美標（ASTM）規范下ARNAUD土壩填筑檢測方法

摘 要：毛里求斯ARNAUD（阿諾德）土壩項目位于毛里求斯中部，壩體為均質土壩，對壓實度和含水率要求高。由于施工現場降雨頻繁，項目工期緊，填筑要求高，工程師要求嚴格，根據招標文件技術規范，試驗檢測采用美國標準（ASTM）為主，英國標準（BS）為輔，因此探討在美標及英標條件下土壩填筑的壓實度及含水率檢測，對于指導土壩填筑施工具有較大的意義，同時也希望能為同行提供參考。

關鍵詞：土壩；壓實度；含水率，美標（ASTM）

1 概況

毛里求斯共和國為非洲東部一島國，位于印度洋西南方，作為火山島國，毛里求斯四周被珊瑚礁環繞，島上地貌千姿百態，沿海是狹窄平原，中部是高原山地，有多座山脈和孤立的山峰。截至2013年，毛里求斯是非洲三個被人類發展指數被評為“高”級別的國家之一。是準高端的國際市場。

ARNAUD項目位于毛里求斯中部，工程項目主要包括： ARNAUD 土壩（大壩開挖與填筑、帷幕灌漿和監測儀器等）、引水進Mare Aux Vacoas（MAV）的新建明渠、泵站、Pradier渠道升級和Tatamaka 支渠升級改造等，項目所在區域從12月中旬至次年5月為主雨期，收海洋性氣候的影響，全年下雨特別頻繁。土壩填筑是本項目的關鍵，也是本工程的重點和難點。

在填筑過程中，土料借土場距離填筑現場約為25km，借土區域降雨量也較大，料場開挖深度為3m，所取的土樣需在借土場進行晾曬，此時需對土樣含水率進行快速控制，目的是送至填筑現場的土樣能有較為合適的含水率，以利于壓實。項目中后期時由于料場降雨過于頻繁，在毛里求斯島北部又設置一處晾曬場地，由于島國海洋氣候原因，此處降雨量大大減少，仍然需要在料場進行含水率檢測，避免土樣過于干燥，導致無法壓實。為此，需對填筑過程中的含水率及壓實度檢測方法進行具體的研究，選取合適的方法，從而快速，準確的檢測填筑過程中的含水率及壓實度，對于加快填筑速度，降低施工成本，具有較強的現實意義。

2 土壩填筑的技術指標

本項目壩體為均質土壩，設計土壩長220m，高18m。根據招標規范要求，土壩填筑現場控制檢測主要包含壓實度檢測和含水率檢測，在工程師的見證下按照技術規范要求的頻率進行檢測，主要技術指標為：土料塑形指數（PI）大于12，液限為53，塑限為39，壓實度要求為達到標準擊實值的（MDD）98%，含水率為最優含水率（OMC）的-1%至+2%。較中國規范的同等級土壩要求高。

3 填筑土料含水量控制

由于料場土料含水量不均且大壩所在區域經常性下雨，導致本項目土料的含水率控制成為大壩填筑中關鍵控制項，因而，找出快速控制含水率的檢測方法尤為重要。

本項目的技術規范對填筑時土料的含水率要求嚴格，同時大壩施工現場降雨較為頻繁，因此要求土料在曬料場即達到規定的含水率，同時對現場堆放的土料也要每日進行檢測，避免在填筑現場出現大量的含水率過高或者過低的現象，因此需引入快速而準確的檢測方法，再使用烘箱法對其進行修正，用于指導現場施工，經過研究規范及比對，選取了ASTM D-4643的微波爐法用于現場施工。

3.1 微波爐法檢測含水率

美標ASTM D-4643中提出可用微波爐進行快速的含水率檢測，并給出相應的操作規程。根據ASTM D-4643，微波爐檢測時第一次加熱時間為3min，之后每次為1min，至質量變化很小時停止（小于0.1%），可認為要求。微波爐法在使用時需采集一定數量的具有代表性的土樣，表1為ASTM D 4643內土樣顆粒大小及取樣檢測重量之間的關系，由于在實際填筑過程當中填筑的土料留在2.0mm篩網的百分比小于%，故每個樣本用于檢測的質量為100g左右，檢測時間大約為25分鐘，質量變化可滿足規范要求。

3.2 烘箱法與微波爐法的對比

2014年5月，項目部試驗室會同監理工程師在料場試驗段進行了烘箱法及微波爐法檢測含水率的對比，在同一地點不同深度平行取樣，分別在現場進行微波爐法檢測及稱量后送至試驗室進行烘箱法檢測，檢測后對比結果見表1。

表1 烘箱法與微波爐法檢測含水率對比表

點號 取樣深度 微波爐檢測含水率（%） 烘箱檢測含水率（%） 差值（%） 備注

1 5cm 34.3 35.6 1.3

20cm 40.8 36.1 -4.7

2 5cm 35.3 35.4 0.1

20cm 36.0 36.2 0.2

3 5cm 34.8 34.6 -0.2

20cm 35.8 35.5 -0.3

4 5cm 33.4 33.8 0.4

20cm 34.2 34.5 0.3

5 5cm 34.8 34.5 -0.3

20cm 35.5 35.6 0.1

6 5cm 35.1 36.3 1.22

20cm 36.6 37.2 0.6

7 5cm 33.3 33.9 0.62

20cm 34.9 34.6 -0.32

8 5cm 31.6 32.1 0.47

20cm 33.8 35.6 1.76

9 5cm 33.7 34.2 0.5

20cm 34.7 35.7 0.95

微波爐及烘箱法線性關系見圖1：

結合表1及圖1可見，微波爐法檢測含水率及烘箱法具有良好的線性關系。在現場實際操作中，微波爐法可快速得出較為準確的土樣含水率。

3.3 填筑前土料含水率控制方法

由于核子密度儀在檢測松土時存在較大額偏差，在曬料場和堆料場一℃即可進行收集并運送至大壩填筑現場，避免了依靠經驗控制含水率容易出現的偏差。

4 大壩填筑現場檢測

4.1 概述

根據規范要求，土壩填筑現場控制檢測主要包含壓實度檢測和含水率檢測。

4.2 現場密度檢測

現場密度檢測主要通過體積及質量確定壓實后密度及含水率，最終確定干密度。檢測方法有直接檢測法及非直接檢測法。直接檢測法通過確定填筑面上開挖小洞所移除的土料質量及洞的體積確定濕密度，包含灌砂法及環刀法。通過在烘箱內110±5℃條件下加熱，之后通過檢測干土的質量確定水分損失，可以得出含水率。非直接法通過檢測土樣中某種物質的含量，通過一定的關系計算出土料的密度或者含水率，主要指核子密度儀法進行檢測。

4.2.1 灌砂法

灌砂法采用的本地通用英國標準（BS1377-9）灌砂桶，檢測深度小于150mm時，使用灌砂桶直徑為100mm，檢測深度大于150mm小于250m時，使用灌砂桶直徑為200mm；在檢測度時此法應用最為廣泛，結果可靠，因此作為其他檢測方式的基準， 用以校核標定其他檢測方式。

4.2.2 環刀法

根據ASTM D-2937，環刀法可用于確定建筑物回填、公路填筑及土壩填筑現場壓實后密度，所檢測土樣最大粒徑為4.75mm，當此法用于控制性試驗時，所用環刀體積不能小于850cm3，典型的環刀外徑為101mm，內徑為97mm，高度為127mm。

現場使用時，先清除壓實土表面松土，獲得平整的基礎面，把環刀和堵頭組裝好放置于土樣上面，均勻的擊打環刀堵頭，根據規范要求直至環刀上緣低于檢測面13mm，若環刀進入過深，會導致環刀內土樣的變形或者擠壓，從而導致結果偏差。環刀進入一定深度之后，使用小鏟或者其他工具挖出環刀，使用刮土刀修整兩側土樣，一個良好的樣本內不應該包含石頭、植物根系或者其他材料。通過稱量環刀凈重及環刀與土樣總重，已知環刀體積，即可得到土樣濕密度。

4.2.3 核子密度儀法

（1）本項目采用美國Troxler生產的3440型核子密度濕度儀（簡稱核子密度儀），用來測量泥土、泥石聚集物、水泥和瀝青地基、瀝青表面等的濕度、密度和壓實度。

Troxler 3440 核子密度儀內置有兩種放射性物質，其中銫-137（cesium-137）位于探測桿端部，產生伽瑪射線（Gamma emission）， 用于檢測壓實度。檢測是共有兩種檢測模式：直射法與反射法，其中用于土壩填筑時許采用直射法。

采用直射法檢測時，含有銫-137放射源的探桿降低到要求深度，會產生伽瑪粒子，核子密度儀底板的探測器檢測放射強度。伽瑪粒子到達探測器前必須經過需檢測材料，大量伽瑪粒子會與需檢測物質內電子碰撞并消失，探測器可以檢測消失的粒子數量并據此計算出需檢測材料的壓實度。簡而言之，到達探測器的粒子數量越少，則材料的壓實度越高。由于所有到達探測器的粒子都來自于探桿端部放射源且全部穿過檢測物質，因此所得到的密度就是探測器表面與探桿端部放射源之間的平均密度。

（2） 濕度檢測Troxler 3440型核子密度儀采用40毫居里（mCi）镅241放射源，向土壤等被測材料放射高能中子射線，高能中子與氫原子碰撞后，迅速失去能量而變成低能中子，而其它任何種類的原子都不能象氫原子那樣顯著減少高能中子的能量。被測材料中的濕度越高，水分含量就越高，氫原子就越多，當中子射線穿過時，將產生更多的低能中子；同樣的原因，當被測材料較干時，產生的低能中子數目就較少。Troxler儀器中內置的氦-3管對低能中子非常敏感而對高能中子不敏感。低能中子計數越高，表示被測材料的濕度越高；反之，低能中子計數越低，表示濕度越低。核子儀測量的是地表到地表以下10公分的材料的平均含水率。核子儀在進行密度和水分測量時，分別使用不同的放射源，不同的射線接受器，不同的數據計算系統，所以密度和水分兩個檢測系統相互獨立，其檢測數據也互不影響。

（3）因為放射源會衰變，為確認工作正常，每日應取標準計數。把參考件數放在干燥，平坦的表面上，至少離任何建筑物或結構2 米（6 尺），離任何其他放射源10米（30尺）。儀器放在參考件上，需保證參考件頂和儀器都清潔干凈、平滑沒有泥巴和任何其他物質妨礙良好的面對面接觸，使儀器處于安全模式，即可進行標準計數。

儀器將自動地將這次新計數值和過去最后4 個標準計數的平均值進行比較，如果不超過（或不小于）濕度平均值的2%并（或）密度平均值的 1%，此新計數值將視為合格。在獲取計數值之后，需把標準計數登記記錄。

4.2.4 環刀法與灌砂法的比較及核子密度儀與灌砂法對比試驗

（1）環刀法與灌砂法的比較。為了獲得環刀法與灌砂法之間濕密度的關系，項目部試驗室在監理工程師的見證下進行了兩種方法的對比試驗。灌砂法采用直徑100mm灌砂桶，檢測深度為150mm，環刀采用符合ASTM標準環刀，外徑102mm，高度127mm，實驗結果見表2.

表 2 環刀法與灌砂法濕密度比較

點號 濕密度（Kg/m3）

環刀法 灌砂法 備注

1 1886 1895 9

2 1919 1909 10

3 1852 1867 12

4 1883 1875 8

5 1895 1839 56

6 1903 1887 16

通過實驗對比，找出濕密度線性關系，見圖2。

圖2可見環刀法及灌沙法試驗結果比較接近，兩種方法得到的均為現場實際濕密度，都可用于現場填筑壓實度控制，但環刀法檢測更加快捷，在土壩回填時，常使用環刀法可以快速得出碾壓后土樣的濕密度，比灌砂法節約大量時間。

（2） 核子密度儀與灌砂法對比試驗。由美國工兵工程規范COE： EM_1110-2-1911 Construction Control for Earth and Rock-Fill Dams，核子密度儀在檢測含水率高于40%的土樣時出現非線性結果，因此在使用時需采取傳統的方式對密度及含水率進行對比試驗，修正核子密度儀的結果。

同時，根據本項目技術規范，在使用核子密度儀前需對核子密度儀與灌砂法進行對比試驗，對比需每月進行一次。本工程在土方回填段進行對比試驗，每個月進行一次比對試驗，用以修整核子密度儀結果。在每次對比試驗室選取已壓實土壩填筑面，至少取5個點進行灌砂法檢測，根據對比試驗結果建立回歸方程，并對核子密度儀的檢測結果進行修正。

Y=a+bX（式中a、b為回歸系數）

其中假設Y值為灌砂法實測結果，X為核子密度儀檢測結果。現以2014年5月份在壩面實測結果建立一元線性方程，其中土樣最大干密度為1381g/m3，最佳含水量為36.3%。根據實驗對比，得出壓實度線性方程為：y = 0.8992x + 108.09，相關系數為R2=0.87。根據以上結果，說明Troxler 3440壓實度相關性接近于0.9，可以用于本項目試驗檢測。同時在進行土方檢測以及瀝青檢測（反射法）同樣進行對比試驗，土方與碎石一樣采用灌砂法檢測檢測結果對比，瀝青進行對比試驗時采用鉆芯法檢測實際壓實度，即可得出相應的線性方程以及相關系數。

實際施工過程中，大壩分層填筑碾壓完成后，現場采用核子密度儀對其進行壓實度檢測。并按照要求，定期進行對比試驗，對核子密度儀進行修正。

4.3 含水率的控制和檢測

由于本項目的特殊性，為了確保填筑料的含水率在可控范圍內，往往在曬料場要求含水率低于要求的含水率，現場需要安裝一個帶有水表的灑水系統用于現場含水的控制，當開始攤鋪下一層時，在接觸面輕輕的均勻的碰灑少量的水；隨著土料的攤鋪，一般在整個工作面取8個土樣，用于含水的測定。當所測含水低于最優含水的界定范圍時，通過計算來確定現場所需加水量，公式如下：

Mw=M/（1+0.01W1）*0.01（W-W1）

式中：W為OMC；W1為現場實測含水；M為濕土重量；Mw為所需加水量。

確定所需加水量之后，在其表層均勻的噴灑定量的含水，待其沉浸30分鐘。使用圓盤耙使其拌合均勻。之后開始按照碾壓參數（一遍靜碾，五遍振動）對其進行碾壓，最終使用用灌砂法修訂過的核子密度儀來檢測其含水和壓實度，用來確保工程的質量。

實際施工過程中，當大壩分層填筑碾壓完成后，現場采用核子密度儀對其進行含水率檢測。

5 結束語

在土壩填筑時，同時涉及到含水率及壓實度的檢測。為了方便快捷的檢測碾壓效果，引進核子密度儀進行檢測，然而核子密度儀屬于非直接法檢測，在使用前需進行與傳統的灌砂法或者環刀法進行比對試驗，找出其中的關系，對偏差進行修正之后可用于控制性試驗。

對含水率進行檢測時，傳統的烘箱法最為準確然而耗時最長，因此引入美標規范中的微波爐法進行快速檢測，此法可用于料場含水率控制，在檢測時料場主管及現場填筑技術人員均可參與，使之對土料含水率有更加直觀的認識，有利于加快現場施工進度。

參考文獻：

[1]ASTM D 6938-08 Standard Test Method for Density of Soil and Soil-Aggregate in Place by Nuclear Methods （Shallow Depth）[S].

[2]ASTM D 7759-12 Standard Guide for Nuclear Surface Moisture and Density Gauge Calibration[S].

作者簡介：張波，男，貴州印江人，高級工程師，長期從事水利水電工程施工技術和管理。