灌砂法路基壓實(shí)度快速成孔檢測(cè)技術(shù)研究

胡桂海

廣州市恒盛建設(shè)集團(tuán)有限公司 廣東 廣州 510000

1 前言

壓實(shí)度檢測(cè)是控制市政、公路路基壓實(shí)質(zhì)量的通用手段。而灌砂法壓實(shí)度檢測(cè)是目前市政道路工程路基路面壓實(shí)度檢測(cè)的主要方法之一，其使用最為廣泛。基于對(duì)壓實(shí)度質(zhì)量的嚴(yán)格控制和減少后期沉降，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)壓實(shí)度檢測(cè)的頻次要求較高，工程實(shí)踐中壓實(shí)度檢測(cè)往往是試驗(yàn)檢測(cè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度很大的一個(gè)項(xiàng)目。路基、路面施工的高峰季節(jié)往往需要大批的試驗(yàn)人員駐現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)人工挖孔、灌砂、稱量、測(cè)定含水率的工作繁瑣而費(fèi)時(shí)，往往兩人配合完成一個(gè)孔的全部檢測(cè)最后得到測(cè)點(diǎn)的壓實(shí)度需要最少1個(gè)多小時(shí)的時(shí)間，效率很低，同時(shí)檢測(cè)結(jié)果真實(shí)性與檢測(cè)人員的技術(shù)水平與責(zé)任性有很大關(guān)系，在檢測(cè)人員數(shù)量不足的的情況下，為滿足檢測(cè)頻次要求，檢測(cè)數(shù)據(jù)作假的現(xiàn)象經(jīng)常性出現(xiàn)。這為真實(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量增加了很大的難度，一些壓實(shí)度不合格的路段可能進(jìn)入下一道工序，在后續(xù)的施工過程或運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)質(zhì)量問題被發(fā)現(xiàn)，此時(shí)采取補(bǔ)救措施成本很高，而且會(huì)造成很大的社會(huì)不良影響[1-2]。

市政道路路基灌砂法壓實(shí)度檢測(cè)首選需要在檢測(cè)路基上人工鑿除一個(gè)直徑15cm、深度15cm的試驗(yàn)孔并收集里面的土樣進(jìn)行稱重，再以標(biāo)準(zhǔn)砂填充檢測(cè)孔用以換算試驗(yàn)孔的體積，通過稱量得到試驗(yàn)孔土樣的重量與換算的體積計(jì)算得到土樣的濕密度，在檢測(cè)得到含水率即可計(jì)算得到該檢測(cè)點(diǎn)的壓實(shí)度[3-4]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況反饋，在灌砂法壓實(shí)度檢測(cè)過程中最耗費(fèi)人力的步驟是人工挖孔的步驟，兩個(gè)檢測(cè)人員配合完成一個(gè)檢測(cè)孔鉆孔取土的時(shí)間不少于10min，這導(dǎo)致用灌砂法檢測(cè)的效率很低，在填土壓實(shí)的高峰季節(jié)為滿足壓實(shí)度的檢測(cè)往往需要配置大量的試驗(yàn)人員完成此行工作，檢測(cè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此設(shè)計(jì)一種機(jī)械自動(dòng)式快速鉆孔取土機(jī)，用于替代灌砂法壓實(shí)度人工成孔檢測(cè)具有很大實(shí)用價(jià)值。

2 旋切式取孔機(jī)技術(shù)原理與工藝流程

2.1 技術(shù)原理

旋切式鉆孔機(jī)為灌砂法壓實(shí)度檢測(cè)鉆孔取土機(jī)（結(jié)構(gòu)如下圖1所示、實(shí)物如下圖2所示），其包含外壁光滑的圓柱形左立桿1余右立桿2，在左立桿余右立桿上裝有固定限位裝置4、頂端裝有橫桿18，在左立桿與右立桿后裝有斜桿3，在左立桿、右立桿、斜桿下裝有底架21，底架上裝置前輪16與后輪17，在固定限位裝置上方裝有移動(dòng)限位裝置5，移動(dòng)限位裝置的左側(cè)裝有汽油發(fā)電機(jī)6，發(fā)電機(jī)底部裝有轉(zhuǎn)子7，在移動(dòng)限位裝置的右側(cè)裝有軸承件10，軸承件的下方裝有轉(zhuǎn)動(dòng)輪9，轉(zhuǎn)動(dòng)輪與轉(zhuǎn)子通過皮帶8連接，在轉(zhuǎn)動(dòng)輪的下方裝有鉆桿12，鉆桿上焊接有螺旋刀片13，鉆桿通過固定限位裝置上的限位預(yù)留孔11上下升降。在移動(dòng)限位裝置上安裝有升降桿20，升降桿上裝有手動(dòng)輪盤19，通過手動(dòng)輪盤可以操作移動(dòng)限位裝置及其附著在其上的各個(gè)部件同時(shí)升降。在鉆桿的下方為檢測(cè)孔15，在檢測(cè)孔上方設(shè)置有可移動(dòng)的土樣收集盒14，土樣收集盒在鉆孔位置預(yù)留出鉆桿升降的位置。在鉆桿的頂端焊有專用硬質(zhì)合金刀片。

圖1 旋切式取孔機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 旋切式取孔機(jī)現(xiàn)場(chǎng)使用圖

圖3 旋切式取孔機(jī)工藝流程

圖4 自動(dòng)成孔（旋切式）與人工成孔的濕密度比較

2.2 旋切式取孔機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)勢(shì)

（1）硬質(zhì)合金刀頭。旋切式取孔機(jī)的關(guān)鍵部位為硬件合金刀頭，刀頭材質(zhì)為含鎢合成高速鋼，具備高硬度與耐磨性兩大特征；刀頭扁平，橫向長(zhǎng)度為148mm，略小于設(shè)計(jì)成孔尺寸的150mm，試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)石子直徑小于20mm可通過切削方式打碎（檢測(cè)孔含有尺寸超過20mm的石子時(shí)更換試驗(yàn)孔），試驗(yàn)測(cè)試刀片使用次數(shù)在2000次以上。

（2）螺旋刀片。螺旋刀片的設(shè)計(jì)主要作用為兩方面，一方面通過旋切的方式實(shí)現(xiàn)鉆孔的同時(shí)將土樣通過螺旋刀片自下而上輸送至地面取土盒內(nèi)，同時(shí)完成鉆孔與取土兩個(gè)步驟；二是修整檢測(cè)孔的孔壁，使得最終的檢測(cè)孔尺寸為標(biāo)準(zhǔn)的150mm直徑、150mm高度。

（3）檢測(cè)效率提升：旋切式取孔機(jī)平均成孔效率為60s，并設(shè)計(jì)了150mm的限位裝置，達(dá)到取孔深度后立即限位。相比人工挖孔檢測(cè)平均每個(gè)檢測(cè)孔鉆孔取土至少10min相比，極大提高檢測(cè)效率，減低勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)極大的人工節(jié)省。

2.3 旋切式取孔機(jī)工藝流程

（1）確定檢測(cè)點(diǎn)

路基填土壓實(shí)完成以后，通過隨機(jī)取樣的方式確定好檢測(cè)位置（里程樁號(hào)、離中樁的距離等），核實(shí)檢測(cè)位置平整度是否達(dá)到要求，旋切式取孔機(jī)移動(dòng)到指定位置并固定好。

（2）鉆孔準(zhǔn)備

在鉆桿及螺旋單片、刀頭位置均勻涂抹凡士林，以免土樣切割后粘連在刀片等工具上；開啟發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過皮帶帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)鉆孔、螺旋單片、刀頭開始旋轉(zhuǎn)（三者為剛性焊接）。

（3）鉆孔取土

手動(dòng)操作手動(dòng)輪盤緩慢向下轉(zhuǎn)動(dòng)，移動(dòng)限位裝置及其附著的發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)子、皮帶、轉(zhuǎn)動(dòng)輪、軸承盒、鉆桿及螺旋單片、刀頭均向下移動(dòng)；鉆桿及刀片通過固定限位裝置上的預(yù)留孔、土樣收集盒的預(yù)留孔位置達(dá)到地面處；刀頭在檢測(cè)孔頂面切割土體，并由螺旋單片將土體自下而上傳輸甩出到土樣收集盒內(nèi)完成鉆孔取土的過程；手動(dòng)控制手動(dòng)輪盤移動(dòng)到限位裝置底面通過立桿向下滑動(dòng)到固定限位裝置的頂面上時(shí)鉆孔深度達(dá)到檢測(cè)要求的150mm即可停止下鉆，此時(shí)仍保持開機(jī)狀態(tài)。

（4）完成檢測(cè)成孔

控制手動(dòng)輪盤向上轉(zhuǎn)動(dòng)提升移動(dòng)限位裝置，附著在移動(dòng)限位裝置的發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)子、皮帶、轉(zhuǎn)動(dòng)輪、軸承盒、鉆桿及螺旋單片向上移動(dòng)；鉆孔底面高于土體收集盒頂面后，關(guān)閉發(fā)電機(jī)，并停止向上提升；毛刷清理粘貼在鉆桿及螺旋單片上的土樣，移開土樣收集盒，手動(dòng)收集殘留在檢測(cè)孔內(nèi)的少量土樣倒入土樣收集盒內(nèi)；對(duì)土樣收集盒內(nèi)土樣進(jìn)行稱重，得到該檢測(cè)孔濕土重量值。

3 旋切式取孔機(jī)與人工挖孔比對(duì)試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在某一路段（200m以內(nèi)）填土厚度、土質(zhì)、碾壓時(shí)間、碾壓遍數(shù)均相同的條件下隨機(jī)選擇10個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，分別用人工挖與旋切機(jī)取孔兩種方式進(jìn)行挖孔，而后采用人工灌砂的方式進(jìn)行濕密度的檢測(cè)，主要比較旋切式取孔機(jī)與人工挖孔取土兩者對(duì)灌砂法壓實(shí)度濕密度檢測(cè)結(jié)果的影響（挖孔方式直接影響濕密度從而影響壓實(shí)度，而與土樣含水率并無直接影響）[5]。

3.2 對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 人工挖孔灌砂法濕密度檢測(cè)數(shù)據(jù)

表2 機(jī)械自動(dòng)成孔濕密度檢測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)上表與上圖的數(shù)據(jù)分析得到，采用人工取土與旋切式機(jī)器取土兩者在同一檢測(cè)位置得到的濕密度存在差別，最大誤差為0.04g/cm3，超過規(guī)定要求的平行檢測(cè)差值不得大于0.03g/cm3的要求，但僅為極個(gè)別數(shù)據(jù)，大部分?jǐn)?shù)據(jù)均在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，兩者濕密度檢測(cè)數(shù)據(jù)存在差別的主要原因分析有：人工挖孔孔經(jīng)往往越往下越少，實(shí)際到了測(cè)試孔的底部孔徑?jīng)]有15cm（現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員按照以往的經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，為保證人工檢測(cè)壓實(shí)度的真實(shí)情況，未對(duì)此進(jìn)行干入），因此人工挖孔取出的土體重量明顯小于機(jī)器挖孔取土的重量。這也是檢測(cè)濕密度時(shí)存在的差異所在，但以旋切式方法來替代人工挖孔在精確度上（平行檢測(cè)小于0.03g/cm3）保證率在90%以上。

為進(jìn)一步驗(yàn)證旋切式取孔的準(zhǔn)確性，為此擴(kuò)大了檢測(cè)樣本數(shù)量，再次進(jìn)行了50個(gè)點(diǎn)位的檢測(cè)，此次檢測(cè)只針對(duì)濕密度進(jìn)行，灌砂方式全部采用人工進(jìn)行。經(jīng)統(tǒng)計(jì)50組數(shù)據(jù)僅有2組的差值超過0.04g/cm3，其余各組的差值均在0.03g/cm3之內(nèi)，滿足規(guī)范要求，說明在樣本容量擴(kuò)大后旋切式取孔方式的準(zhǔn)確性更為溫定，說明機(jī)械穩(wěn)定性的穩(wěn)定性高，重復(fù)性精度高。

4 結(jié)論

本文研究了一種灌砂法路基壓實(shí)度快速成孔檢測(cè)的自動(dòng)化裝置，具有60s快速完成檢測(cè)成孔且自動(dòng)完成土樣收集的功能，較之人工挖孔檢測(cè)效率可提高10倍左右，而且勞動(dòng)強(qiáng)度得到了很大程度的降低。

為驗(yàn)證旋切式取孔機(jī)的適用性，現(xiàn)場(chǎng)與傳統(tǒng)的人工挖土檢測(cè)方式進(jìn)行了準(zhǔn)確度比對(duì)試驗(yàn)。通過對(duì)60組對(duì)比試驗(yàn)得到的濕密度數(shù)據(jù)比較分析表明：兩種不同的成孔方式平行檢測(cè)試驗(yàn)得到的濕密度差別超過0.03g/cm3的情況約小于5%（60組中僅為2例），說明采用旋切式取孔方式代替人工挖孔的方式是完全可行的，準(zhǔn)確度的保證率在95%以上。