土石混合填料壓實質量檢測方法探討

羅雪貴，武富強，崔 科

（河南省航空物探遙感中心，鄭州 450053）

1 傳統檢測方法

傳統檢測方法首先要獲得最優含水量對應的最大干密度，由于超徑顆粒的存在，室內馬歇爾擊實儀不滿足試驗要求。目前，工程界主要用自行研制的大型擊實儀、表面振動儀。表面振動儀由于工作機理僅適用于無黏性粗粒土。各行業都相繼提出了針對土石混合填料的大型擊實儀尺寸，《鐵路工程土工試驗規程》（TB10102-2010）、《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）提出直徑為10 cm 和15.2 cm 兩種型號的擊實儀，《水電水利工程粗粒土試驗規程》（DLT5356-2006）提出了直徑為30 cm 的擊實儀[1]。按照可試驗填料最大粒徑dmax=D/5 的基本原則，可試驗填料的最大粒徑為60 mm。但是，目前大范圍填方工程的填料最大粒徑都超過60 mm，較難獲取真實的最大干密度。規范建議，對于特大的超徑顆粒，采用剔除法、等量代換法和相似級配法來近似得到最大干密度值，但這三種方法都改變了原有填料的顆粒級配，得到的最大干密度值偏小，使檢測評定結果不合理。

傳統檢測方法第二步是測取現場填料的濕密度和含水量，計算得到干密度，目前主要用灌沙法、灌水法和氣囊法測取濕密度。灌水法僅適用于填料表面水平的情況，而灌沙法和氣囊法還可適用于表面傾斜的條件，三種方法均屬有損檢測，要求在現場掏挖試坑，由于混合填料中粒徑大小不一，所要求掏挖的試坑尺寸應由填料中的最大顆粒徑控制。現場試坑的直徑是填料最大粒徑的4 ～5 倍，深度是填料最大粒徑的5 ～6 倍，開挖量較大，較費時費力。

采用掏挖出的試樣、選取有代表性的填料進行含水量測定，主要采用烘干法、酒精燃燒法兩種方法。對于細料填料來說，同一試坑內土樣含水量相對均勻，但是土石混合料中由于石塊的存在，選取的試樣代表性較差，應多選代表樣測取其平均值。

傳統檢測方法在土石混合填料質量控制方面有以下優點：原理簡單明了，以最優含水量對應的最大干密度作為基準進行比較；技術成熟；認可度高。不足之處：最大干密度不易獲取；檢測時有“一坑之見”的缺陷，為了提高檢測的可信度，需要加大檢測比例；現場掏挖量大，費時費力。

2 間接參數方法

傳統檢測方法在實施時檢測速度慢，難以大面積應用于土石混填地基壓實檢測，有些學者期望采用其他參數，而非干密度來評價土石混填地基的壓實度。

2.1 空隙率

有學者們認為，壓實后的填料一般由固態顆粒、水和空間三相組成，當干密度一定時，含水量大，氣體所占體積小，反之氣體所占體積大。采用干密度得出的壓實度來評價質量，當含水量小于最優含水量時，所得空隙率偏大，結果不安全，而當含水量大于最優含水量時，評價結果才是正確的。

土石混合填料的空隙率計算公式為：

式中，ρd為土石混合料的干密度；γw為水的容重；ω為土石混合料的含水量；Gs和Gg分別為細集料和粗集料的視比重；P為粗集料的百分含量。

現場空隙率作為現場壓實控制的指標，比用壓實度控制更嚴格，當現場含水量小于最優含水量時，采用壓實度檢測是合格的，而采用空隙率控制則不合格。這就是土石混合料填筑的過程中填料易偏濕不易偏干的主要原因之一。空隙率作為現場壓實控制的指標，從根本上控制土石混填料中的空氣體積比重，當混合料中含水量過高時，式（1）中得到的空隙率很小，實際上孔隙中大部分充填水分，基本飽和。這種情況下形成所謂的“像皮土”，力學和變形參數都不滿足工程要求。

2.2 固體體積率

考慮到土石混合填料在填筑工程的不同部位存在極端非均勻性，采用壓實度指標則要求提出不同的最大干密度與之對應，這對于大面積填方工程是很難實現的。有學者有針對性地使用固體體積率解決了這一困難。固體體積率在計算時需要將粗細顆粒分開，其分界閥值為5 mm。粗顆粒的體積為：

式中，VG為粗集料似體積（包含實體體積和閉口孔隙的體積），m3；mG為粗集料的濕質量，kg/m3；ωG粗集料的含水量；m'G為粗集料的浮質量，kg；ρw為水的密度，kg/m3。

細料的體積為：

式中，ms為細集料的濕質量，kg/m3；ωs為集料的含水量；ρd,max為細集料的最大干密度，kg/m3。

固體體積率為：

式中，K為固體體積率；V為掏挖的試坑體積，m3。

從上述計算公式中可見，計算固體體積率時，人們需要考慮混合料質量、試坑體積、粗細料質量和含水量、粗集料浮質量、細料擊實干密度等參數。

固體體積率實質上將固體物質分為粗集料和細集料兩部分，在計算體積時分別賦予了其最佳壓實狀態。粗集料最佳壓實狀態為體積壓縮至實體體積和閉口裂隙體之和，細料最佳壓實狀態為壓縮到室內擊實時最優含水量對應的最佳擊實狀態。

固體體積率從填料成分出發，現場可動態地調整參考標準，解決采用壓實度指標無法規避的最大干密度取值問題。在現場操作比壓實度檢測多了粗細料篩分試驗（僅用5 mm 篩）、粗集料浮質量兩項，試驗花費的時間略多一點，但是精度和現場可操作性大大優于壓實度指標。

2.3 表面沉降差

無論采用強夯還是分層碾壓，壓實最終目的都是使填筑體有足夠的強度和穩定性，只要填筑體實體強度達到一定標準，它在承受一標準荷重時的變形量和殘余變形量將小于某值，沉降差檢測正是基于這樣的理論。目前大量運用到公路工程的彎沉法檢測正是沉降差檢測的進一步延伸。

表面沉降差與干密度的推導思路為，在土石混合料攤鋪后壓實前的初始濕密度為：

式中，W為土石混合料的質量，kg，A0為攤鋪后的平面面積，m2；t0為初始厚度，m。

經過n遍壓實后，假設厚度變為tn，濕密度變為：

在碾壓過程中，土石混合料的質量和平面面積基本沒有變化，壓縮主要是豎向，即沉降。計n遍后的沉降為Sn，濕密度可表示為：

通過式（7），濕密度就轉化為沉降值，壓實度控制也就轉化為沉降差控制。

但是，沉降差檢測方法從頭至尾都未涉及含水量問題，若土石混合料中細料成分為黏性土，在含水量較高的情況下，碾壓作用下極易出現“橡皮土”的現象，前后兩次的沉降值相差很小，但壓實狀況不合格。所以，要想采用沉降差檢測方法，必須限定填料含水量的合理范圍。

2.4 工藝參數法

依據工程經驗，在施工前進行現場碾壓試驗，確定現場碾壓的幾個控制參數：攤鋪厚度、碾壓速度、碾壓遍數、灑水量。目前，公路在填石路堤上大量推廣工藝參數法。這種方法必須保證填料的巖性、級配、含水量變化不大。它本質是一種施工質量控制手段，不能稱為一種質量檢測方法，因為根本沒有檢測的工藝，直接采用“一刀切”的方法判定施工合格與否。

3 物探檢測方法

3.1 γ 射線法

在傳播的過程中，因填料對γ 射線產生吸收作用，γ 射線發生能量衰減，同時衰減后的射線又成一定角度散射出去。在密度小的填料中，散射作用占優勢，在密度大的填料中，以光電吸收為主，測試儀器探頭的計數率隨密度的增加而減少。

目前大量運用于填方工程的γ 射線儀器為核子密度/濕度儀，與灌沙法、灌水法等方法相比有以下優勢：無損檢測，只需鉆一個直徑為20 mm 的檢測孔；檢測速度快，一次檢測的全部過程耗時不到5 min；可重復性高，人為干擾少；實時反饋，2 min 左右即可出檢測結論。

但是，筆者通過大量的現場核子密度儀檢測發現，將核子密度儀運用于土石混合填料壓實質量檢測有以下難以克服的問題。

一是平行誤差較大，《鐵路工程土工試驗規程》（TB10102-2010）規定，在同一測點，記錄初始讀數后，將儀器繞測孔旋轉180°后記錄第二次讀數，兩次讀數中含水量平行誤差超過2%，要以90°旋轉記讀4次讀數取平均值。筆者在現場做了大量試驗發現，即使測取4 次，平行誤差還是不可忽視。二是人體傷害性，γ 射線對人體具輻射，長期使用，會對人體產生傷害。三是無法精確選取最大干密度作為參照，由于無損檢測，無法獲取測點的含石量，難以確定采用何種含石量對應的最大干密度與之對應，此種情況下，即使現場干密度測試精確，由于最大干密度是一個模糊值，得到的壓實度指標爭議也較大。四是測試孔無法成形，在測取前，采用直徑為20 mm 的小釬桿成孔，但是由于土石混合填料中存在大量塊石，小釬桿在敲入過程極易遇到塊石，無法擊入，特別在硬質巖土石混合填料中。

3.2 瑞利面波法

瑞利波探測主要是利用瑞利波的兩種特性，一是瑞利波在分層介質中傳播時的頻散性；二是瑞利波傳播速度與介質的物理力學特性高度關聯性。

在非均質彈性介質中，不同頻率的振動按不同的速度傳播，當瑞利波在傳播過程中，遇到空洞、松散破碎帶界面以及波阻抗界面時，其頻散曲線將會產生畸變，檢波器會檢測到不同的波速。

具體施工前，需要通過現場碾壓試驗建立起波速與壓實度之間的關系模型。施工時直接采用波速評價壓實度，速度較快，可在填筑體表面隨機選點進行檢測，可重復性高。無需掏挖或打測試孔，真正做到無損檢測。

但是，瑞利面波用于土石混合填料有如下不足：檢測得到的結果是一個波速，無法揭示含水量的影響，壓實不到位有可能是含水量不合理和壓實遍數不足兩方面原因造成的；精度主要受控于前期碾壓試驗建立的關系模型、后期施工的土料和石料成分，含石量、級配、含水量等必須和現場碾壓試驗的對應值差別不大，才能保證測試精度。

3.3 附加質量法

附加質量法采用由附加質量-承壓板-地基地組成的振動體系，用重錘擊振體系使其振動，借助儀器測出體相應的自振頻率f，測出地基動剛度D，D=1/(2πf)2，采用不同的附加質量Δm，得到D-Δm曲線，曲線與m坐標軸交點與坐標原點的距離為參振質量m。在測點處布置檢波點，接收錘擊所激發的彈性波，測得直達波段曲線反斜率Vp，代入λ=Vp/f，得介質由地面向深部傳播的縱波波長λ。然后，測點現場采用傳統方法測得密度值ρ，將m、ρ、λ代入式（8）：

式中，A為承壓板面積，標定得率定系數K。

率定至少10 次，可通過線性回歸得可信度較高的K值，后期施工隨機選點，測點的自振頻率f，縱波波速Vp，代入式（8）即可得測點處的濕密度。

本方法優點和瑞利面波法基本一樣，同時也存在以下缺陷：前期率定工作量大，至少要10 次率定；測試結果最終還是換算回濕密度，但是附加質量法無法獲取含水量，需要采用烘干法或酒精燃燒法進行含水量測試，才能計算干密度；即使得出干密度，為了結果評價的客觀性，還得附加篩分試驗，才能準確得到與含石量相對應的最大干密度。