土體密度現場檢測方法概述

吳 瓊 王海明

建設與施工

土體密度現場檢測方法概述

吳 瓊 王海明

水庫和堤防是我國防洪抗旱減災體系的重要組成部分，是抵御洪水泛濫、保護居民和工農業生產安全的重要基礎設施。土方工程中土體的填筑密度是影響工程安全運行的關鍵因素之一，是引起滑坡、滲透破壞的直接原因之一。土體密度小，顆粒之間不能緊密排列，土體的凝聚力越低，削弱了土體的抗剪能力；另外，土體顆粒之間易形成滲流通道，引起土體流失，使堤防產生滲透破壞，甚至出現水庫潰壩、堤防決口等重大工程事故，如1998年長江堤防百分之六十以上事故為滲透破壞。如何檢測大壩和堤防填筑土體的密度，是評定土方填筑質量的重要依據。本文系統介紹了目前工程中常用的土體密度檢測技術方法的技術原理、適用范圍和特點，并提出了今后水利工程土體密度現場檢測技術發展方向。

一、檢測方法

堤防工程、土石壩工程、公路工程、鐵路工程和建筑工程均涉及到土方填筑問題，由于特有的行業特點，不同工程的土方填筑質量檢測方法略有不同，常用的有環刀法、灌水法、灌砂法、核子密度儀法等，表1為不同行業規范推薦的土體密度現場檢測方法。

土體密度現場檢測方法根據檢測過程中是否破壞被測土層結構分為破壞性檢測方法和非破壞性檢測方法。破壞性檢測方法主要包括環刀法、灌砂法、灌水法、氣囊法、電動取土器法等；非破壞性檢測方法主要包括核子密度儀法、MDI無核密度儀法、表面波壓實密度儀法等。

二、破壞性檢測方法

破壞性試驗檢測方法是指在測量土層的密度和含水量之前，需要對被測量層進行一定程度的破壞，以采取樣品進行檢測。

1.灌砂法

灌砂法是根據均勻顆粒（或單一顆粒）砂，由一定高度下落到規定容積的筒或洞內單位質量不變的原理計算試洞體積。根據稱取土樣質量與體積的比值計算被測土層的密度。

操作步驟為：將試驗處面積約40cm×40cm的一塊地面鏟平，除去表面松散土層；用工具下挖至規定的深度（通常等于碾壓層厚度），邊挖邊將坑內的試樣裝入盛土器內，蓋緊瓶蓋，稱取試樣質量，并取部分有代表性的樣品進行含水率試驗；將容砂瓶倒置于挖好的坑口上，打開閥門，使砂注入試坑，直至注滿試坑時關閉閥門，計算注滿試坑所用標準砂的質量。

2.灌水法

灌水法與灌砂法操作步驟基本相同，不同點在于灌水法是利用水量取試洞體積。其方法為用塑料薄膜沿坑底、坑壁密貼鋪好，將水注入由薄膜形成的袋中直至水面與套環邊緣齊平，通過計算注水質量確定試洞體積。

3.氣囊法

氣囊法是中鐵第五勘察設計院集團有限公司2001年研制的新型現場密度試驗方法，是依據物理學波義爾定律，即在一定溫度下，密閉容器內氣體壓強與氣體體積乘積為一常數的原理，來測定開挖試坑體積。試坑的開挖和試樣稱量與灌砂法相同。氣囊法測試結果與灌砂法接近、比灌水法高，測試時間比灌砂法、灌水法少。但該方法受溫度影響大，測試過程中溫度的變化會使測試結果出現一定偏差，在坑壁與外界溫度相差較大時不宜采用。

4.環刀法

環刀法是采用定體積環刀測定試樣重量，進而計算其試樣密度的一種方法。測試前，應清除表面松軟土層，并將壓實土層鏟平；根據土質干濕和緊密程度，選用直接壓入法、落錘打入法或手錘打入法將環刀壓入或打入土中；然后將環刀及土樣挖出，分別稱量環刀與濕土重量和環刀重量，選取有代表性的試樣進行含水率試驗。

環刀法是根據早期土方施工方式提出來的一種土方填筑質量檢測方法，雖然檢測過程中破壞土層結構，但一定程度上客觀反映了土體填筑質量。研究表明，土方碾壓后，土層的密實度從上到下是依次減小的，頂部密實度大，下部密實度較小。檢測過程中若環刀從頂面取樣，所得密度將偏大；從底部取樣，所得干密度較小。因此，從保障工程安全的角度考慮，規范通常規定在碾壓土層厚度的2/3處采集土樣檢測碾壓層填筑質量。

環刀法的破壞性較灌砂法和灌水法較大，適用于細粒土，對于含礫石或碎石的細粒土，測量結果的準確度和精確度較差。

5.電動取土器法

電動取土器法是利用電動儀器代替手工環刀取樣的一種測試方法，其原理與環刀法相同，適用于手工取樣困難的硬塑性土。

破壞性檢測方法是工程中使用廣泛，也是最直觀的土體密度現場檢測方法，具有原理明確，操作簡便，易于掌握等特點。其不足之處是破壞了土層結構，土樣點少，成果代表性差；如灌砂法、灌水法、氣囊法測得的密度是試洞深度范圍內的平均密度，而環刀法測得密度僅表示所取土樣所在高度范圍內土的平均密度，不能代表整個碾壓層的平均密度。

三、非破壞性檢測方法

非破壞性檢測方法是檢測過程中對被測土層結構不破壞或破壞程度較小的土體密度檢測方法。

1.核子密度儀法

核子密度儀法是利用γ射線通過土體產生的衰減量與土體密度之間的關系，推求土體密度；具有測量速度快、方便、無損、高效特點；適用于施工質量的現場快速評定，不宜用作仲裁試驗或評定驗收試驗。該方法費用高，對環境條件要求高，此外超標的放射性物質對人體有害，一旦發生問題還會對環境造成污染。

2.表面波密度儀法

表面波密度儀法是以表面波理論為依據，用于測試堆石壩碾壓壓實質量的一種無損方法，具有測試速度快、精度高、安裝操作簡便、儀器智能化、自動化功能強、現場工作人員易于掌握操作等特點，且儀器為小型便攜式，密封結構，電池供電，能適應施工現場工作條件。

3.MDI無核密度儀法

MDI無核密度儀法是20世紀末期基于時域反射法（TDR）原理的一種測量土壤含水率和干密度的方法，利用（脈沖發生器發出的）階梯式電磁脈沖通過打入土壤中的4根金屬鋼針的傳播時間和采集到的電壓信號，經過處理獲得土的電介質常數及土體的電導率值，利用專用的軟件計算所測土體含水率和密度。該方法的最大優點避免了核子密度儀輻射泄露的危險，缺點是對現場和測試人員操作方面要求較高，測試精度較低、儀器參數對工程技術人員依賴程度高。

非破壞試驗檢測方法均具有適用范圍廣、測試速度快、效率高、無損被測結構等優點；但是測試前均需對儀器和相關參數進行標定，且儀器對操作人員和外部環境要求較高。

四、研究方向

近年來，隨著國家加大水利工程建設資金投入以及施工技術、機械、施工人員水平的提高，水利工程逐漸向大規模、高標準的方向發展，堤壩的填筑高度由原來的數米轉變為現在的十幾米甚至幾十米，填筑方式由肩扛人抬的傳統作業方式過渡到大型壓路機、鏟運機、挖掘機等先進施工設備，以灌砂法、灌水法、環刀法為代表的破壞性檢測方法存在檢測效率低、成果代表性差、破壞土層結構等不足，而以核子密度儀法、表面波密度儀法為代表的非破壞性檢測方法也存在測試前均需對儀器和相關參數進行標定，以及對儀器對操作人員和外部環境要求較高等局限性，迫切需要檢測技術向高效率、智能化、一體化、無損方向發展。

ICCC檢測儀法是近年來提出的集傳感技術、嵌入式系統、計算機技術于一身的新型車載式無損壓實度檢測方法，通過檢測壓實輪加速度幅值變化間接測出土體的壓實度。該方法可與壓實機具聯合使用，能實時、連續監測土體壓實情況，但在檢測成果可靠性方面仍需要積累大量資料。

五、小結

（1）破壞性試驗檢測方法，具有原理明確、操作簡便、易于掌握等優點，在工程中應用廣泛；但破壞了土層結構，測試成果代表性差等缺點。

（2）非破壞試驗檢測方法具有適用范圍廣、測試速度快、效率高、無損被測結構等優點；但測試前均需對儀器和相關參數進行標定，對儀器對操作人員和外部環境要求較高。

（3）以ICCC為代表的高效率、智能化、一體化、無損的檢測技術是水利工程土體密度現場檢測的發展方向

表1 規范推薦的土方壓實度檢測方法

（作者單位：淮河水利委員會233001）