快速貫入法測定細粒土密度的試驗方法與應用

(中國水電十一局有限公司中心試驗室，河南 鄭州 450001)

在鄭州市賈魯河綜合治理工程中進行了大量的細粒土回填施工作業，依照規范要求，采取環刀法或灌砂法檢測密實度對土方回填質量進行控制。現場進行了大量的壓實土密度檢測，現場試驗發現，壓實土的密實度越大，土的貫入阻力也越大。在搜集大量的試驗成果數據的基礎上，根據土的密實度與貫入阻力假定關系，試對細粒土的貫入阻力與密度的相關性進行分析研究。

土是由固體礦物質、液體水和氣體組成的三相體系，固相物質構成土的骨架，骨架之間的孔隙中充填著液相的水和空氣。由于土的三相組成比例不是固定的，它隨外界環境的變化而變化，這對土的力學性質有著很大影響，含水率是其中重要的影響因素之一，在研究土的密度與貫入阻力相關性時，必須考慮到含水率的影響。

1 工程概況

賈魯河是淮河支流沙潁河的主要支流，也是鄭州市的主要排水河道，發源于新密、滎陽兩市交界處，在周口市匯入沙潁河，全長256km，流域面積5896km2。賈魯河綜合治理工程位于河南省鄭州市，治理河段自尖崗水庫至中牟縣大王莊彎道，治理長度62.77km，其中河道綜合治理長49.67km，河道疏浚長度13.1km。共修建各類配套建筑物71座，開挖湖泊濕地3處，其中綜合治理工程中包含土方回填量約352萬m3。

2 試驗室室內土工試驗

在施工現場取有代表性的土樣，分組封存后送至試驗室檢測。按照室內土工擊實試驗程序，對不同含水率的土樣進行擊實后，檢測擊實土樣的密度和含水率，并測試貫入阻力。將室內六種不同含水率土樣進行擊實試驗的35組檢測數據予以整理計算，結果見表1。

表1 細粒土室內擊實試驗檢測數據統計

通過對表1數據分析，發現貫入阻力、密度隨含水率增大有規律性的變化，深入對數據變化規律進行相關性分析發現其相關關系。以含水率為x軸，貫入阻力和干密度為y軸作圖，三者的相關關系如圖1所示：

圖1 土樣干密度、貫入阻力與含水關系

由室內擊實試驗檢測數據統計分析及“細粒土干密度、貫入阻力與含水關系圖”可知，在最佳含水率±4%范圍內，貫入阻力和干密度隨含水率變化趨勢基本一致。

3 基礎試驗數據回歸分析

為深入研究干密度、貫入阻力與含水率相關性，進一步確定三者關系，對原室內擊實試驗得到的35組基礎數據采取不同方法進行數理統計處理和回歸分析。

3.1 對數回歸分析法

當土樣含水率在最佳含水率±4%以內時，相關性較好，對該范圍數據進行整理后統計分析，得出干密度推算值與貫入阻力實測值的相關對數方程如下：

ρdt1=0.1198×ln(f)+1.1375

(1)

式中ρdt1——干密度推算值,g/cm3；

f——實測貫入阻力值,N。

上述回歸方程相關系數(Correlation coefficient)：r=0.9101，判定為高度相關。計算檢驗絕對誤差最大值0.083，相對誤差最大值4.59%。

3.2 線性回歸分析法

綜合分析室內擊實試驗數據及對數回歸分析法的結果可知，含水率是對數回歸公式精度的關鍵影響因素。含水率在最佳含水率±4%范圍內，土樣干密度主要受貫入阻力影響；當含水率超出最佳含水率±4%范圍后，由于土體對貫入阻力的異常變化致使含水率成為顯著因素。為了提高干密度、貫入阻力的擬合度，將含水率影響因素考慮在內，通過多元線性回歸的方式分析數據，推算干密度公式如下：

ρdt=(43.7×f+324.5×w)×10-5+1.583

(2)

式中ρdt——干密度推算值,g/cm3；

f——實測貫入阻力值,N；

w——含水率,%。

上述回歸方程相關系數(Correlation coefficient)：r=0.9176，可判定為高度相關。經計算檢驗，絕對誤差最大值0.105，相對誤差最大值5.82%。

4 現場試驗對比驗證和應用誤差分析

4.1 以灌砂法為基準對比驗證

根據以上室內試驗數據回歸分析結果，在選定試驗場地進行隨機對比檢測，并驗證相關關系的適用性和準確性。按照《土工試驗規程》分別進行灌砂法試驗、環刀法試驗和快速貫入法試驗進行對比檢測。三種方法檢測結果對比見表2。

表2 現場某段填方壓實質量檢測對比試驗結果 (單位：g/cm3)

注1.快速法1是指利用公式1推算出的結果；

2.快速法2是指利用公式2推算出的結果；

3.兩個誤差是以灌砂法為基準，計算快速法和環刀法的差值。

根據上表數據，可初步推斷采用灌砂法、環刀法、快速貫入法測定土密度結果基本一致，且快速貫入法檢測結果與灌砂法更接近，采用快速貫入法能滿足現場土工壓實質量檢測要求。

4.2 以環刀法為基準對比驗證

以賈魯河綜合治理工程三標土方回填質量檢測為例，在現場選定驗證點后，首先按標準規范要求，采用環刀法檢測壓實土密度；同時在檢測點附近進行快速貫入法測試，推算干密度。將標準方法(環刀法)和快速貫入法檢測數據統計整理進行對比驗證，兩者結果見表3。

表3 現場對比試驗結果數據

續表

根據現場試驗檢測結果，將對比試驗數據統計整理，對兩組數據分別進行分析，其中對數回歸法公式的誤差分析結果整理如圖2和圖3。

圖2 對數回歸法絕對誤差值分布

圖3 對數回歸法相對誤差值分布

若不考慮剔除異常值，線性回歸公式計算絕對誤差最大值0.15，相對誤差最大值10.1%。

剔除異常值后，計算指數回歸公式計算絕對誤差最大值0.08，相對誤差最大值5.0%。

根據賈魯河綜合治理工程三標現場實際檢測有代表性的約100組試驗數據中隨機選取了20組數據，進行統計和誤差分析后結果表明，采用標準方法(環刀法)檢測土工壓實質量所得出結果與快速貫入法結果相比差別較小，20組檢測數據統計的最大誤差僅為0.15，完全能滿足現場土工回填施工質量控制要求。

5 結 語

根據現場應用檢測的數據統計結果和上述誤差分析，可以得出：

a.勻質細粒土的密度與貫入阻力、含水率存在明確的相關關系，該規律性關系可以通過一系列的室內擊實試驗，經數據分析處理后推算得出。

b.經過應用驗證，快速貫入法可廣泛應用于同類細粒土的現場密度測定，作為標準方法的補充。相對于標準方法，快速貫入法能快速得出現場壓實度，提高工作效率，能達到隨時檢測、安全便捷地控制現場施工質量的目的。

賈魯河綜合治理工程土方回填施工質量控制按照水利行業標準規范要求，現場可采取環刀法檢測土工回填壓實度，每100～150m2取樣檢測1點，每次取樣不少于3點。根據計算工程量應取樣約67000點，采用標準方法檢測耗時費工，將占用大量的人力、物力，為此回填土壓實度檢測采用快速貫入法也有較好的經濟效益和實用意義。由于采用快速貫入法檢測土工壓實質量，在賈魯河綜合治理工程現場檢測中驗證效果較好，得到了監理單位的認可和支持，在土方回填檢測中得以應用。

本文根據現有工程實例，僅對細粒土的密度測定方法進行了探索試驗，還存在一定的局限性，對于其他類回填土的質量檢測可參考應用。快速貫入法檢測回填土壓實質量有待更進一步的深入研究和分析，在今后的工作實踐中有推廣應用的價值。