公路施工項(xiàng)目路基壓實(shí)度的檢測(cè)技術(shù)研究

邱林

（貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001）

0 引言

路基填筑施工是高速公路建設(shè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量對(duì)整個(gè)高速公路的穩(wěn)定性和行車安全都有很大的影響。在路基施工過(guò)程中，需對(duì)路基填筑的壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，依靠檢測(cè)數(shù)據(jù)判斷已填筑區(qū)間的質(zhì)量情況，從而準(zhǔn)確控制路基強(qiáng)度，以保證路基的施工質(zhì)量。因此，研究路基壓實(shí)度檢測(cè)技術(shù)，對(duì)工程實(shí)踐有十分重要的指導(dǎo)意義。

1 影響公路工程路基壓實(shí)度的因素

壓實(shí)度是指路基填筑材料經(jīng)過(guò)機(jī)械壓實(shí)后的干密度與其室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果最大值之比。如果路基填筑段的實(shí)測(cè)干密度與標(biāo)準(zhǔn)最大干密度相近，則說(shuō)明路基的壓實(shí)度好，在某種程度上也代表此段公路整體質(zhì)量好，能更好地承受連續(xù)行車荷載造成的變形，且其耐久性、抗水腐蝕性也會(huì)更好。經(jīng)分析大量施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出：影響路基壓實(shí)度的主要因素有含水率、壓實(shí)功、填料級(jí)配。

1.1 含水率

填料內(nèi)部的水分含量是衡量路基壓實(shí)度是否合格的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，也是衡量路基土孔隙率和干密度的重要指標(biāo)。受路基含水量的影響，其各種機(jī)械、力學(xué)性能也會(huì)隨之改變，如土壤含水量會(huì)對(duì)土壤的滲透性、內(nèi)摩擦角、壓縮系數(shù)等產(chǎn)生一定的影響。

在最佳含水率的工況下，土壤可達(dá)到最優(yōu)壓實(shí)效果。如果路基中的水分含量很低，土壤壓實(shí)過(guò)程中的土壤顆粒會(huì)很粗糙，土壤顆粒之間的互相滑動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)摩擦力，缺乏水分的潤(rùn)滑，土壤內(nèi)部的摩擦力增大，則很難達(dá)到路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。另外，若是實(shí)際含水量超過(guò)理想含水量，在土壤壓實(shí)階段，土壤中存在的自由水很難排出，便會(huì)形成大的孔隙水壓，而顆粒間的空隙增大，會(huì)使路基土的干密度減小，最終降低路基整體質(zhì)量，進(jìn)而影響行車的穩(wěn)定性和安全性。

1.2 壓實(shí)功

壓實(shí)功是指路基填筑階段，壓實(shí)機(jī)械施加于單位土體的作用力[1]。路基填料由土顆粒、氣體、水分等成分組成，路基壓實(shí)的作用是將填料中的氣體、水分?jǐn)D出，使單位體積內(nèi)固體的土顆粒成分占比更多。由于施工條件、環(huán)境氣候等現(xiàn)場(chǎng)工況易于變化，會(huì)導(dǎo)致路基壓實(shí)不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，因此分析得出壓實(shí)性能主要受碾壓機(jī)械類型、填筑分層厚度、壓實(shí)遍數(shù)及速率的影響。

1.3 填料級(jí)配

試驗(yàn)?zāi)M表明，填料顆粒級(jí)配對(duì)路基的壓實(shí)度有很大的影響。例如，土體級(jí)配情況越好，顆粒的連續(xù)性會(huì)更優(yōu)，均勻性會(huì)更強(qiáng)，小顆粒更能充分填充大顆粒之間的孔隙，土壤的最大干密度也會(huì)進(jìn)一步提升；而級(jí)配相對(duì)較差的土壤，由于土壤顆粒級(jí)配非連續(xù)，且均勻性更差，會(huì)導(dǎo)致土壤中的顆粒之間空隙增大，大顆粒之間的孔隙不能被有效充填，使得填料的密實(shí)性較差。

2 檢測(cè)路基壓實(shí)度的方法

2.1 環(huán)刀法

2.1.1 環(huán)刀法作業(yè)原理

試驗(yàn)方法：在試驗(yàn)之前，應(yīng)先測(cè)量環(huán)刀的質(zhì)量、體積，并在環(huán)刀內(nèi)壁刷涂凡士林；清潔、整平取土點(diǎn)范圍，將環(huán)刀豎直打入被測(cè)土壤，然后取下環(huán)刀，使土與環(huán)刀口平齊，清除外壁剩余土壤并稱取重量；將土壤樣品中的水分烘干（可采用烘干或燒干法），然后重新稱取重量；依據(jù)已知的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)所得參數(shù)，檢測(cè)點(diǎn)的壓實(shí)度可以由公式（1）～（3）計(jì)算求出。

式（1）中：m1為環(huán)刀和濕土的整體重量；m2為環(huán)刀質(zhì)量；υ為環(huán)刀體積。

式（2）中：ω為土樣含水量；ρω為土濕密度；ρd為土干密度。

式（3）中：δ為壓實(shí)度；ρdmax為最大干密度。

2.1.2 環(huán)刀法的優(yōu)缺點(diǎn)

環(huán)刀法檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于所用設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作、效率高。其不足之處在于，檢測(cè)過(guò)程容易對(duì)周邊土壤造成破壞，且高度依賴測(cè)試者個(gè)體的操作水平；采用抽樣方法，如果樣本數(shù)量過(guò)少，檢測(cè)數(shù)據(jù)則不具有代表性，不能真實(shí)反映待檢區(qū)域的真實(shí)質(zhì)量情況。

2.1.3 環(huán)刀法適用范圍

環(huán)刀法主要適用于細(xì)粒土填筑路基的壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)，而不適用于碎石、礫石類土壤填筑路基的壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)。該檢測(cè)方法操作簡(jiǎn)單，適用于對(duì)局部壓實(shí)存在缺陷的路段的快速檢測(cè)。此外，該檢測(cè)方法對(duì)含水率指標(biāo)十分敏感，因此也適用于因水分含量問(wèn)題而導(dǎo)致的土壤壓實(shí)度不足的檢測(cè)。

2.2 灌砂法

2.2.1 灌砂法作業(yè)原理

灌砂法和環(huán)式刀法的檢測(cè)操作過(guò)程有很多相似之處[2]。在檢測(cè)操作環(huán)節(jié)，先在測(cè)試點(diǎn)挖洞取土，試坑開(kāi)挖完畢后進(jìn)行測(cè)量，主要測(cè)量指標(biāo)值為灌砂質(zhì)量、體積和試樣土含水量等。完成測(cè)量后，計(jì)算干密度、濕密度進(jìn)行，計(jì)算方法也與環(huán)刀法的基本思路一致，通過(guò)計(jì)算得出路基的壓實(shí)度。

2.2.2 灌砂法優(yōu)缺點(diǎn)

灌砂法的優(yōu)勢(shì)在于操作過(guò)程可控，所獲得的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，且檢測(cè)值具有一定的代表性，是一種廣泛用于公路工程路基壓實(shí)度測(cè)試的方法。

缺點(diǎn)包括：量砂的干濕性、量砂稱重等因素均會(huì)對(duì)最后的測(cè)定結(jié)果帶來(lái)不利影響；操作過(guò)程需要大量的砂子，且需進(jìn)行多次測(cè)量，檢測(cè)效率很低；如果擊實(shí)操作不規(guī)范，則會(huì)影響壓實(shí)度計(jì)算基準(zhǔn)值最大干密度的取值，會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)壓實(shí)度不具有代表性。

2.2.3 灌砂法適用范圍

灌砂法也是一種常見(jiàn)的壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)手段，適合于路面基層或粗砂墊層、礫質(zhì)土壤檢測(cè)，但不適用大孔隙率、土石混填、石方段路基檢測(cè)。

2.3 核子密度儀法

2.3.1 核子密度儀作業(yè)原理

核子密度儀法是一種高效的測(cè)定壓實(shí)度和含水率的檢測(cè)技術(shù)。使用核子密度儀檢測(cè)之前，要在被檢測(cè)場(chǎng)區(qū)的測(cè)點(diǎn)處鉆一個(gè)小孔，將核子放入孔內(nèi)，核子會(huì)在孔內(nèi)發(fā)出輻射射線，然后擴(kuò)散到待檢點(diǎn)周邊區(qū)域。核子密度儀可以接收到核子輻射后返回的射線，從而準(zhǔn)確地測(cè)量出材料的密度。

2.3.2 核子密度儀法優(yōu)缺點(diǎn)

核子密度儀法的優(yōu)勢(shì)包括：所需的檢測(cè)人員較少，檢測(cè)效率高；不會(huì)對(duì)填筑路基造成嚴(yán)重的破壞；可以直觀地顯示檢測(cè)結(jié)果。其不足之處主要包括：操作過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定程度的輻射，會(huì)對(duì)環(huán)境、人體健康，造成不利影響；核子密度儀的關(guān)鍵部件輻射源在使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，因此進(jìn)行檢測(cè)之前必須校準(zhǔn)儀器，并進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉?biāo)定和校準(zhǔn)，且標(biāo)定和校準(zhǔn)的操作過(guò)程較為復(fù)雜；核子密度儀采購(gòu)成本高，檢測(cè)費(fèi)用較高。

2.3.3 核子密度儀法適用范圍

核子密度儀法適用于各類路基、路面填筑層的含水量、密度的測(cè)定；測(cè)量操作過(guò)程簡(jiǎn)單，可以直接從屏幕上讀出測(cè)量結(jié)果；能快速對(duì)大范圍路基填筑施工的壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)價(jià)，進(jìn)而有效指導(dǎo)、優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)。

2.4 瑞雷波法

瑞雷波檢測(cè)技術(shù)主要利用層狀填料瑞雷波波速頻散特征，介質(zhì)密度與瑞雷波的傳播速率的相關(guān)性。在檢測(cè)環(huán)節(jié)，可根據(jù)實(shí)測(cè)的頻散曲線進(jìn)行分層，并利用已知的瑞雷波速和密度的特定關(guān)系，精確地計(jì)算出每一層的壓實(shí)度[3]。

相較于傳統(tǒng)的反射波和折射波法，瑞雷波法的優(yōu)勢(shì)在于不受下層波速差異的影響。在波阻抗差別比較小的地質(zhì)體界面，反射波和折射波方法難以區(qū)分，而瑞雷波檢測(cè)技術(shù)則不存在此類問(wèn)題。

3 常見(jiàn)路基壓實(shí)度檢測(cè)方法的區(qū)別

為確保路基工程質(zhì)量，在施工過(guò)程中通常會(huì)根據(jù)不同工況，選擇性地采用環(huán)刀法、灌砂法、核子密度儀法等方法來(lái)測(cè)定和評(píng)價(jià)路基的壓實(shí)度[4]。這三種檢測(cè)方法的主要區(qū)別如下：

第一，試驗(yàn)時(shí)間。灌砂法的試驗(yàn)操作方式與環(huán)刀法相似，但增加了注砂和取砂工序，因此作業(yè)時(shí)間更長(zhǎng)，一次測(cè)試大約需要30min；核子密度儀可以通過(guò)屏幕直接讀取數(shù)據(jù)，在熟練操作下，可以迅速測(cè)試壓實(shí)度，每次測(cè)試僅需約5min，是這三種檢測(cè)手段中檢測(cè)用時(shí)最短的。

第二，檢測(cè)成本價(jià)。與環(huán)刀法相比，灌砂法使用的量砂更多，且使用的工具也更多，因此試驗(yàn)費(fèi)用要比環(huán)刀法高；核子密度儀法所用的儀器費(fèi)用比較高，一臺(tái)檢測(cè)儀達(dá)10 萬(wàn)元左右，其試驗(yàn)費(fèi)用在這三種方法中最高。

第三，適用的檢測(cè)范圍。環(huán)刀法只適用于一、二類顆粒小的黏性土壤；灌砂法不但適用于黏性土壤，還適用于含礫類、碎石類的土壤；而核子密度儀檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果受級(jí)配、粒度、均勻性等因素的影響很小，因此該檢測(cè)技術(shù)可以適用于多類土壤，但不適合高含水率的土壤。

第四，壓實(shí)度影響因素的相關(guān)性。環(huán)刀法、灌砂法都對(duì)含水率指標(biāo)十分敏感，在因水分含量問(wèn)題而導(dǎo)致的土壤壓實(shí)度不足的檢測(cè)方面比較精準(zhǔn)；核子密度儀是利用反射元素來(lái)測(cè)量材料的密度，所以對(duì)壓實(shí)功、粒徑級(jí)配造成的壓實(shí)度不足的檢測(cè)更為準(zhǔn)確。

4 提升路基壓實(shí)度試驗(yàn)檢測(cè)質(zhì)量的建議

4.1 嚴(yán)謹(jǐn)路基壓實(shí)度的各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集

路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)中的數(shù)據(jù)采集和分析是非常關(guān)鍵的步驟。

第一，在進(jìn)行路基壓實(shí)度數(shù)據(jù)采集之前，檢測(cè)人員必須按照規(guī)范要求認(rèn)真填寫資料，掌握具體的路基情況，并綜合分析采集到的各類數(shù)據(jù)，合理優(yōu)化路基壓實(shí)度檢測(cè)的具體工作方案。

第二，在壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)人員要不斷優(yōu)化方法并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以提升自己的工作水平。例如，對(duì)路基壓實(shí)度測(cè)試數(shù)據(jù)采集方法、軟件操作要求、各類信息技術(shù)等要點(diǎn)進(jìn)行歸納。

第三，根據(jù)采集數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估，以綜合評(píng)定所采用的壓實(shí)檢測(cè)手段的可行性。

4.2 規(guī)范路基壓實(shí)度檢測(cè)操作

路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)對(duì)檢測(cè)規(guī)程、人員的操作能力都有很高的要求。

第一，檢測(cè)人員既要掌握特殊路基段壓實(shí)度的設(shè)計(jì)指標(biāo)，檢測(cè)過(guò)程要嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行，以保證檢測(cè)工作順利開(kāi)展，并能準(zhǔn)確地反映出路基的壓實(shí)度情況。

第二，在公路工程路基的壓實(shí)度檢測(cè)環(huán)節(jié)，檢測(cè)人員應(yīng)依據(jù)工況采用最適宜的檢測(cè)方法，同時(shí)要在檢測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤、監(jiān)督，確保檢測(cè)工作達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)[5]。

第三，路基填筑常采用分層壓實(shí)方案。檢測(cè)壓實(shí)質(zhì)量之前，必須先確定試驗(yàn)層的厚度。試驗(yàn)坑開(kāi)挖必須沿著整平的基面垂直向下，以確保取樣土體側(cè)壁平直，以免測(cè)量密度的檢測(cè)數(shù)據(jù)偏大或偏小。

第四，要嚴(yán)格控制試坑開(kāi)挖深度，不能過(guò)淺或過(guò)深。若開(kāi)挖深度過(guò)淺，會(huì)影響試樣密度的真實(shí)性；如果開(kāi)挖深度太深，則會(huì)造成測(cè)試層以下的土料混入其中，導(dǎo)致檢測(cè)的數(shù)據(jù)不是測(cè)試層土體的密度。

4.3 保證路基標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)的精準(zhǔn)度

為了確保路基的壓實(shí)質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài)，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，做好規(guī)范的擊實(shí)控制，以確定路基的最佳含水率和最大干密度[6]。

第一，使用標(biāo)準(zhǔn)化的擊實(shí)裝置。若擊實(shí)裝置不符合標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響對(duì)路基最佳含水率和最大干密度的確定。

第二，需在待檢場(chǎng)區(qū)選擇代表性的土壤試樣。為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要在待檢場(chǎng)區(qū)選擇代表性的土壤試樣進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，若試樣出現(xiàn)變化，應(yīng)再次進(jìn)行采樣，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

第三，根據(jù)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，獲得最大干密度值，將之作為準(zhǔn)確計(jì)算路基壓實(shí)度的基準(zhǔn)值。經(jīng)路基壓實(shí)度檢測(cè)，并完成相應(yīng)的評(píng)估后，可以掌握路基的壓實(shí)情況，進(jìn)而決定是否要繼續(xù)優(yōu)化路基施工操作方案。

第四，應(yīng)嚴(yán)格按質(zhì)量指標(biāo)要求，控制路基壓實(shí)度，例如高速公路、一級(jí)公路路基的壓實(shí)度，輕、中及重交通荷載等級(jí)路床0～80cm 區(qū)間的壓實(shí)度，應(yīng)達(dá)到96%以上；上路堤80～150cm 填筑區(qū)間的壓實(shí)度，應(yīng)達(dá)到94%以上；低于150cm 以下路堤填筑區(qū)間的壓實(shí)度，應(yīng)達(dá)到93%以上。

4.4 確保施工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)之前，要編制構(gòu)建路基情況調(diào)查表，為采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供多角度參考。施工過(guò)程中要做好壓實(shí)度檢測(cè)工作，以完成路基壓實(shí)情況的檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)定。

根據(jù)公路路基的實(shí)際情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)壓實(shí)度資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以驗(yàn)證檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，路基壓實(shí)度檢測(cè)是控制公路工程整體施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，因而需要合理開(kāi)展路基壓實(shí)度檢測(cè)工作，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，以免質(zhì)量失控，引發(fā)病害。由于不同的壓實(shí)度檢測(cè)方法的原理不同，適用情況也不同，因此必須分析影響路基填筑土體壓實(shí)的各類因素，采取最適宜的檢測(cè)手段，消除測(cè)量過(guò)程中的不良效應(yīng)，從而保證壓實(shí)度檢測(cè)值的真實(shí)性。