SDG密度儀在無(wú)黏性土密實(shí)度檢測(cè)中的應(yīng)用

李 真，王正君，姜榮輝， 熊奧運(yùn)，宮 瀅，郭 琳

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

近年，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)加大了對(duì)工程建設(shè)的投入。工程填土的質(zhì)量常用壓實(shí)度指標(biāo)進(jìn)行控制，不同土質(zhì)的壓實(shí)性能差別較大。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)黏性土的壓實(shí)效果較好。相較于黏性土、粉質(zhì)土來(lái)說(shuō)，無(wú)黏性土呈密實(shí)狀態(tài)時(shí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，壓縮性小，強(qiáng)度大，可作為良好的天然地基，具有較大的研究意義和使用價(jià)值。

工程上在壓實(shí)填土施工中，填土密實(shí)度測(cè)試是填土壓實(shí)質(zhì)量控制的一項(xiàng)重要內(nèi)容[1]。理論上，目前可用于無(wú)黏性土密實(shí)度檢測(cè)的方法主要有破損法(環(huán)刀法、灌砂法和灌水法)以及無(wú)損法(核子密度儀法、MDI無(wú)核密度儀法、落球式檢測(cè)儀法)[2]。但由于無(wú)黏性土呈松散狀態(tài)，使用環(huán)刀法及灌砂法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，土樣不易成型，操作難度大。灌水法由于塑料薄膜順從性差，鋪設(shè)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生塑料薄膜與坑壁脫空，存在測(cè)量誤差[3-5]。無(wú)損檢測(cè)方法是一種間接檢測(cè)壓實(shí)度的方法，不僅能夠保持被測(cè)土體的完整性，減少對(duì)壓實(shí)路基和壓實(shí)堤壩的破壞，而且減少了環(huán)境因素的影響，很大程度的提高了檢測(cè)效率[6]。但核子密度儀法的使用過(guò)程較為復(fù)雜，并且存在核輻射的危險(xiǎn)，而MDI無(wú)核密度儀和落球檢測(cè)儀仍處于研究和使用的初級(jí)階段。因此，迫切需要一種能夠無(wú)損、安全、快速、準(zhǔn)確檢測(cè)無(wú)黏性土密實(shí)度的方法[7-9]。SDG土壤密度儀是基于電磁學(xué)原理開(kāi)發(fā)的無(wú)損填土密度檢測(cè)儀，它不僅操作簡(jiǎn)單、便于攜帶、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、而且安全可靠。可以預(yù)測(cè)SDG土壤密度儀在無(wú)黏性土密實(shí)度的檢測(cè)中將會(huì)有良好的應(yīng)用前景。

1 SDG200土壤密度儀工作原理

SDG200無(wú)核土壤密度儀是近幾年推出的一款用于土壤密實(shí)度測(cè)試的無(wú)損檢測(cè)儀器。相較于各種傳統(tǒng)的有損測(cè)量方法以及其他的無(wú)損測(cè)量方法，SDG200展現(xiàn)了很好的優(yōu)越性，是當(dāng)前較為先進(jìn)的土壤密度檢測(cè)儀器。

SDG200采用電化學(xué)阻抗圖譜技術(shù)，在對(duì)電磁場(chǎng)測(cè)量時(shí)可以將土壤密度與含水率區(qū)分開(kāi)，其壓實(shí)度是通過(guò)電磁感應(yīng)場(chǎng)對(duì)材料基質(zhì)電化學(xué)阻抗的變化響應(yīng)來(lái)達(dá)到無(wú)損檢測(cè)的目的。由于空氣的介電常數(shù)比土壤中的其他材料的介電常數(shù)低得多，當(dāng)壓實(shí)度提高時(shí)，土壤中空氣減少，導(dǎo)致綜合介電常數(shù)升高，SDG土壤密度儀通過(guò)內(nèi)置數(shù)據(jù)處理器將測(cè)試得到的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算得到壓實(shí)填土的密度、壓實(shí)度及土體含水率，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)填土密度的實(shí)時(shí)快速無(wú)損檢測(cè)。SDG200可在深度30 cm，直徑28 cm范圍內(nèi)的壓實(shí)填土上使用。比較國(guó)內(nèi)外其他測(cè)試方法，SDG密度儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)無(wú)放射源，可以替代核子儀，無(wú)需放射性材料和特殊許可。(2)用戶界面友好，操作簡(jiǎn)單。操作人員不需要專門(mén)的培訓(xùn)，面對(duì)更廣泛的操作人群。(3)快速、可靠、精確、重量輕、使用方便，支持12 h的便攜式操作。(4)無(wú)損且可重復(fù)測(cè)量，內(nèi)部數(shù)據(jù)記錄儀存儲(chǔ)讀數(shù)量大。(5)電池耐久性長(zhǎng)，充電一次后可多次使用。(6)前置參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單。(7)界面采用全彩色圖形，效果清晰。

2 SDG200密度儀檢測(cè)無(wú)黏性土密實(shí)度操作

2.1 前置參數(shù)的設(shè)置

在進(jìn)行SDG無(wú)黏性土密實(shí)度檢測(cè)試驗(yàn)之前，首先要將被測(cè)土體的前置參數(shù)輸入儀器中[10]，包括最大干密度ρdmax、最優(yōu)含水率ωop、液限ωL、塑限ωP、不均勻系數(shù)Сu、曲率系數(shù)Сc、Gravel、Sand、Fines。這是儀器操作的重要步驟，下面對(duì)這些參數(shù)做簡(jiǎn)單介紹。

(1)最大干密度：最大干密度ρdmax是指土樣處于最密實(shí)狀態(tài)時(shí)的干密度。

(2)最優(yōu)含水率：最優(yōu)含水率ωop代表土樣壓實(shí)效果最佳時(shí)所對(duì)應(yīng)的含水率。

(3)液限ωL：黏性土由流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)向塑性狀態(tài)時(shí)的界限含水量。

(4)塑限ωP：黏性土由塑性狀態(tài)過(guò)渡到半固體狀態(tài)時(shí)的界限含水量。

(5)不均勻系數(shù)：不均勻系數(shù)Сu反映土樣不同粒組的分布情況，Сu越大，表示土樣越不均勻，顆粒大小相差越懸殊。

(6)曲率系數(shù):曲率系數(shù)Сc描述了土樣級(jí)配曲線分布的整體形態(tài)，反映了曲線的斜率是否連續(xù)，表示是否有某粒組缺失的情況。

(7)Gravel:指土樣中礫石(4.75～75.0 mm)含量的百分比。

(8)Sand：指土樣中砂(0.075～4.75 mm)含量的百分比。

(9)Fines:指土樣中粉料(< 0.075 mm)含量的百分比。

SDG200土壤密度儀的物理參數(shù)界面如圖1所示，值得注意的是輸入?yún)?shù)時(shí)一定要確保Gravel(礫石)、Sand(砂)和Fines (粉料)總和為100%。又因?yàn)闊o(wú)黏性土不同于黏性土，沒(méi)有液限和塑限，因此在進(jìn)行無(wú)黏性土的密實(shí)度檢測(cè)時(shí)，將以上兩個(gè)參數(shù)設(shè)置為0即可。

圖1 SDG200土壤密度儀的物理參數(shù)界面

2.2 SDG200檢測(cè)順序

進(jìn)行SDG試驗(yàn)時(shí)，首先要將待測(cè)土樣表面刮平，按一定比例間隔選擇測(cè)試點(diǎn)[11]。在測(cè)試點(diǎn)處依照?qǐng)D2選擇5個(gè)固定點(diǎn)，然后按照?qǐng)D2所示位置進(jìn)行測(cè)試，一次完整的檢測(cè)需要經(jīng)過(guò)5個(gè)步驟。當(dāng)開(kāi)始讀數(shù)時(shí)切記不要觸摸儀器，5次讀數(shù)過(guò)后儀器將自動(dòng)計(jì)算其平均值到數(shù)據(jù)文件中。

圖2 SDG200密度儀測(cè)試步驟

為了使SDG200土壤密度儀檢測(cè)值準(zhǔn)確，所得數(shù)據(jù)具有代表性，測(cè)試過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)保證測(cè)試位置表面平整、不含大粒徑的石子及其他雜質(zhì)。

(2)土體表面不能含有松散土或被擾動(dòng)的土，一定要足夠平整。

(3)確保沒(méi)有外來(lái)異物黏附在儀器底部或鋼板。

(4)試驗(yàn)時(shí)要使儀器遠(yuǎn)離金屬物體、電源線或其他電器裝置。

在檢測(cè)過(guò)程中，務(wù)必讓SDG土壤密度儀保持穩(wěn)定，不受外界干擾。先將儀器開(kāi)機(jī)預(yù)測(cè)一下，檢查儀器各項(xiàng)功能是否工作正常，待儀器電磁場(chǎng)的發(fā)射進(jìn)入正常狀態(tài)，開(kāi)始準(zhǔn)備檢測(cè)。SDG土壤密度儀只能儲(chǔ)存30組數(shù)據(jù)，如果超過(guò)30組數(shù)據(jù)，儀器會(huì)自動(dòng)覆蓋前面的數(shù)據(jù)。每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)大概需要2～3 min，檢測(cè)完成后，儀器通過(guò)自動(dòng)內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理器對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)，檢測(cè)完成一個(gè)點(diǎn)，就要馬上用筆記錄下來(lái)，以防數(shù)據(jù)丟失。

2.3 SDG土壤密度儀檢測(cè)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)參數(shù)

測(cè)試結(jié)束后，SDG200土壤密度儀會(huì)自動(dòng)計(jì)算得出濕密度、體積含水量等數(shù)據(jù)。

由于無(wú)黏性土最重要的物理狀態(tài)參數(shù)為其密實(shí)度，因此土力學(xué)中引入相對(duì)密實(shí)度Dr作為判斷無(wú)黏性土狀態(tài)的指標(biāo)。相對(duì)密實(shí)度Dr有兩種表達(dá)形式，分別如式(1)，式(2)所示：

(1)

式中：ρd max為無(wú)黏性土的最大干密度；ρd min為無(wú)黏性土的最小干密度；ρd為無(wú)黏性土的天然干密度或填筑干密度。

(2)

式中：emax為無(wú)黏性土處在最松狀態(tài)時(shí)的孔隙比；emin為無(wú)黏性土處在最密狀態(tài)時(shí)的孔隙比；e0為無(wú)黏性土的天然孔隙比或填筑孔隙比。

根據(jù)先行研究可知，黏性土的最大干密度和最優(yōu)含水率通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)即可獲得[12]。但因?yàn)闊o(wú)黏性土與黏性土差異較大，所以如何獲得無(wú)黏性土的最大干密度(最小孔隙比)和最優(yōu)含水率成為了使用SDG200土壤密度儀檢測(cè)無(wú)黏性土密實(shí)度的一個(gè)難點(diǎn)。本文利用振動(dòng)法測(cè)得了無(wú)黏性土的最大干密度(最小孔隙比)并通過(guò)最大干密度(最小孔隙比)與最優(yōu)含水率的轉(zhuǎn)換關(guān)系式解決了該問(wèn)題，保證了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及合理性。

(1)振動(dòng)法測(cè)無(wú)黏性土最大干密度試驗(yàn)。最大干密度ρd max為土樣處于最密實(shí)狀態(tài)的干密度。試驗(yàn)時(shí)將烘干試樣裝入容器中，在豎向用擊錘錘擊，側(cè)向水平振動(dòng)的情況下，使試樣達(dá)到不變的體積V時(shí)，稱出試樣重量Ms,即可得到式(3)：

(3)

由于已知無(wú)黏性土的最大干密度ρd max，即可根據(jù)式(4)推求最優(yōu)含水率ωop：

(4)

式中：ρd max為干密度,g/cm3；ρ為濕密度，g/cm3；ωop為最優(yōu)含水率，%。

由量筒的體積和筒內(nèi)被振擊的土的總質(zhì)量算出振擊土的濕密度ρ,因?yàn)檎駝?dòng)法試驗(yàn)已經(jīng)測(cè)出了最大干密度，所以代入此式即可求得最優(yōu)含水率ωop。振動(dòng)法試驗(yàn)儀器設(shè)備如圖3所示。

圖3 振動(dòng)法試驗(yàn)儀器設(shè)備

(2)篩分法顆粒分析試驗(yàn)。根據(jù)本試驗(yàn)土體的顆粒大小和級(jí)配情況選擇篩分法作為進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)的方法，它適用于分析顆粒直徑大于0.075 mm，小于60.0 mm的顆粒組成。

不均勻系數(shù)計(jì)算公式如式(5)所示：

(5)

式中：Сu為不均勻系數(shù)；d60為限制粒徑，mm，小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的60%的粒徑，mm；d10為有效粒徑，小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的10%的粒徑，mm。

曲率系數(shù)計(jì)算公式如式(6)所示：

(6)

式中：Сc為曲率系數(shù)；d30為顆粒大小分布曲線上小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的30%的粒徑，mm。

2.4 室內(nèi)試驗(yàn)

在室內(nèi)進(jìn)行SDG土壤密度儀試驗(yàn)，考慮儀器是通過(guò)電磁感應(yīng)場(chǎng)對(duì)材料基質(zhì)化學(xué)阻抗的變化得到的測(cè)試結(jié)果，在選擇模具時(shí)，不能采用金屬材質(zhì)，選擇木質(zhì)模具，既排除了對(duì)儀器的干擾作用、又便宜、輕便。此試驗(yàn)制備了一個(gè)90 cm×90 cm×30 cm的模具，SDG200土壤密度儀檢測(cè)土體深度為30 cm，所以模具制作凈深度為30 cm。儀器底座直徑約為28 cm,考慮邊界效應(yīng)，故模具的凈長(zhǎng)、寬為90 cm。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行SDG土壤密度儀檢測(cè)需要有以下的準(zhǔn)備階段：

(1)篩分：對(duì)取回的原狀土進(jìn)行篩分，取10 cm以下的土樣，過(guò)篩的目的是使土樣中不含大顆粒石子和雜質(zhì)，以確保土樣級(jí)配良好。

(2)土樣制備：室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)＞叩捏w積，根據(jù)預(yù)期要達(dá)到的土樣壓實(shí)度計(jì)算和確定土樣的質(zhì)量，計(jì)算公式如式(7)～式(9)所示。

m干土=V模具×ρmax×預(yù)期壓實(shí)度

(7)

式中：m干土為干土總質(zhì)量；V模具為室內(nèi)模具凈體積；ρmax為振動(dòng)試驗(yàn)得到的最大干密度。

m濕=m干土×(1+ω0)

(8)

式中：m濕為濕土質(zhì)量；ω0為土樣實(shí)際含水率。

預(yù)期制備土樣的含水率可以通過(guò)計(jì)算得出，室內(nèi)實(shí)際土樣含水率也可以測(cè)出，故可計(jì)算出土樣中的摻水質(zhì)量。

m水=(20%-10%)×m干土

(9)

式中：m水為土樣中摻水的質(zhì)量。

根據(jù)計(jì)算得出的土樣總質(zhì)量，分為不同次數(shù)進(jìn)行配置土樣的試驗(yàn)。為使土體的含水率均勻，需要將土樣靜置一夜。在模具上部鋪置一層不透水塑料薄膜，以確保土樣含水率保持恒定。

3 結(jié) 語(yǔ)

SDG土壤密度儀是國(guó)內(nèi)外最新一代的無(wú)核密度儀，通過(guò)電磁感應(yīng)場(chǎng)對(duì)材料基質(zhì)電化學(xué)阻抗的變化響應(yīng)來(lái)反映填土的密度及含水狀態(tài)，達(dá)到實(shí)時(shí)無(wú)損填土密度檢測(cè)的目的。它的出現(xiàn)彌補(bǔ)了之前各種測(cè)量土壤密度方法的局限性，是當(dāng)前最先進(jìn)的土壤密度檢測(cè)儀器。它具有快速測(cè)量、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、便于攜帶、可重復(fù)操作等優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)填土壓實(shí)質(zhì)量的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢驗(yàn)與控制。而且在檢測(cè)過(guò)程中不會(huì)對(duì)工程和操作人員造成安全隱患，為各類土壤的密實(shí)度檢測(cè)提供了很大的幫助。

無(wú)黏性土由于最優(yōu)含水量較小、最大干密度較大，在動(dòng)力作用下很容易被壓實(shí)，可作為良好的天然地基。根據(jù)密度儀的特性實(shí)施檢測(cè)試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)，SDG 密度儀具有良好的穩(wěn)定性與可靠性，預(yù)測(cè)將適用于無(wú)黏性土密實(shí)度的快速無(wú)損檢測(cè)。在工程中實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)填土壓實(shí)質(zhì)量的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢驗(yàn)與控制，提高檢測(cè)效率。