落球與傳統(tǒng)密度檢測法檢測壓實(shí)度對比研究

李東印，周星星，李 偉

(1.中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司， 北京 100161;2.沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168)

填方工程所用材料可以是碎石類材料、砂質(zhì)類材料、黏性土質(zhì)類材料以及其他可以作為填料的廢棄物等[1]。施工壓實(shí)質(zhì)量的好壞取決于回填材料本身的密實(shí)程度、機(jī)械壓實(shí)遍數(shù)、壓實(shí)效率的高低等。因此，對于填筑工程的檢測就顯得十分重要。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對巖土材料壓實(shí)質(zhì)量檢測指標(biāo)進(jìn)行了大量研究，如張家玲等[2]通過現(xiàn)場測試振動壓實(shí)值VCV與動態(tài)平板載荷試驗(yàn)及靜態(tài)平板載荷試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)性分析，進(jìn)而判斷VCV是否可以作為填土壓實(shí)質(zhì)量的評判標(biāo)準(zhǔn)。潘凱等[3]在基于瞬態(tài)瑞雷波的巖溶山區(qū)粗巨粒土填方地基檢測研究中，依托西南某大型工程，采用瑞雷波法與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方式。張獻(xiàn)民等[4]利用彈性波理論對土石混填的地基進(jìn)行壓實(shí)研究，通過理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，建立了土石混合料的剪切波速模型。張宇輝等[5]在基于泊松比的土石混填地基應(yīng)力波測試研究中，利用大型的振動壓實(shí)設(shè)備，研究土石混合填料的泊松比變化規(guī)律，建立了相關(guān)性分析模型。Siddagangaiah等[6]建立高質(zhì)量壓實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)以及現(xiàn)場測量和壓路機(jī)測量之間的關(guān)系，采用原位測試的裝置，對壓實(shí)層的性能與壓路機(jī)的測試結(jié)果進(jìn)行了比較。

伴隨著中國建筑行業(yè)的不斷創(chuàng)新，嚴(yán)格的施工壓實(shí)質(zhì)量也更加需要，使用傳統(tǒng)密度檢測方法不能更加快捷和準(zhǔn)確的應(yīng)用到如今高速的發(fā)展，所以新的檢測技術(shù)與方法應(yīng)運(yùn)而生[7-8]。由日本開發(fā)的土質(zhì)材料特性快速檢測系統(tǒng)G-STAB(簡稱落球檢測技術(shù))能快速、精確地檢測出各類土質(zhì)材料(黏土、粉砂、砂質(zhì)土、砂礫、改良土等)的變形性能等力學(xué)特性，且該技術(shù)的測試作業(yè)非常簡單，測試速度快，數(shù)據(jù)解析方便快捷。并且該檢測技術(shù)一直在不斷改進(jìn)，升級中，隨著該項(xiàng)測試技術(shù)在四川、寧波、日本等地區(qū)的應(yīng)用推廣，落球儀自身的數(shù)據(jù)庫也越加完善，其取得的技術(shù)成果也已經(jīng)在很多期刊和雜志上發(fā)表，可以說非常成功。對于沈陽地區(qū)來講，落球檢測技術(shù)還是新鮮詞匯，而且由于南北方地區(qū)，施工技術(shù)方法等方面都存在很大的差異。隨著落球檢測技術(shù)的引進(jìn)，結(jié)合沈陽地區(qū)現(xiàn)場施工項(xiàng)目，并且與傳統(tǒng)檢測方法進(jìn)行對比與分析研究，一定會為今后落球檢測技術(shù)在全國的推廣應(yīng)用提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)參考。

為此，采用落球檢測技術(shù)與傳統(tǒng)檢測技術(shù)針對實(shí)際的工程項(xiàng)目進(jìn)行對比分析。考慮不同的巖土材料和同種材料不同壓實(shí)情況下， 研究落球儀替代傳統(tǒng)檢測壓實(shí)度、干密度和K30的可靠性，使得新的檢測方法對建設(shè)發(fā)展有一定的促進(jìn)作用，研究成果可以為相關(guān)的實(shí)際工程提供理論參考。

1 落球儀檢測的基本原理及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 落球儀檢測的基本原理

落球檢測技術(shù)測試填土材料變形特性的理論基礎(chǔ)源于Hertz沖擊理論[9-10]，即當(dāng)落球儀的球體下落撞擊堅(jiān)硬材料時，接觸時間較短；反之，松軟材料則相對較長，見圖1。

圖1 測試?yán)碚摰母乓?/p>

對于球形體與半無限平面體的碰撞，其接觸時間可以由下式計(jì)算：

(1)

當(dāng)下落球體與彈性材料碰撞之后，形成的變形是可以恢復(fù)的，最大的變形情況是出現(xiàn)在0.5Tc。真正的巖土材料是彈塑性體，一般回彈的變形系數(shù)比壓縮情況的大，壓縮彈性變形對于巖土材料來講是最關(guān)鍵的，壓縮部分和回彈部分的接觸時間需要分離[11-12]。

1.2 落球儀檢測法針對巖土材料的修正

1.2.1 大粒徑材料的誤差控制

當(dāng)使用落球儀檢測一些巖土材料的直徑偏大的時候，就會導(dǎo)致測出來的數(shù)據(jù)有點(diǎn)偏差，尤其體現(xiàn)在指標(biāo)E。所以，在施工現(xiàn)場時，要盡量不要對直徑偏大的材料進(jìn)行檢測，要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。但是測試時仍然會產(chǎn)生一些誤差，從而對試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。

基于此，我們在處理試驗(yàn)結(jié)果時，使用等效變形法來替代單純平均法的數(shù)據(jù)處理方法，見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)處理方法

(2)

其中:Ei為測試值；N為次數(shù)。

兩種數(shù)據(jù)處理方法比較如表1所示。

表1 不同數(shù)據(jù)處理方法的比較

1.2.2 材料修正

根據(jù)文獻(xiàn)[13]不同材料的泊松比μ和修正系數(shù)如表2所示。

表2 材料的μ和修正系數(shù)

1.3 落球儀系統(tǒng)的構(gòu)成

落球式測試技術(shù)檢測設(shè)備主要硬件應(yīng)包括落下球體、傳感器、放大器、AD采集卡、主機(jī)等部件，設(shè)備應(yīng)盡量簡潔輕便，便于攜帶，圖3為落下球體構(gòu)成及其參數(shù)情況。

圖3 落下球體構(gòu)成

1.4 傳統(tǒng)檢測技術(shù)

(1) 環(huán)刀法。環(huán)刀法[14]是測量現(xiàn)場壓實(shí)度、干密度的傳統(tǒng)方法，適用于細(xì)粒土。環(huán)刀法是一種破壞性的檢測方法，適用于不含骨料的細(xì)粒土。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單操作方便，缺點(diǎn)是受土質(zhì)限制，當(dāng)環(huán)刀打入土中時，產(chǎn)生的應(yīng)力使土松動，壁厚時產(chǎn)生的應(yīng)力較大，因此干密度有所降低。

(2) 室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)。輕型擊實(shí)試驗(yàn)[15]是讓2.5 kg的擊實(shí)錘產(chǎn)生30.5 cm的落距對施工現(xiàn)場提取的土樣進(jìn)行錘擊，經(jīng)過換算得到最優(yōu)含水量和最大干密度。

(3) K30平板荷載試驗(yàn)。K30平板荷載試驗(yàn)[16-17]是采用直徑為30 cm的荷載板，測定下沉量為1.25 mm地基系數(shù)的試驗(yàn)方法。

2 落球檢測與傳統(tǒng)密度檢測對比試驗(yàn)

2.1 中國醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院渾南國際醫(yī)院項(xiàng)目

2.1.1 研究方案

在試驗(yàn)過程中，我們將該檢測區(qū)域分為1個試驗(yàn)測試區(qū)域，標(biāo)記為測區(qū)1，測試區(qū)域有8個測點(diǎn)(見圖4)。為減小軟弱下臥層對試驗(yàn)結(jié)果的影響及反映不同壓實(shí)遍數(shù)的情況下土的壓實(shí)情況，測試時選取壓路機(jī)分別碾壓2遍、4遍、6遍的數(shù)據(jù)，然后對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠，在應(yīng)用落球式巖土力學(xué)測試儀進(jìn)行檢測完成后，馬上進(jìn)行環(huán)刀法測試。

現(xiàn)場回填土為粉質(zhì)黏土，松鋪厚度為30 cm，壓路機(jī)的碾壓時速設(shè)定為3 km/h。

圖4 8測點(diǎn)排布圖(單位：mm)

2.1.2 落球檢測與傳統(tǒng)密度檢測指標(biāo)對比分析

通過兩種檢測手段的對比分析，如圖5(a)和圖5(b)所示，我們可以得到以下結(jié)果：

(1) 在壓實(shí)2遍的情形下，壓實(shí)質(zhì)量在78%～86%左右，落球檢測和傳統(tǒng)密度檢測的壓實(shí)度、干密度的相關(guān)系數(shù)都在0.95以上，相關(guān)性非常好，基本呈現(xiàn)為正比關(guān)系。這個時候，這兩種測試指標(biāo)均可以由所得到的擬合關(guān)系式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以互為評價標(biāo)準(zhǔn)。不論是對壓實(shí)度還是對干密度的檢測，所得到的相關(guān)系數(shù)均很好。說明落球檢測方法相對于傳統(tǒng)的密度檢測法也是十分適用的。

(2) 在壓實(shí)4遍的情形下，壓實(shí)質(zhì)量在85%～90%左右，落球檢測和傳統(tǒng)密度檢測的壓實(shí)度、干密度的相關(guān)系數(shù)都在0.90以上，相對于壓實(shí)2遍的情況，相關(guān)系數(shù)都有所降低；由壓實(shí)度和干密度的雙折線圖可以看出，落球檢測與傳統(tǒng)檢測方法(環(huán)刀法)測得的數(shù)據(jù)交替變化，但是總體的變化趨勢是一致的，同時從相關(guān)性圖中，不論是對壓實(shí)度的檢測還是對干密度的檢測，落球檢測方法和傳統(tǒng)密度檢測方法都是呈正相關(guān)性。

(3) 在壓實(shí)6遍的情形下，壓實(shí)質(zhì)量在90%以上，可以看出落球檢測壓實(shí)度與傳統(tǒng)檢測壓實(shí)度的相關(guān)系數(shù)較壓實(shí)2遍和4遍的情形都有所下降，落球檢測干密度和傳統(tǒng)密度檢測干密度的相關(guān)系數(shù)也有所下降，但依然保持在一條直線上。在壓實(shí)度雙折線圖中，可能存在一段差距較大的測試值，這可能是由于落球檢測在這幾個點(diǎn)測試時，測點(diǎn)表面存在浮土，造成落球檢測壓實(shí)度較傳統(tǒng)檢測方法偏低。

圖5 渾南國際醫(yī)院1號地壓實(shí)2、4、6遍試驗(yàn)結(jié)果對比分析圖

2.2 渾河南北兩岸濱河路維修改造項(xiàng)目

2.2.1 研究方案

渾河堤岸道路改造工程是中鐵大橋局的一個施工項(xiàng)目，需要在原有道路的基礎(chǔ)上鋪設(shè)瀝青。而渾河堤岸道路在沒有鋪設(shè)瀝青之前是沿著堤岸的一條混凝土路面和一部分砂石路面。我們測試的對象就是砂石路面。這條砂石路面我們分2個測試區(qū)域進(jìn)行檢測，分別為測區(qū)2、測區(qū)3，每個測試區(qū)域各10個測點(diǎn)(見圖6)。經(jīng)檢測可以反映這段道路的壓實(shí)情況，是否需要再次進(jìn)行碾壓，是否可以直接鋪設(shè)混凝土路面等。

圖6 10測點(diǎn)排布圖(單位:mm)

2.2.2 落球檢測與傳統(tǒng)密度檢測指標(biāo)對比分析

如圖7所示，該圖為渾河南北兩岸濱河路維修改造工程6-22-01、6-22-02試驗(yàn)對比分析圖。由圖7可以了解到，落球檢測壓實(shí)度與傳統(tǒng)密度檢測壓實(shí)度的相關(guān)系數(shù)為0.978 8和0.960 4，相關(guān)性很好。落球檢測干密度和傳統(tǒng)密度檢測干密度的相關(guān)系數(shù)為0.969 8和0.966 1，相關(guān)性也極好。由圖7(a)與圖7(b)看到，各測點(diǎn)走勢大致趨于相同，局部測點(diǎn)存在較小偏差，圖形整體趨勢相同。同時從相關(guān)性圖中，不論是對壓實(shí)度的檢測還是對干密度的檢測，落球檢測方法和傳統(tǒng)密度檢測方法都是呈正相關(guān)性。

2.3 沈陽建筑大學(xué)園區(qū)內(nèi)檢測項(xiàng)目試驗(yàn)方案

2.3.1 研究方案

為了進(jìn)一步反映落球檢測和傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的差異性和相關(guān)性，我們采取就近原則在在沈陽建筑大學(xué)校園里選擇了1個具有代表性的區(qū)域進(jìn)行研究測試，這兩個測試區(qū)域分為測區(qū)4、測區(qū)5。測區(qū)4和測區(qū)5是高德建筑研究中心對面的一塊空地，土質(zhì)為硬質(zhì)砂石，由于空地比較大，分為2個測區(qū)能比較準(zhǔn)確，方便的進(jìn)行試驗(yàn)。園區(qū)內(nèi)的這兩個測試地點(diǎn)都十分符合試驗(yàn)測試的要求，既滿足試驗(yàn)研究，又能節(jié)省大量時間、人力、物力等(見圖4、圖6)。

2.3.2 落球檢測與傳統(tǒng)密度檢測指標(biāo)對比分析

如圖8所示，圖為沈陽建筑大學(xué)校園園區(qū)內(nèi)7-5-01和7-5-02試驗(yàn)結(jié)果對比分析圖，從圖8可以知道，落球檢測壓實(shí)度與傳統(tǒng)密度檢測壓實(shí)度的相關(guān)系數(shù)為0.962 1和0.992 1，落球檢測干密度與傳統(tǒng)密度檢測干密度的相關(guān)系數(shù)為0.980 1和0.985 5，兩種檢測方法的相關(guān)性都很好，各測點(diǎn)幾乎在一條直線上。從圖8(a)與圖8(b)中可以看到雙折線圖幾乎就要重合到一起，表明相關(guān)性確實(shí)很好。

圖7 濱河路維修改造工程6-22-01、6-22-02對比分析圖

圖8 沈陽建筑大學(xué)園區(qū)內(nèi)7-5-01、7-5-02試驗(yàn)結(jié)果對比分析圖

3 落球與傳統(tǒng)密度檢測法測試變形模量與干密度曲線對比分析

圖9為兩個工程項(xiàng)目的落球檢測與傳統(tǒng)密度檢測法測試變形模量與干密度曲線。從圖9我們可以知道，變形模量和落球檢測與傳統(tǒng)密度檢測的干密度之間的關(guān)系都呈正相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)基本上都在0.95以上，其中圖9(c)和圖9(d)可能存在個別點(diǎn)的跳躍，導(dǎo)致相關(guān)性較低。從圖9可以看出落球?qū)τ谠綀?jiān)硬的巖土材料比傳統(tǒng)密度檢測法測得的相關(guān)越高。

圖9 變形模量與干密度曲線

4 落球檢測與K30對比試驗(yàn)分析

圖10—圖11為兩個工程項(xiàng)目的落球檢測與傳統(tǒng)檢測法測試K30曲線。從圖10—圖11可以知道，落球檢測與傳統(tǒng)檢測的K30之間的關(guān)系都呈正相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)都在0.90以上，其中圖10落球檢測與傳統(tǒng)檢測的K30隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加相關(guān)性降低。傳統(tǒng)檢測K30值大多數(shù)比落球高一點(diǎn)；圖11和沈陽建筑大學(xué)內(nèi)落球檢測與傳統(tǒng)檢測的K30值相差不大。

5 結(jié) 論

(1) 針對中國醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院渾南國際醫(yī)院項(xiàng)目落球和傳統(tǒng)檢測壓實(shí)度、干密度和K30的對比分析，可以得出，對于同一種軟弱的填筑材料，隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加，壓實(shí)質(zhì)量的提高，壓實(shí)度和K30相關(guān)性都逐漸降低；干密度相關(guān)性會有所降低，但不會一直降低；但總體來說都具有較好的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)大部分都大于0.90。

(2) 針對三個工程項(xiàng)目落球和傳統(tǒng)檢測壓實(shí)度、干密度和K30的對比分析，可以得出，對于不同的填筑材料，壓實(shí)度、干密度和K30都具有很好的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)都大于0.90，這三種測試指標(biāo)均可以由所得到的擬合關(guān)系式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以互為評價標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 針對三個工程項(xiàng)目變形模量與落球和傳統(tǒng)檢測干密度的對比分析，可以得出，對于不同的填筑材料，具有很好的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)都大于0.90。但對于越堅(jiān)硬的巖土材料，相關(guān)性越好，相關(guān)性系數(shù)都大于0.95，所以對于越堅(jiān)硬的巖土材料采用落球檢測技術(shù)更適合。

圖10 渾南國際醫(yī)院1號地壓實(shí)2、4、6遍試驗(yàn)結(jié)果對比分析圖

圖11 濱河路維修改造工程6-22-01、6-22-02對比分析圖

(4) 測試結(jié)果存在個別測點(diǎn)跳躍性較大的現(xiàn)象，這可能是由于表層砂礫分布不均勻，砂礫的顆粒大小也不一樣，會造成局部受壓過大或過小的現(xiàn)象，產(chǎn)生應(yīng)力集中。