試驗(yàn)等。

1.2 工程特點(diǎn)

(1)MR125公路工程路線長、工期短，地方道路法對填筑壓實(shí)度要求較高，路基填筑質(zhì)量嚴(yán)格執(zhí)行南非COLTO標(biāo)準(zhǔn)。MR125公路工程路基填筑要求詳見表1。

表1 物料及壓實(shí)度要求

(2)本工程填筑料土質(zhì)類型屬于低塑性或無塑性的砂類土。主要土工試驗(yàn)分室外和室內(nèi)，室外：現(xiàn)場密度及濕度檢測，動態(tài)圓錐貫入檢測；室內(nèi)：土類篩分及液塑性指數(shù)、線性收縮，取土坑及填筑段的填料做擊實(shí)試驗(yàn)確定最大干密度及最佳含水率，CBR值確定土的性質(zhì)。

(3)根據(jù)納米比亞MR125公路施工法：本項(xiàng)目填方路基現(xiàn)場壓實(shí)度檢測采用核子密度儀，因此及時(shí)掌控路基填筑料的壓實(shí)情況有利于提高施工進(jìn)度。試驗(yàn)規(guī)程遵從《南非試驗(yàn)規(guī)程》及南非COLTO標(biāo)準(zhǔn)。

2 最大密度干密度及最佳含水量的確定

在壓實(shí)過程中,土顆粒間的引力和斥力的相對大小決定了壓實(shí)土的結(jié)構(gòu)。當(dāng)土樣的含水量較小時(shí),土粒間引力較大,在一定的外部壓實(shí)功能作用下,還不能有效地克服引力而使土顆粒相對移動,這時(shí)壓實(shí)效果較差;增大含水量后,結(jié)合水膜逐漸增厚,引力減小,土顆粒在相同功能條件下易于移動而擠密,所以壓實(shí)效果較好;當(dāng)含水量增大到一定程度后,孔隙中已出現(xiàn)了自由水,結(jié)合水膜的擴(kuò)大作用不再顯著,因而引力的減少也不是十分顯著,同時(shí)自由水填充在孔隙中阻止土顆粒移動的作用卻隨著含水量的增加而漸漸顯著起來,所以此時(shí)壓實(shí)效果反而下降。所以,通過檢測土壤的干密度能有效評判路基壓實(shí)度的質(zhì)量。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)密度(最大干密度)和最佳含水量的確定方法

由于筑路材料結(jié)構(gòu)層次等因素的不同,確定室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)密度的方法也多樣化,有些方法需在實(shí)踐中進(jìn)一步完善。最大干密度是指通過標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，利用雙曲線圖確定最大干密度值,該值對應(yīng)的含水量即為最佳含水量。

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)定義

(1)最大密度：特定壓實(shí)作用力下，材料的最大密度是在不同含水量水平下進(jìn)行壓實(shí)后取得的最高密度。

(2)最佳含水量：特定壓實(shí)作用力下，材料的最佳含水量系指獲得最大密度條件下的含水量。

2.1.2 試驗(yàn)主要儀器

(1)一個(gè)直徑為152.4±0.5 mm的模子，152.4±1 mm高，配有可拆卸軸環(huán)、底板及一塊25.4±1 mm厚的隔板。按規(guī)定，將隔板放入模具后，模子的有效深度應(yīng)為127±1 mm。隔板應(yīng)牢牢固定在底板上。壓實(shí)底板應(yīng)用螺栓固定在一塊至少150 mm厚、200 kg重的混凝土砌塊上。

(2)一只4.536 kg±20 g搗錘，表面直徑為50.8±1.0 mm，帶一個(gè)護(hù)套，下落距離為457.2±2 mm。

(3)鋼尺一把(約300 mm長),沉砂槽一個(gè), 稱重15 kg的天平一臺,稱重2 kg的天平一臺，精確至0.1 g。

(4)一個(gè)鋼制搗固機(jī)或一個(gè)小型試驗(yàn)室粉碎機(jī)。篩網(wǎng)：19.0 mm及4.75 mm，符合SABS197的規(guī)定。

(5)鐵研缽及研杵一套，橡膠嘴杵一只，抹刀一把。

(6)1 000 g材料以測定含水量的適宜容器。

(7)恒溫控制的干燥爐一臺，能將溫度保持在105～110℃。

(8)量筒，容量分別為1 000 ml和500 ml，噴水器或?yàn)⑺饕粋€(gè)，周長150 mm的濾紙。

(9)一部樣品擠壓機(jī)，適用于將壓實(shí)試樣從模具內(nèi)壓出的千斤頂、杠桿、框架或其他裝置(可選擇)。

2.1.3 試驗(yàn)步驟

(1) 樣品制備:足量風(fēng)干樣本用一個(gè)19.0 mm的篩子篩分。留在19.0 mm篩上的集料用一個(gè)鋼制搗固機(jī)(或試驗(yàn)室粉碎機(jī))輕輕碾碎以通過一個(gè)19.0 mm的篩子后再加進(jìn)已過篩的部分。應(yīng)注意不要將集料過度粉碎。如果材料含有土壤集料，則集料應(yīng)采用一套研缽和研杵盡可能的碾細(xì)。

(2)四分法:每一份再分成四份，以獲得五盆完全相似的材料。最好是用一個(gè)沉砂槽將樣本分成16等份，用其中三份(即樣本的3/16)來確定濕度—密度關(guān)系曲線上的一點(diǎn)。多余的一份可以丟棄。五個(gè)盆子中的材料質(zhì)量都應(yīng)在6～7 kg之間，質(zhì)量較大的應(yīng)用于相對密度較高的材料。為了方便起見，五個(gè)盆子中的質(zhì)量應(yīng)相等。

(3)攪拌(均勻配制):測量每個(gè)盆子中的樣本，精確度達(dá)到5 g，然后轉(zhuǎn)移到混合盆中。噴水器或?yàn)⑺髦屑尤胍欢w積的水，然后緩慢加入盆中的材料中。加水時(shí)，應(yīng)用鏟子不斷攪拌材料，加水直至操作員認(rèn)為達(dá)到最佳含水量，應(yīng)持續(xù)攪拌濕料長達(dá)幾分鐘。測量噴水器或?yàn)⑺髦惺Ｓ嗟乃恳郧蟮脤?shí)際添加的水量，此數(shù)量然后表達(dá)為風(fēng)干材料的一個(gè)百分比?，F(xiàn)在濕料應(yīng)覆蓋有防止蒸發(fā)的潮濕包層，并靜置半個(gè)小時(shí)，使水分均勻分布。靜止半個(gè)小時(shí)，可在水?dāng)嚢柽M(jìn)后立即開始壓實(shí)。

(4)擊實(shí)試驗(yàn):現(xiàn)在再次攪拌濕料，稱出約1 000 g材料并轉(zhuǎn)移到模具里。通過壓實(shí)和輕微夯實(shí)，將土壤表層手工平整，并使用一個(gè)4.536 kg重的搗錘從457.2 mm處下落夯砸55次。夯砸應(yīng)均勻分布在整個(gè)層面，分五輪，每輪11次。每一輪夯砸中，八次砸在圓周外側(cè)，三次砸在中心周圍。提升起搗錘后，操作員應(yīng)確保導(dǎo)鞘位于土壤上，而搗錘落下前位于鞘的正上方。搗錘的下落應(yīng)無任何外力作用。操作人員還應(yīng)注意搗錘的夯砸面保持清潔，且材料不會結(jié)成塊粘在夯砸面上。夯砸過第一層后，測量模具頂部下的夯砸材料表層深度，不含軸環(huán)，該深度應(yīng)在96 mm～99 mm之間。如果深度不正確，下一層稱出的濕料的質(zhì)量應(yīng)適當(dāng)增加或減少。應(yīng)按照完全相同的方式再夯砸四層材料，每層厚度應(yīng)稍微超出25 mm，但不得超過30 mm。模具頂部到壓實(shí)層表面的深度最好應(yīng)在下列范圍之間：第一層：96～99 mm；第二層：68～71 mm；第三層：43～46 mm；第四層：15～20 mm。

壓實(shí)第五層后，材料表面應(yīng)高于模具頂部以上5～15 mm，不含軸環(huán)，人工再用抹刀抹平。

(5)烘干法確定含水量:壓實(shí)第二層后，從盆子的材料中取出一份具有代表性的樣本，置于一個(gè)合適的容器內(nèi)以測定其含水量。樣品應(yīng)在500～1 000 g之間。材料越粗糙，樣品越大。濕樣本應(yīng)立刻稱重，精確度達(dá)0.1 g，然后在105～110℃的干燥箱中烘干至恒定質(zhì)量。測定的含水量精確到0.1 %。結(jié)果記錄在表格A7/1上或類似表格中。

(6)確定濕度—密度關(guān)系曲線的其他點(diǎn):上文說明的是對濕度—密度關(guān)系曲線上一點(diǎn)的確定，但仍需獲得其他幾點(diǎn)。因此，需對其它四個(gè)盆子中制備好的材料(不同含水量)實(shí)施上述操作。第二次壓實(shí)后，用一個(gè)假設(shè)含水量來計(jì)算兩次壓實(shí)的近似干密度，該假設(shè)含水量是所加水分的百分比加上風(fēng)干樣本的估計(jì)含水量。按假設(shè)含水量繪制近似干燥密度，則兩點(diǎn)的相對位置將表明第三點(diǎn)應(yīng)添加的水量。標(biāo)出第三點(diǎn)后，曲線形狀將表明剩余點(diǎn)的最佳含水量。如果可能，則應(yīng)在濕度—密度曲線任何一側(cè)的峰值處至少求得含水量相差1%的兩點(diǎn)，而最后一點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近峰值，除非之前已在該點(diǎn)附近求得一點(diǎn)。

2.1.4 計(jì)算

(1)計(jì)算公式。

式中:d為以干土百分比表示的含水量；a為容器及濕材料的質(zhì)量；b為容器及干材料的質(zhì)量；c為容器本身的質(zhì)量。

(2)按如下公式計(jì)算每一點(diǎn)的干密度，精確度達(dá) 1 kg/ m3。

式中:D為干密度(kg/m3)；W為濕材料質(zhì)量(g)；V為模具體積(ml)。

模具體積(V)是常量，上述公式可簡化為下列公式：

式中:F(模具因子)=(100/V)×1 000。

2.1.5 濕度—密度關(guān)系

完成計(jì)算后，根據(jù)各干密度將含水量繪制成圖，曲線峰值表明材料在此壓實(shí)作用力下的最佳含水量和最大干密度(圖1)。

圖1 濕度—密度曲線

2.1.6 修正系數(shù)

(1)為了測定模具的容積，模具兩端及隔板周邊都涂抹潤滑油，且模具、隔板及底板應(yīng)組裝在一起。模具和隔板之間可擠出的多余潤滑脂應(yīng)進(jìn)行清除。為組裝好的模具和180 mm的方形玻璃板一起稱重。往模具中灌滿水，輕輕的將玻璃板滑至模具頂部。在玻璃板完全蓋住模具前，用吸液管滴入水。玻璃板完全覆蓋容器時(shí)，玻璃下方不應(yīng)有氣泡。將盛水的模具和玻璃板一起稱重，計(jì)算模具中水的質(zhì)量。此測定過程應(yīng)進(jìn)行至少兩次。測量水溫，并按照如下公式求得模具的容積(V)及因數(shù)(F)：

表2 溫度水的相對密度

(2)試驗(yàn)期間，應(yīng)盡最大可能維持下列變量不變：材料分級；水分的統(tǒng)一混合；壓實(shí)前的靜置時(shí)間；試驗(yàn)期間水分蒸發(fā)量；搗錘的下落高度；搗錘的自由下落；夯實(shí)的分布；連續(xù)層的厚度；最后一層超出模具頂部5～15 mm；完成頂部表面。

(3)雖然沒有必要每次試驗(yàn)都測定模具的容積和質(zhì)量，但應(yīng)定期對此進(jìn)行檢查。

3 現(xiàn)場密度試驗(yàn)檢測方法

現(xiàn)場密度檢測用核子濕度密度儀法： 核子法測定土壤和礫石內(nèi)部密度與含水量的試用方法。

定義：材料內(nèi)部的干密度即該材料每單位體積的干質(zhì)量(kg/m3)；內(nèi)部含水量(m/v)即材料每單位體積水的質(zhì)量(kg/m3)；本方法中的含水量適用本定義。

主要試驗(yàn)儀器：HS-5001核子密度儀。

3.1 檢測試驗(yàn)前檢查(參數(shù)修正)

將設(shè)備移入現(xiàn)場前，在主實(shí)驗(yàn)室預(yù)先選定的參考點(diǎn)檢查參考裝置上的設(shè)備。必須按制造商推薦的次數(shù)進(jìn)行參考標(biāo)準(zhǔn)的讀數(shù)。如果超出標(biāo)定范圍讀數(shù)數(shù)量超出了規(guī)定的數(shù)量，則再次進(jìn)行讀數(shù)。如果超出標(biāo)定范圍讀數(shù)數(shù)量仍超出了規(guī)定的數(shù)量，則應(yīng)將儀器退回制造商。

參考裝置的讀數(shù)記錄應(yīng)永久保存。

3.2 檢測數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

在現(xiàn)場選擇一個(gè)固定參考點(diǎn)，進(jìn)行兩次讀數(shù)，且讀數(shù)應(yīng)在制造商設(shè)定的現(xiàn)場標(biāo)定范圍內(nèi)。如果一次讀數(shù)超出范圍，則必須進(jìn)行第二次讀數(shù)。如果第二次仍在范圍外，則必須選擇另一個(gè)現(xiàn)場參考點(diǎn)。應(yīng)確保附近(至少10 m遠(yuǎn))沒有其他物體，如車輛、墻或其他核儀器等。

3.3 現(xiàn)場檢測

現(xiàn)場檢測路基的密度/含水量采用核子密度儀直接透射測量法。將鉆桿穿過底板引導(dǎo)物后鉆入地下，鉆入深度應(yīng)比欲測量深度至少深50 mm。取出鉆桿時(shí)注意不要破壞鉆洞。

(1)將儀器置于準(zhǔn)備好的測試點(diǎn)上，將直接透射探頭直接放于鉆孔上。

(2)將探頭降至孔中測量密度所需深度。

(3)為減小核源與檢測器間的氣隙，必須輕輕拉住測量器使之固定住探頭并防止探頭觸碰孔壁。

(4)然后進(jìn)行一次測量，取得讀數(shù)，保持中心位置不變，旋轉(zhuǎn)180°再進(jìn)行第二次測量，記錄讀數(shù)，再將儀器在原位轉(zhuǎn)90°測第三次，記錄讀數(shù)，然后將這三次讀數(shù)的平均值作為核子儀濕密度與含水量的測得值，計(jì)算干密度。

(5)在進(jìn)行密度計(jì)數(shù)讀數(shù)后，為避免損壞探頭，必須先將探頭收回，再將儀器移出測試點(diǎn)。

(6)儀器移出測試點(diǎn)后，及時(shí)對該點(diǎn)進(jìn)行含水量測定取足夠的試樣，其結(jié)果與核子儀檢測的含水量比對。

4 壓實(shí)度確定

4.1 壓實(shí)度

是指土被壓實(shí)后的干容重與土的最大干密度之比。

通過室內(nèi)試驗(yàn)確定填筑材料最大干密度Dmax,現(xiàn)場通過核子儀確定土壓實(shí)后密度D。

壓實(shí)度=D/Dmax×100 %

4.2 壓實(shí)路段數(shù)據(jù)分析

(1)k5+150-k5+525路段Fill層壓實(shí)密度檢測，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)93 %(表3)。

表3 壓實(shí)密度檢測

(2)對K5+150-K5+525路段填料取樣，通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)求得該段填料最大干密度1 859 kg/ m3，最佳含水量11.1 %。

(3)壓實(shí)度結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 壓實(shí)度結(jié)果統(tǒng)計(jì)

(4)結(jié)論：K5+150-K5+525平均壓實(shí)度95.6 %，符合規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

路基壓實(shí)質(zhì)量是道路治理最重要的指標(biāo)之一,為保證路基、路面的強(qiáng)度,必須對路基路面結(jié)構(gòu)層進(jìn)行充分壓實(shí)。對瀝青道路來說,通過對路基土、路面基層材料最大干密度、最佳含水量及瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)密度的測定,根據(jù)道路特點(diǎn)實(shí)際需要,靈活運(yùn)用灌砂法、核子濕度密度儀法進(jìn)行現(xiàn)場密度檢測,獲得準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù),準(zhǔn)確評價(jià)道路路基壓實(shí)度的質(zhì)量,確保道路使用安全。

[1] 南非試驗(yàn)規(guī)程及南非COLTO標(biāo)準(zhǔn)[S]

[2] JTG E60-2008公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程[S]