改進(jìn)三點(diǎn)擊實(shí)法在填土壓實(shí)度檢測(cè)中的應(yīng)用分析

吳佳佳 唐浚文 周 珂 劉金鑫

(1.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

土方填筑壓實(shí)質(zhì)量采用壓實(shí)度進(jìn)行控制，即采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)得土體壓實(shí)后的干密度與同一土料的最大干密度，用二者的比值來反映壓實(shí)的效果。常見的傳統(tǒng)快速測(cè)定土料最大干密度的方法有相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)法、多點(diǎn)移動(dòng)平均值法、三點(diǎn)快速擊實(shí)法（以下簡稱“三點(diǎn)擊實(shí)法”）等。其中，三點(diǎn)擊實(shí)法為規(guī)范推薦的選擇，該方法能夠較好地考慮土料壓實(shí)性的變化，且操作方便，不需要測(cè)定土料含水率[1]。

三點(diǎn)擊實(shí)法被廣泛應(yīng)用于土石壩等工程的填土干密度檢測(cè)[2，3]，但在使用三點(diǎn)擊實(shí)法進(jìn)行工程現(xiàn)場(chǎng)干密度檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，需要利用圖解法[4]進(jìn)行三點(diǎn)擊實(shí)控制圖的畫線定點(diǎn)，其準(zhǔn)備工作較繁瑣；此外，在經(jīng)過多次豎、橫向的畫線定點(diǎn)后，累計(jì)誤差較大，精度較差。

為了提高傳統(tǒng)三點(diǎn)擊實(shí)法的計(jì)算精度與計(jì)算效率，筆者利用MATLAB軟件進(jìn)行編程，采用自編程序?qū)θc(diǎn)擊實(shí)法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并結(jié)合工程實(shí)例開展改進(jìn)三點(diǎn)擊實(shí)法的應(yīng)用研究，將試驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析該方法對(duì)土方填筑壓實(shí)度檢測(cè)的適用性。

1 三點(diǎn)擊實(shí)法概述

1.1 基本原理

三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)法的原理及計(jì)算方法[5]為：采用三點(diǎn)擊實(shí)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)土方填筑壓實(shí)度檢測(cè)時(shí)，不需要測(cè)定填土的含水量，僅在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定土的濕密度后，用測(cè)定密度試驗(yàn)的土樣開展3種含水量的擊實(shí)試驗(yàn)，分別測(cè)得3個(gè)擊實(shí)濕密度，就可確定填土的壓實(shí)度、最優(yōu)含水量及現(xiàn)場(chǎng)填土含水量的差值。

填土壓實(shí)度又稱夯實(shí)度，指填土干密度與標(biāo)準(zhǔn)最大干密度之比，其計(jì)算公式為：

式中：

ρdf——填土的干密度，g/cm3；

ρdfmax——室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度，g/cm3；

wf——填土的含水量，%；

ρf——現(xiàn)場(chǎng)濕密度，g/cm3。

由式（1）可知，只要求出室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度ρdfmax和現(xiàn)場(chǎng)濕密度ρf即可確定壓實(shí)度D。

式中：

w——任意含水量；

ws——原土樣干質(zhì)量。

可以理解Z的物理意義是原土樣濕質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示的加水量，任意含水量土樣的濕密度除以（1+Z）得：

式中：

ρd(1+w)——變換后的濕密度。

1.2 試驗(yàn)步驟

三點(diǎn)擊實(shí)法現(xiàn)場(chǎng)確定填土壓實(shí)度流程如下：

（1）首先在檢測(cè)點(diǎn)取樣確定填土濕密度；

（2）在同一位置取三份土樣，每份約3kg，分別加入不同重量的水，測(cè)得相應(yīng)的濕密度ρd（1+w），分別除以得到變換后的濕密度ρd（1+wf），并以Z為橫坐標(biāo)，ρd（1+wf）為縱坐標(biāo)繪制三點(diǎn)擊實(shí)圖，如圖1所示；

圖1 三點(diǎn)擊實(shí)圖

（3）通過這三個(gè)有適當(dāng)間距的點(diǎn)可以擬合出一條拋物線，然后用數(shù)學(xué)方法或圖解法確定拋物線頂點(diǎn)，或借助計(jì)算機(jī)工具直接成圖得出頂點(diǎn)縱坐標(biāo)值，即ρdfmax（1+wf）。則壓實(shí)度D由ρf/ρdfmax（1+wf）求得。

2 基于程序計(jì)算的三點(diǎn)法優(yōu)化改進(jìn)

采用三點(diǎn)擊實(shí)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用時(shí)，主要存在兩個(gè)問題：一是需要提前準(zhǔn)備繁瑣的三點(diǎn)擊實(shí)控制圖，整個(gè)工作耗時(shí)、費(fèi)事；二是求解變換后的最大濕密度時(shí)采用的是作圖法，需多次畫線定點(diǎn)，易出現(xiàn)累計(jì)誤差，精度較差。

針對(duì)傳統(tǒng)三點(diǎn)擊實(shí)法存在的問題，采取MATLAB軟件編程對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可直接繪制出三點(diǎn)擊實(shí)圖，并直接讀出頂點(diǎn)縱坐標(biāo)值即ρdfmax（1+wf），從而得到可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，具體程序計(jì)算方法如下：

clc

clear

x=input(′請(qǐng)輸入三點(diǎn)加減水量(%)：′);%樣例[0 2 4]

y=input(′請(qǐng)輸入三點(diǎn)對(duì)應(yīng)濕密度(g/cm^3)：′);%樣例[2.14 2.1667 2.0096]

plot(x,y,′.′,′markersize′,15);

hold on

p=polyfit(x,y,2);

xi=[0∶0.01:max(x)];

yi=polyval(p,xi);

z=find(yi==max(yi));

plot(xi,yi,xi(z),yi(z),′*′,′markersize′,15);

text(xi(z),yi(z),′(xi(max),yi(max))′,′EdgeColor′,′red′,′VerticalAlignment′,′bottom′);

set(gca,′XLim′,[-1.5 4.5]);

set(gca,′YLim′,[1.9 2.3]);

set(gca,′XTick′,[-1.0∶1:4.0]);

set(gca,′YTick′,[1.9∶0.1∶2.3]);

disp(([′變 換 后 最 大 濕 密 度(g/cm^3)：′num2str(max(yi))]));

disp(([′填土壓實(shí)度(%)：′num2str(y(1)/max(yi))]));

disp(([′最優(yōu)含水量與含水量的差值(%)：′num2str(xi(z))]));

輸入數(shù)據(jù)：

（1）F、H、I：三點(diǎn)擊實(shí)加減水量占加水前濕土重的百分比（%）。一般為方便起見，可取F=0。

（2）R、S、T：三點(diǎn)擊實(shí)濕密度（g/cm3）。

輸出數(shù)據(jù)：

（1）Y：ρdfmax（1+wf），即變換后的最大濕密度（g/cm3）。

（2）D：填土壓實(shí)度（%）。

（3）Q：最優(yōu)含水量與含水量的差值（%）。

3 工程實(shí)例應(yīng)用分析

3.1 工程背景

以白鶴灘庫區(qū)某市政類總承包項(xiàng)目的高回填造地工程填方3區(qū)第41層填筑K0+000~K0+280作為試驗(yàn)段，該工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段填土測(cè)得樣土濕密度為2.140g/cm3。將此土樣分成3份，每份3kg，分別加入不同重量的水，w1=0，w2=60mL，w3=120mL。測(cè)得擊實(shí)后的濕密度分別為2.140g/cm3、2.167g/cm3、2.010g/cm3。

此時(shí)程序輸入數(shù)據(jù)為：F=0，H=2，I=4，R=2.140，S=2.167，T=2.010。程序輸出數(shù)據(jù)為：Y=2.178，D=98.3，Q=1.3，程序計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 程序計(jì)算結(jié)果

該法相對(duì)于圖解法、克萊姆法則等方法具有方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，可將三個(gè)點(diǎn)的ρd（1+wf）連成光滑曲線，如圖3所示，直接讀取頂點(diǎn)縱坐標(biāo)，即ρdfmax（1+wf）。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定已知填土濕密度ρf，由作圖求出ρdfmax（1+wf），則可求得壓實(shí)度D。無需現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)最大干密度，縮短了填筑工程的循環(huán)時(shí)間。

圖3 頂點(diǎn)坐標(biāo)圖

3.2 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

伴隨著施工進(jìn)度的推進(jìn)，采用現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度對(duì)填方區(qū)的每一層進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)。干密度檢測(cè)內(nèi)容以試驗(yàn)段的10個(gè)測(cè)點(diǎn)為例，對(duì)比改進(jìn)的三點(diǎn)快速檢測(cè)方法試驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果。檢測(cè)填筑料均為土石混合料，干密度檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)見表1，其中帶*的為采用改進(jìn)三點(diǎn)快速檢測(cè)方法得到的數(shù)據(jù)。

表1 現(xiàn)場(chǎng)干密度檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

由表1可知，采用改進(jìn)的三點(diǎn)快速檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果可以滿足試驗(yàn)規(guī)定的誤差要求。

采用傳統(tǒng)方法做一次試驗(yàn)得到結(jié)果平均用時(shí)為1h左右，而采用改進(jìn)三點(diǎn)法從輸入數(shù)據(jù)到得出計(jì)算結(jié)果僅需10s，與傳統(tǒng)方法相比，該方法操作性強(qiáng)且方便快捷，可以使得工作段壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)工序時(shí)間控制在工期限制范圍之內(nèi)。

在全部操作熟練后，利用該方法進(jìn)行檢測(cè)工作，極大縮短了土方填筑的循環(huán)作業(yè)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了填筑快速施工。

4 結(jié)束語

（1）利用MATLAB軟件編程對(duì)三點(diǎn)擊實(shí)法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。相對(duì)于圖解法，該法具有方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，避免了圖解法處理數(shù)據(jù)時(shí)精度不足和準(zhǔn)備工作繁瑣的問題。

（2）由改進(jìn)的三點(diǎn)快速檢測(cè)方法試驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，改進(jìn)的快速檢測(cè)方法可以滿足試驗(yàn)規(guī)定的誤差要求，縮短了土方填筑的循環(huán)作業(yè)時(shí)間，在保證填筑施工質(zhì)量的條件下，實(shí)現(xiàn)了填筑快速施工。

（3）該方法可以為類似土方填筑工程的壓實(shí)度快速檢測(cè)提供指導(dǎo)和借鑒。