灌砂法現場測試土密度和壓實度置換材料的選擇

□文/許 淵 朱 亮

灌砂法是道路工程中土密度、壓實度檢測的常用方法，GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》、JTGE 40—2007《公路土工試驗規程》及JTGE 60—2008《公路路基路面現場測試規程》中均對該試驗方法的適用范圍、試驗步驟、精度及允許偏差進行了詳細說明。GB 50123—2019 中要求量砂粒徑在0.25～0.50 mm，土的密度精確至0.01 g/cm3；JTGE 40—2007 中要求量砂粒徑在0.25～0.50 mm，土的密度平行試驗允許偏差≯0.03 g/cm3；JTGE 60—2008 中要求量砂粒徑 0.3～0.6 mm，土的密度要求精密度0.01 g/cm3。根據以上規范要求可知，灌砂法對標準砂的選用有較高要求，標準砂自身密度測定是否準確且在試驗過程中能否恒定不變，對土密度測試結果有著極大的影響。

1 標準砂密度對土密度和壓實度影響程度分析

標準砂的松方堆積密度通過標定罐標定得出并且直接參與計算，灌砂法的計算公式

式中：ρd為土的干密度，g/cm；m1為灌砂前灌砂筒及砂的質量，g；m4為灌砂后灌砂筒及砂的質量，g；m2為灌砂筒下部圓錐體砂質量，g；md為烘干后質量，g；K為壓實度，%；ρc為擊實試驗得到的最大干密度，g/cm3。

進行定量分析，m1=12 000 g、m4=8 730 g、m2=850 g、試坑內取出的材料濕質量mw=4 000 g、md=3 800 g、ρc=2.340 g/cm3、最佳含水率ω=4.9%。選取3 種不同砂密度進行試驗，結果見表1。

表1 灌砂法檢測土的密度試驗數據

由表1 可見，砂密度相差0.03 g/cm3時，土干密度的計算結果偏差達到0.047 g/cm3，已經超過JTGE 40—2007 規定的平行試驗密度允許偏差≯0.03 g/cm3的要求，壓實度的檢測結果更是偏差了2.1%，直接影響壓實度結果的合格判定；也就是說，即使砂密度有很小的變化，都會導致土工試驗的最終密度及壓實度發生很大的變化。因此，標準砂的密度必須精確。

2 現場檢測采用標準砂的缺陷分析

目前采用的灌砂法檢測過程中使用的標準砂存在兩個難以處理的缺陷。

1）砂密度室內標定數據跟現場數據難以一致。規范規定試驗前需要對砂密度進行標定，每換一次量砂都必須重新測定松方密度。標定通常情況下在試驗室進行，而將標準砂帶到工地現場檢測使用時，由于標準砂直接與大氣接觸，難以避免地產生狀態變化，尤其是標準砂灌入試坑內部時，試坑內濕度與試驗室內濕度差異極大，導致砂在試坑內的堆積密度與試驗室內標定密度相差很大。

眾所周知，砂是一種吸濕性較強的材料，容易“受潮”，其原因是由于砂中顆粒間的孔隙相互貫通，形成無數的毛細管，當砂與含水率較高的材料（即材料表面存在少量自由水）接觸時，由于材料中水分子張力作用，水分子沿砂堆中的毛細孔隙上升，直至水分子所受的重力與使其上升的張力平衡時停止；此時，水分上升高度稱毛細管上升高度。灌砂法檢測中采用的標準砂是經過篩網篩分后的單一粒級砂，粒徑均勻一致，顆粒間的孔隙沒有粒徑更小的物質填充，因此砂顆粒間存在較大孔隙形成豐富的毛細管道。試坑材料中的自由水分子沿毛細管道上升運動顯著，外觀表現為接觸試坑壁的砂受潮變濕，砂體有較為明顯的收縮。由于砂受潮收縮，砂體堆積密度變大，試坑中流入了更多的砂，導致灌砂后灌砂筒及砂質量變小，最終計算得到的干密度變小。

2）砂密度受試坑深度影響大且難以控制。JTGE 40—2007 提出，標定罐的深度對砂密度有影響，標定罐的深度減2.5 cm，砂密度降低約1%，這對材料干密度數值影響＞0.02 g/cm3，對壓實度數據影響1%左右。分析其原因在于，砂顆粒自由落體運動不同高度，最后的動能不同，導致堆積緊密度不同。因此規范要求檢測時，試坑深度應與標定罐一致；然而實際檢測開挖過程中難以控制試坑深度與標定罐一致，粗粒土集料粒徑經常達到2.5 cm 以上，很難控制開挖精度，進而導致試坑內砂的堆積密度與試驗室固定高度標定罐標定的密度不同。

3 選擇一種更適宜的置換材料

灌砂法試驗所需要的置換材料應滿足堆積密度穩定、高強度不易破碎、不吸水這三個關鍵要求。堆積密度恒定不易變可以保證置換材料室內標定的堆積密度與現場試驗堆積密度相同；高強度不易破碎才能保證置換材料的顆粒體積不變并且可重復利用；不吸水可以保證置換材料自身的密度不變，保證周圍潮濕環境不影響材料堆積密度。

常見的球體材料主要有玻璃球、塑料球、鋼球、氧化鋯球。

1）玻璃球。強度不足，易因碰撞破碎而導致球體不圓，堆積密度不穩定。

2）塑料球。密度較小，在下落滾動堆積過程中，因自重較小不易形成緊密堆積狀態，進而影響堆積密度的穩定性，同時塑料材質不耐磨。

3）鋼球。自身密度過大，灌入試坑后對下方及周圍土體的擠壓力過大，極易導致試坑體積“脹大”，不能有效反應挖出筑路材料的真實體積。

4）氧化鋯球。常用的研磨球體，硬度高不易破碎，表面光滑度高，密度適中，不吸水；其性能滿足置換材料所需的要求。

選用單一粒徑5 mm左右的氧化鋯球作為灌砂法置換材料進行堆積試驗，分別將氧化鋯球在距離灌砂法標定罐口50、80、100 mm 高度自由落下，測試氧化鋯球的堆積密度，結果見表2。

表2 不同下落高度氧化鋯球的堆積密度

由表2 可見，氧化鋯球試驗時的堆積密度受下落高度影響很小，遠小于標準砂高度變化2.5 cm，砂密度變化約1%的變化幅度。

向裝滿氧化鋯球的標定罐中緩慢噴灑少量水，使水逐漸滲入堆積材料中，通過觀察可以發現，堆積材料未發生明顯收縮現象，表明氧化鋯球的堆積體積不易受潮濕環境中水分的影響。

4 結語

標準砂在灌砂法試驗中用做置換材料，容易受試坑內部潮濕環境的影響，堆積體積發生明顯收縮變化；標準砂在不同高度落下時，堆積密度變化較大，以上兩種情況都導致標準砂室內標定密度與現場試驗時的實際密度不一致，導致計算得到的試坑體積不準，進而影響試驗材料的密度、壓實度。氧化鋯球具有硬度高不易破碎、表面光滑度高、密度適中、不吸水等優點，作為置換材料其精確度優于標準砂。考慮到實際試驗中使用的儀器、被檢材料粒徑大小、試驗方便程度，選用單一粒徑5 mm左右的氧化鋯球效果較好。球體下落后可依靠自身動能滾動到狀態穩定位置，實現緊密堆積，同時與試坑壁較好貼服，充分填充。材料使用后回收方便，水洗、過篩、烘干后可重復使用；可以作為標準砂的替換材料，提高灌砂法試驗的精度。