道路工程中壓實度的檢測方法及比較分析

黃澤群 肖梓瑩

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

發(fā)展交通強國需要有四通八達的交通網(wǎng)為基礎(chǔ)，修建安全可靠、行車舒適的道路則是交通網(wǎng)的重要組成部分。道路一般由面層、基層、墊層、土基組成，在修建過程中需要進行分層回填并對相關(guān)指標(biāo)進行檢測，檢測合格才可進行下一結(jié)構(gòu)層材料回填。其中，壓實度檢測是必不可少的一項檢測工作，充分壓實路基、路面結(jié)構(gòu)層可保證路基、路面的剛度、強度、穩(wěn)定度以及平整度等性能，有利于提升道路質(zhì)量，延長道路的使用壽命。壓實度一般表示施工現(xiàn)場的土或其他筑路材料經(jīng)過壓實后采用相關(guān)檢測方法測試得到的最大干密度與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗獲得的最大干密度的比值[1]，壓實度結(jié)果可用于表征施工現(xiàn)場的土或其他筑路材料壓實后的密度狀況，壓實度結(jié)果越高，表明該結(jié)構(gòu)層的干密度越大，整體性能也更加優(yōu)異，因此，壓實度是道路工程中施工質(zhì)量檢測的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

道路工程中壓實度的檢測包括室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗獲得的最大干密度和施工現(xiàn)場檢測的最大干密度，前者通常采用重型擊實法、重型振實法等方法，而后者可采用的檢測方法較多，包括灌砂法、灌水法、環(huán)刀法、核子儀法、落錘法、瑞雷波法等方法。本文將對灌砂法、灌水法、環(huán)刀法、落錘法、核子儀法、瑞雷波法的檢測原理、操作步驟展開闡述，并歸納了各種檢測方法的特點以及對其中幾種檢測方法進行了對比分析，以期為工程人員提供參考。

1 壓實度檢測方法

1.1 灌砂法

灌砂法是目前檢測壓實度最為常見的方法之一，也是現(xiàn)場檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法，適用于測量細粒土、砂類土、礫類土的密度。在進行灌砂法試驗時，首先需要測定粒徑為0.25mm～0.5mm 量砂的密度，將裝有量砂的灌砂筒置于體積已知的標(biāo)定罐上方，通過測量標(biāo)定罐中量砂的質(zhì)量計算量砂的密度；接著在待測區(qū)域選擇面積40㎝×40cm 的平坦場地并將表面清掃干凈，放置基板并使用工具沿著基板中央的孔進行鑿洞，洞壁應(yīng)具有良好的光滑度、平整度且保持筆直，鑿洞深度為下一結(jié)構(gòu)層表層，鑿出的土需全部收集起來并取一部分試樣測試其含水率；然后將灌砂筒置于洞口處并打開開關(guān)使量砂填滿鑿洞，測算填入洞中量砂的質(zhì)量并推算出其體積，則此體積即為鑿出土的體積；最后根據(jù)鑿出土的質(zhì)量、含水率、量砂的體積即可計算出現(xiàn)場土樣的最大干密度，并根據(jù)室內(nèi)擊實試驗獲得的標(biāo)準(zhǔn)最大干密度即可計算出壓實度。

灌砂法的試驗原理比較簡單，操作步驟較多，在實際操作時存在一定難度，壓實度結(jié)果容易出現(xiàn)誤差，進而引發(fā)質(zhì)量檢測、施工部門以及監(jiān)督單位之間的爭議，因此需要檢測人員具有良好的檢測習(xí)慣且嚴(yán)格按照規(guī)范認真進行試驗，多點取樣取平均值。

1.2 灌水法

灌水法與灌砂法的試驗原理以及操作步驟比較相似，灌水法適用于現(xiàn)場測量粗粒土和巨粒土的密度。在進行灌水法試驗時，首先同樣需要選擇面積為40cm×40cm 的平坦場地，清除表面未壓實的土層，整平測點處的地面并用水準(zhǔn)尺檢查；接著根據(jù)土層中顆粒的最大粒徑確定試坑的目標(biāo)直徑和目標(biāo)深度，按照試坑的目標(biāo)直徑確定坑口輪廓線，在輪廓線內(nèi)下鑿至目標(biāo)深度并將鑿出的土全部收集起來，取代表性試樣測試含水率；待鑿好試坑后，根據(jù)試坑的直徑放上相應(yīng)尺寸的套環(huán)，用水準(zhǔn)尺檢查是否處于水平位置，將塑料薄膜與試坑內(nèi)側(cè)緊密貼合；然后記錄儲水桶內(nèi)初始水位高度，打開開關(guān)使水緩慢注入塑料薄膜內(nèi)，待水面與套環(huán)上邊緣位置齊平時則立即將開關(guān)閉合，記錄此時儲水桶內(nèi)水位高度；最后根據(jù)灌水體積計算出試坑的容積，并結(jié)合土的質(zhì)量、含水率結(jié)果推算出現(xiàn)場試驗的最大干密度，再根據(jù)室內(nèi)壓實試驗獲得的標(biāo)準(zhǔn)最大密度便可得出壓實度。

1.3 環(huán)刀法

環(huán)刀法是測量現(xiàn)場密度的傳統(tǒng)方法，主要用于測量不含礫石的素土以及無機結(jié)合料穩(wěn)定細粒土的密度，不適用于含有粒料的穩(wěn)定土及松散性材料。其檢測原理是使用體積、質(zhì)量均已知的環(huán)刀在土層中選取土樣，然后測量土樣的質(zhì)量以及含水率，根據(jù)環(huán)刀的體積、土樣質(zhì)量和含水率結(jié)果計算土樣的干密度，再根據(jù)室內(nèi)擊實試驗獲得的標(biāo)準(zhǔn)最大干密度即可得到土層的壓實度。由于土層碾壓后土體的密實度從上至下呈逐漸減小的趨勢[2]，環(huán)刀法的檢測結(jié)果僅代表環(huán)刀內(nèi)土樣所在深度范圍內(nèi)的平均干密度，無法代表整個土層的干密度，因此在取樣時應(yīng)具有隨機性還應(yīng)確保測點土樣與送樣土質(zhì)相同以保證檢測結(jié)果的精度以及準(zhǔn)確度。

1.4 落錘法

落錘法是利用落錘頻譜式快速測定儀來檢測土層的壓實度，是當(dāng)前應(yīng)用比較頻繁的一種檢測方法[3]，其基本工作原理是通過落錘的自由下落，沖擊地面使土體表面產(chǎn)生反彈力，通過傳感器接收土體的反彈力并將其傳送至計算儀器中，經(jīng)過儀器運算可獲得待測土層的壓實度，工作原理流程圖如圖1 所示，在施工現(xiàn)場或?qū)嶒炇彝敛蹆?nèi)皆可使用。通常情況下，反彈力越大土層的壓實度越高，反之則越低。

圖1 落錘頻譜式快速測定儀原理圖[4]

1.5 核子儀法

核子儀法適用于檢測土壤、碎石、土石混合物、瀝青混合料等材料的濕密度與含水量。測試濕密度的基本工作原理是利用銫137 伽馬源向待測材料釋放伽瑪射線，其中一部分射線被待測材料吸收而另一部分射線則會穿透待測材料，能夠穿透待測材料的射線可被安裝在儀器內(nèi)的蓋革-密勒計數(shù)管檢測到，當(dāng)較多的射線被材料吸收而較少的射線穿透材料時，計數(shù)管讀數(shù)較小則表明待測材料的濕密度較大，反之則表明待測材料的濕密度較小。測試含水量的基本原理是利用镅241/鈹中子源向待測材料釋放高能中子射線，高能中子與氫原子碰撞后迅速失去能量而變成低能中子，當(dāng)待測材料的濕度較高時，氫原子數(shù)量則越多，當(dāng)射線穿過時，將產(chǎn)生較多的低能中子，由于儀器中的含水量檢測管只檢測低能中子，因此檢測管計數(shù)越大則表示待測材料有較高的含水量，反之含水量較低[5,6]。最后，利用測出的濕密度、含水量結(jié)果計算出材料的干密度，并與室內(nèi)試驗獲取的標(biāo)準(zhǔn)最大干密度進行比較得到密實度。

1.6 瑞雷波法

瑞雷波是地震波中的一種面波，在分層介質(zhì)中傳播具有頻散特性而在均勻介質(zhì)中傳播則沒有，而且瑞雷波的傳播速度與介質(zhì)的密度具有相關(guān)性，因此，根據(jù)實測的頻散曲線可對層位進行劃分并計算各層的速度值，通過各層的瑞雷波速度值與密度值的關(guān)系可計算各層的壓實度。實際檢測時，測點應(yīng)選擇在地勢較平坦的待測地段，接著以測點為中心點將兩個傳感器對稱放置在地面上，然后用激振錘垂直敲擊地面，利用計算機收集產(chǎn)生的信號，為提高試驗準(zhǔn)確性每一個測點需要敲擊5 次以上，最后對獲得的數(shù)據(jù)進行分析并計算出壓實度[4]。

2 壓實度檢測方法比較

隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，道路工程中路基壓實度的檢測方法也較多，各種檢測方法有其各自的特點，表1 歸納了幾種檢測方法的特點。因此，有諸多科研人員、工程人員通過對同一區(qū)域的土層采用多種方法進行檢測，對比壓實度結(jié)果的差異并分析了其中原因。

表1 不同檢測方法的特點

董海文等[7]以長沙市某道路為例，采用灌砂法和瑞雷波法來評估路基壓實度，結(jié)果顯示兩種檢測方法測出的壓實度值相近，相對平均誤差為2.31%，平均絕對誤差為2.43%，同時指出瑞雷波法的檢測數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定、檢測速度快、對路面沒有損壞。劉曉敏[8]同樣采用灌砂法和瑞雷波法進行檢測，結(jié)果顯示兩種檢測方法的結(jié)果基本一致，誤差均小于1%，由于瑞雷波法是無損檢測，在檢測路基的填筑質(zhì)量時不會對路基造成破壞，同時檢測結(jié)果表示為一定范圍內(nèi)路基壓實度的平均值，檢測結(jié)果更能反映實際情況。

毛志勇[4]以寧波市某市政道路路基為研究對象，分別采用灌砂法、環(huán)刀法和落錘法檢測路基壓實度，結(jié)果顯示三種檢測方法得出的結(jié)果相差不大，并且環(huán)刀法、落錘法的檢測結(jié)果與灌砂法檢測結(jié)果具有較好的相關(guān)性。除此之外，研究發(fā)現(xiàn)灌砂法檢測的壓實度結(jié)果會出現(xiàn)大于100%的現(xiàn)象，這是因為測點的土樣與所測最大干密度的代表土樣存在差異，另一方面則可能是檢測人員操作不當(dāng)造成的誤差；在采用環(huán)刀法檢測時，需要取碾壓層中間的土，其結(jié)果才會與灌砂法檢測結(jié)果相近，由于環(huán)刀容積小容易導(dǎo)致測試結(jié)果發(fā)生突變，因此應(yīng)隨機選擇測點且測點需具備一定的代表性；而落錘法的檢測結(jié)果相對穩(wěn)定，受人為因素的影響相對較少，但對土體的適用性和準(zhǔn)確性需要進一步研究。

高順峰等[9]以某公路工程為例，分別采用灌砂法與核子儀法檢測了不同壓實區(qū)域內(nèi)素土路基和不同石灰含量灰土路基的干密度，將兩種方法的檢測結(jié)果進行相關(guān)分析和回歸分析，結(jié)果顯示這兩種檢測方法得出的檢測結(jié)果非常接近，而且誤差滿足相關(guān)規(guī)范要求，并且數(shù)據(jù)離散性較小；采用盒形圖分析發(fā)現(xiàn)這兩種檢測方法各自檢測結(jié)果的中值、內(nèi)距、極差均比較接近，數(shù)據(jù)特征一致。因此，利用核子儀法檢測路基壓實度具有較高的可靠度，同時核子儀法是無損檢測方法，檢測速度快、效率高、能夠降低檢測人員的工作強度且不影響工程進度。常中飛[10]通過試驗亦表示核子儀法能夠簡單方便、準(zhǔn)確快速的測試路基的壓實度以提供第一手資料，在檢測過程中相較于灌砂法更加安全。

3 小結(jié)

⑴灌砂法、灌水法、環(huán)刀法作為傳統(tǒng)檢測方法，雖然檢測速度比較慢，但是檢測的結(jié)果相對準(zhǔn)確可靠，而采用落錘法、核子儀法以及瑞雷波法能夠提高檢測速度、減少檢測人員數(shù)量，但是在使用儀器時需要進行標(biāo)定與修正，檢測費用也較高。

⑵道路工程中壓實度檢測應(yīng)朝著無損檢測的方向展開研究與開發(fā)，以達到提高檢測效率，減少檢測人員的工作強度，提升檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性并具有良好經(jīng)濟性的目的。