土方路基壓實度檢測中挖坑設備的開發應用

許新水，賈玲燕，鄭 軒

(廣東交科檢測有限公司，廣州 510550)

0 引言

壓實度是公路路基工程施工質量控制較重要的指標之一，只有對路基結構層進行充分壓實，才能保證路基的強度及使用壽命[1]。公路路基壓實度檢測常用的是灌砂法,公路行業采用灌砂法檢測路基壓實度的歷史，可追溯到《公路土工試驗規程》(JTJ 051-93)，直至《公路路基路面現場測試規程》(JTG 3450-2019)，對路基壓實度檢測依舊將灌砂法作為標準的方法[2]。灌砂法作為現場測定路基壓實度的主要方法，其操作過程看似比較簡單，但實際操作過程中存在試坑不標準、耗時長、水分蒸發等問題。一方面容易造成試驗誤差較大[5-6]；另一方面因檢測時間較長，容易影響路基工程的施工進度。

本文依托沈陽至海口國家高速公路汕尾陸豐至深圳龍崗段改擴建工程路基施工的壓實度檢測，針對傳統的人工挖坑效率低、易造成試驗誤差大等問題，開發了壓實度檢測挖坑設備，并在該工程進行了應用，對采用設備檢測壓實度試坑結果的準確性與傳統方法進行了對比分析。

1 設備構成

從灌砂法檢測壓實度的方法中可知，置換的試坑的體積是影響壓實度檢測效率、檢測結果的主要因素，若想試坑規整，需要花費較長時間進行修整，從而影響檢測效率，無形中增加了人工等成本。針對傳統壓實度檢測采用人工開挖試坑效率低、誤差大等問題，開發了壓實度檢測試坑開挖設備。該設備采用汽油動力發動機帶動一定轉速的特制刀頭，代替人工挖坑步驟，通過排土、收土機構收集土樣。設備整體由動力機構、導向機構、固定機構及刀頭機構等組成，工作時由動力機構提供動力帶動刀頭機構進行旋轉，借助導向機構上下移動，通過固定機構穩定整臺設備。設備構造如圖1～圖3所示。

圖1 整機構造

圖2 刀頭機構

圖3 設備實體

2 設備驗證與分析

沈陽至海口國家高速公路汕尾陸豐至深圳龍崗段改擴建工程TJ5標施工段落內(樁號K71+650-K91+940段)取土場土質主要為強風化土、一般黏性土、砂礫土，采用傳統的人工和設備分別對路基進行壓實度的試坑體積、計算的壓實度結果、耗時等進行驗證分析。

2.1 設備準確性驗證方法

根據依托工程土方路基填筑的實際層厚，分別采用人工、設備開挖相同深度的試坑。用標準砂置換出的人工開挖試坑體積、設備開挖試坑體積與直接計算試坑體積對比，通過試坑與理論體積的吻合程度、操作用時及對壓實度的影響，綜合驗證本設備。

(1)根據規范標定灌砂桶圓錐體的耗砂量(m2)，標定標準砂密度ρs。

(2)在已經碾壓完成的施工段落，隨機選取一處表面平坦且面積不小于設備底座的測點位置，并用毛刷清掃干凈。

(3)將設備放置在已經清掃的試驗區域，用固定銷固定，啟動設備，同時將出土口套上接樣容器后進行挖坑。在挖坑過程中，不應使挖出的土樣丟失，并隨時將刀頭帶出來的土收集，防止水分蒸發。操作過程中不得有下層材料混入。試坑開挖完成后，測量試坑的深度與直徑。

(4)根據量砂標定結果，灌入灌砂筒內相同質量的砂(m1)。灌砂筒與試坑對中，打開開關，讓量砂流入試坑內，直到灌砂桶內的砂不再下流時，關閉開關。取走灌砂筒，并稱量其剩余砂的質量(m3)，準確至 1g。

(5)重復以上步驟進行不同時間、不同地點、不同層厚的檢測，采集試坑數據。

(6)試坑體積采用下式計算：

式中：V—試坑體積(cm3)；

(7)按照《公路路基路面現場測試規程》(JTG 3450-2019)進行人工開挖相同深度的試坑，進行試坑體積置換，并結合測得的濕土樣質量、含水率，計算壓實度。

2.2 驗證結果分析

采用傳統的人工和設備分別對路基進行壓實度檢測，如圖4～圖7所示。與同樣直徑和深度的壓實度試坑理論體積、計算的壓實度結果、耗時進行對比，對比結果見表1～表3，繪制成體積、壓實度、耗時曲線，如圖10～圖12所示。

圖4 人工挖坑

圖5 設備挖坑

圖6 人工挖坑的效果

圖7 設備挖坑的效果

從表1和圖8可以看出，設備挖坑的體積平均誤差為157cm3，人工挖坑的體積平均誤差為633 cm3，相比人工挖坑，設備開挖試坑的體積誤差大幅度降低，誤差降低率達303%。回顧現場檢測過程，試坑體積誤差主要受坑洞的直徑不規范影響較大，實際人工檢測中，往往會將試坑挖成鍋底的形狀，尤其是在接近試坑底部的位置，采用設備挖坑可解決此問題。圖6和圖7分別為人工挖坑和設備挖坑的效果圖，可以看出，采用設備開挖試坑的尺寸和形狀明顯比人工開挖的要規整。

表1 壓實度試坑體積對比

圖8 試坑體積對比曲線

結合表2和圖9可以得出，設備挖坑的壓實度標準差僅為0.6，人工挖坑的壓實度標準差為1.3，相比人工，采用設備進行試坑開挖后的壓實度離散性大幅度降低，降低率為116%。

表2 壓實度結果對比

圖9 壓實度對比曲線

從表3和圖10可以看出，設備試坑開挖平均耗時2.2min，人工進行試坑開挖平均耗時19.9min，相比人工，采用設備挖坑的用時大幅度降低，壓實度的檢測效率提升9倍，相比傳統的人工挖坑方法，檢測效率顯著提高。

表3 壓實度挖坑耗時對比

圖10 挖坑耗時對比曲線

3 結語

本文介紹了路基壓實度檢測的挖坑設備，通過試驗驗證表明，該設備挖坑的體積更標準、效率高，且操作方便，相對人工平均單坑試驗時間可節省17.7min，有效縮短了壓實度檢測時間；同時設計了收土機構，有效減少了土樣含水率的損失。結合工程實踐情況，本文的挖坑設備除了提高壓實度試坑體積的規范性、真實反映了土方路基壓實情況外，還解決了人工挖坑耗時較長，導致數據離散性較大等問題。