納米比亞某沙漠公路路基壓實度檢測技術的探討

李洪周,黃成友,王 宣

(1.中國十九冶集團有限公司 ，四川成都610031;2.中冶交通工程技術有限公司，北京100028)

1 工程概況及特點

1.1 工程概況

MR125公路為納米比亞公路局投資升級瀝青道路，總長208 km,分兩期組織實施。一期長115.2 km，有179座涵洞，自KONGOLA至LINANTI；二期長92.8 km，有82座涵洞，自LINANTI至KATIMA,連接B8公路。公路位于南非高原西部納米比亞境內，北至贊比亞，處于熱帶旱季地區，早晚溫差較大。填筑料土質類型：低塑性或無塑性的砂類土。以填筑路基為主，少量需挖方。填筑料來源于周邊50多處取土場，需采用推土機及挖掘機剝離后挖運至路基進行填筑。主要檢測試驗有土工試驗、混凝土抗壓試驗、集料試驗等。

1.2 工程特點

(1)MR125公路工程路線長、工期短，地方道路法對填筑壓實度要求較高，路基填筑質量嚴格執行南非COLTO標準。MR125公路工程路基填筑要求詳見表1。

表1 物料及壓實度要求

(2)本工程填筑料土質類型屬于低塑性或無塑性的砂類土。主要土工試驗分室外和室內，室外：現場密度及濕度檢測，動態圓錐貫入檢測；室內：土類篩分及液塑性指數、線性收縮，取土坑及填筑段的填料做擊實試驗確定最大干密度及最佳含水率，CBR值確定土的性質。

(3)根據納米比亞MR125公路施工法：本項目填方路基現場壓實度檢測采用核子密度儀，因此及時掌控路基填筑料的壓實情況有利于提高施工進度。試驗規程遵從《南非試驗規程》及南非COLTO標準。

2 最大密度干密度及最佳含水量的確定

在壓實過程中,土顆粒間的引力和斥力的相對大小決定了壓實土的結構。當土樣的含水量較小時,土粒間引力較大,在一定的外部壓實功能作用下,還不能有效地克服引力而使土顆粒相對移動,這時壓實效果較差;增大含水量后,結合水膜逐漸增厚,引力減小,土顆粒在相同功能條件下易于移動而擠密,所以壓實效果較好;當含水量增大到一定程度后,孔隙中已出現了自由水,結合水膜的擴大作用不再顯著,因而引力的減少也不是十分顯著,同時自由水填充在孔隙中阻止土顆粒移動的作用卻隨著含水量的增加而漸漸顯著起來,所以此時壓實效果反而下降。所以,通過檢測土壤的干密度能有效評判路基壓實度的質量。

2.1 標準密度(最大干密度)和最佳含水量的確定方法

由于筑路材料結構層次等因素的不同,確定室內標準密度的方法也多樣化,有些方法需在實踐中進一步完善。最大干密度是指通過標準擊實試驗，利用雙曲線圖確定最大干密度值,該值對應的含水量即為最佳含水量。

2.1.1 標準定義

(1)最大密度：特定壓實作用力下，材料的最大密度是在不同含水量水平下進行壓實后取得的最高密度。

(2)最佳含水量：特定壓實作用力下，材料的最佳含水量系指獲得最大密度條件下的含水量。

2.1.2 試驗主要儀器

(1)一個直徑為152.4±0.5 mm的模子，152.4±1 mm高，配有可拆卸軸環、底板及一塊25.4±1 mm厚的隔板。按規定，將隔板放入模具后，模子的有效深度應為127±1 mm。隔板應牢牢固定在底板上。壓實底板應用螺栓固定在一塊至少150 mm厚、200 kg重的混凝土砌塊上。

(2)一只4.536 kg±20 g搗錘，表面直徑為50.8±1.0 mm，帶一個護套，下落距離為457.2±2 mm。

(3)鋼尺一把(約300 mm長),沉砂槽一個, 稱重15 kg的天平一臺,稱重2 kg的天平一臺，精確至0.1 g。

(4)一個鋼制搗固機或一個小型試驗室粉碎機。篩網：19.0 mm及4.75 mm，符合SABS197的規定。

(5)鐵研缽及研杵一套，橡膠嘴杵一只，抹刀一把。

(6)1 000 g材料以測定含水量的適宜容器。

(7)恒溫控制的干燥爐一臺，能將溫度保持在105～110℃。

(8)量筒，容量分別為1 000 ml和500 ml，噴水器或灑水器一個，周長150 mm的濾紙。

(9)一部樣品擠壓機，適用于將壓實試樣從模具內壓出的千斤頂、杠桿、框架或其他裝置(可選擇)。

2.1.3 試驗步驟

(1) 樣品制備:足量風干樣本用一個19.0 mm的篩子篩分。留在19.0 mm篩上的集料用一個鋼制搗固機(或試驗室粉碎機)輕輕碾碎以通過一個19.0 mm的篩子后再加進已過篩的部分。應注意不要將集料過度粉碎。如果材料含有土壤集料，則集料應采用一套研缽和研杵盡可能的碾細。

(2)四分法:每一份再分成四份，以獲得五盆完全相似的材料。最好是用一個沉砂槽將樣本分成16等份，用其中三份(即樣本的3/16)來確定濕度—密度關系曲線上的一點。多余的一份可以丟棄。五個盆子中的材料質量都應在6～7 kg之間，質量較大的應用于相對密度較高的材料。為了方便起見，五個盆子中的質量應相等。

(3)攪拌(均勻配制):測量每個盆子中的樣本，精確度達到5 g，然后轉移到混合盆中。噴水器或灑水器中加入一定體積的水，然后緩慢加入盆中的材料中。加水時，應用鏟子不斷攪拌材料，加水直至操作員認為達到最佳含水量，應持續攪拌濕料長達幾分鐘。測量噴水器或灑水器中剩余的水量以求得實際添加的水量，此數量然后表達為風干材料的一個百分比。現在濕料應覆蓋有防止蒸發的潮濕包層，并靜置半個小時，使水分均勻分布。靜止半個小時，可在水攪拌進后立即開始壓實。

(4)擊實試驗:現在再次攪拌濕料，稱出約1 000 g材料并轉移到模具里。通過壓實和輕微夯實，將土壤表層手工平整，并使用一個4.536 kg重的搗錘從457.2 mm處下落夯砸55次。夯砸應均勻分布在整個層面，分五輪，每輪11次。每一輪夯砸中，八次砸在圓周外側，三次砸在中心周圍。提升起搗錘后，操作員應確保導鞘位于土壤上，而搗錘落下前位于鞘的正上方。搗錘的下落應無任何外力作用。操作人員還應注意搗錘的夯砸面保持清潔，且材料不會結成塊粘在夯砸面上。夯砸過第一層后，測量模具頂部下的夯砸材料表層深度，不含軸環，該深度應在96 mm～99 mm之間。如果深度不正確，下一層稱出的濕料的質量應適當增加或減少。應按照完全相同的方式再夯砸四層材料，每層厚度應稍微超出25 mm，但不得超過30 mm。模具頂部到壓實層表面的深度最好應在下列范圍之間：第一層：96～99 mm；第二層：68～71 mm；第三層：43～46 mm；第四層：15～20 mm。

壓實第五層后，材料表面應高于模具頂部以上5～15 mm，不含軸環，人工再用抹刀抹平。

(5)烘干法確定含水量:壓實第二層后，從盆子的材料中取出一份具有代表性的樣本，置于一個合適的容器內以測定其含水量。樣品應在500～1 000 g之間。材料越粗糙，樣品越大。濕樣本應立刻稱重，精確度達0.1 g，然后在105～110℃的干燥箱中烘干至恒定質量。測定的含水量精確到0.1 %。結果記錄在表格A7/1上或類似表格中。

(6)確定濕度—密度關系曲線的其他點:上文說明的是對濕度—密度關系曲線上一點的確定，但仍需獲得其他幾點。因此，需對其它四個盆子中制備好的材料(不同含水量)實施上述操作。第二次壓實后，用一個假設含水量來計算兩次壓實的近似干密度，該假設含水量是所加水分的百分比加上風干樣本的估計含水量。按假設含水量繪制近似干燥密度，則兩點的相對位置將表明第三點應添加的水量。標出第三點后，曲線形狀將表明剩余點的最佳含水量。如果可能，則應在濕度—密度曲線任何一側的峰值處至少求得含水量相差1%的兩點，而最后一點應盡可能靠近峰值，除非之前已在該點附近求得一點。

2.1.4 計算

(1)計算公式。

式中:d為以干土百分比表示的含水量；a為容器及濕材料的質量；b為容器及干材料的質量；c為容器本身的質量。

(2)按如下公式計算每一點的干密度，精確度達 1 kg/ m3。

式中:D為干密度(kg/m3)；W為濕材料質量(g)；V為模具體積(ml)。

模具體積(V)是常量，上述公式可簡化為下列公式：

式中:F(模具因子)=(100/V)×1 000。

2.1.5 濕度—密度關系

完成計算后，根據各干密度將含水量繪制成圖，曲線峰值表明材料在此壓實作用力下的最佳含水量和最大干密度(圖1)。

圖1 濕度—密度曲線

2.1.6 修正系數

(1)為了測定模具的容積，模具兩端及隔板周邊都涂抹潤滑油，且模具、隔板及底板應組裝在一起。模具和隔板之間可擠出的多余潤滑脂應進行清除。為組裝好的模具和180 mm的方形玻璃板一起稱重。往模具中灌滿水，輕輕的將玻璃板滑至模具頂部。在玻璃板完全蓋住模具前，用吸液管滴入水。玻璃板完全覆蓋容器時，玻璃下方不應有氣泡。將盛水的模具和玻璃板一起稱重，計算模具中水的質量。此測定過程應進行至少兩次。測量水溫，并按照如下公式求得模具的容積(V)及因數(F)：

表2 溫度水的相對密度

(2)試驗期間，應盡最大可能維持下列變量不變：材料分級；水分的統一混合；壓實前的靜置時間；試驗期間水分蒸發量；搗錘的下落高度；搗錘的自由下落；夯實的分布；連續層的厚度；最后一層超出模具頂部5～15 mm；完成頂部表面。

(3)雖然沒有必要每次試驗都測定模具的容積和質量，但應定期對此進行檢查。

3 現場密度試驗檢測方法

現場密度檢測用核子濕度密度儀法： 核子法測定土壤和礫石內部密度與含水量的試用方法。

定義：材料內部的干密度即該材料每單位體積的干質量(kg/m3)；內部含水量(m/v)即材料每單位體積水的質量(kg/m3)；本方法中的含水量適用本定義。

主要試驗儀器：HS-5001核子密度儀。

3.1 檢測試驗前檢查(參數修正)

將設備移入現場前，在主實驗室預先選定的參考點檢查參考裝置上的設備。必須按制造商推薦的次數進行參考標準的讀數。如果超出標定范圍讀數數量超出了規定的數量，則再次進行讀數。如果超出標定范圍讀數數量仍超出了規定的數量，則應將儀器退回制造商。

參考裝置的讀數記錄應永久保存。

3.2 檢測數據校準

在現場選擇一個固定參考點，進行兩次讀數，且讀數應在制造商設定的現場標定范圍內。如果一次讀數超出范圍，則必須進行第二次讀數。如果第二次仍在范圍外，則必須選擇另一個現場參考點。應確保附近(至少10 m遠)沒有其他物體，如車輛、墻或其他核儀器等。

3.3 現場檢測

現場檢測路基的密度/含水量采用核子密度儀直接透射測量法。將鉆桿穿過底板引導物后鉆入地下，鉆入深度應比欲測量深度至少深50 mm。取出鉆桿時注意不要破壞鉆洞。

(1)將儀器置于準備好的測試點上，將直接透射探頭直接放于鉆孔上。

(2)將探頭降至孔中測量密度所需深度。

(3)為減小核源與檢測器間的氣隙，必須輕輕拉住測量器使之固定住探頭并防止探頭觸碰孔壁。

(4)然后進行一次測量，取得讀數，保持中心位置不變，旋轉180°再進行第二次測量，記錄讀數，再將儀器在原位轉90°測第三次，記錄讀數，然后將這三次讀數的平均值作為核子儀濕密度與含水量的測得值，計算干密度。

(5)在進行密度計數讀數后，為避免損壞探頭，必須先將探頭收回，再將儀器移出測試點。

(6)儀器移出測試點后，及時對該點進行含水量測定取足夠的試樣，其結果與核子儀檢測的含水量比對。

4 壓實度確定

4.1 壓實度

是指土被壓實后的干容重與土的最大干密度之比。

通過室內試驗確定填筑材料最大干密度Dmax,現場通過核子儀確定土壓實后密度D。

壓實度=D/Dmax×100 %

4.2 壓實路段數據分析

(1)k5+150-k5+525路段Fill層壓實密度檢測，壓實標準93 %(表3)。

表3 壓實密度檢測

(2)對K5+150-K5+525路段填料取樣，通過室內擊實試驗求得該段填料最大干密度1 859 kg/ m3，最佳含水量11.1 %。

(3)壓實度結果統計見表4。

表4 壓實度結果統計

(4)結論：K5+150-K5+525平均壓實度95.6 %，符合規范要求。

5 結束語

路基壓實質量是道路治理最重要的指標之一,為保證路基、路面的強度,必須對路基路面結構層進行充分壓實。對瀝青道路來說,通過對路基土、路面基層材料最大干密度、最佳含水量及瀝青混合料標準密度的測定,根據道路特點實際需要,靈活運用灌砂法、核子濕度密度儀法進行現場密度檢測,獲得準確的檢測數據,準確評價道路路基壓實度的質量,確保道路使用安全。

[1] 南非試驗規程及南非COLTO標準[S]

[2] JTG E60-2008公路路基路面現場測試規程[S]