SDG密度儀測定無粘性土密實度試驗探究

李 真，王正君，熊奧運，姜榮輝

（黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

近年，隨著經濟的快速發展，我國對工程建設的投入不斷加大。工程填土的質量普遍用壓實度指標進行控制，不同土質的壓實性能有很大的區別。通常認為，無粘性土的壓實效果較好。相較于粘性土、粉質土等分散性土來說，無粘性土呈密實狀態時，結構穩定，壓縮性小，強度大，可作為良好的天然地基，具有較大的研究意義和利用價值。

工程上在壓實填土施工中，填土密實度測試是填土壓實質量控制的重中之重。目前，理論上可以用于無粘性土密實度檢測的方法主要有破損法（環刀法、灌砂法和灌水法）[1~3]以及無損法（核子密度儀法）。但由于無粘性土的粘性較差且呈松散狀態，使用環刀法及灌砂法進行檢測時，土樣不易成型，操作難度大，檢測數據準確性較差。無損檢測方法不是一種直接檢測填土壓實度的方法，此類方法不僅能夠保持被測土體的完整性，減少對壓實路基和壓實堤壩的破壞，而且可以較好地避免外界因素的干擾，很大程度地提高了檢測效率。但核子密度儀法的使用過程較為復雜，并且存在核輻射的危險，這些因素導致其在工程建設領域的發展受到很大限制。因此，迫切需要一種能夠無損、安全、快速、準確檢測無粘性土密實度的方法。本文使用SDG無核密度儀測定無粘性土的密實度，并用傳統破損法灌水法[4]檢測值作為對照試驗，探究該儀器測定無粘性土密實度的穩定性與可靠性。

1 測試原理及儀器簡介

SDG無核土壤密度儀是近年來推出的一款用于土壤密實度測試的無損檢測儀器。它采用電化學阻抗圖譜技術，在對電磁場測量時可以將土壤密度與含水率區分開，其壓實度是通過電磁感應場對材料基質電化學阻抗的變化響應來達到無損檢測的目的[5]。由于空氣的介電常數比土壤中的其他材料的介電常數低得多，當壓實度提高時，土壤中空氣減少，導致綜合介電常數升高，SDG土壤密度儀通過內置數據處理器將測試得到的數據，經計算得到的壓實填土的密度、壓實度及土體含水率，實現對現場填土密度的實時快速無損檢測。SDG相較于各種傳統的有損測量方法以及其它的無損測量方法，展現了很好的優越性，是當前較為先進的土壤密度檢測儀器。

試驗所用的儀器為美國交通運輸公司研發生產的SDG200無核密度儀，儀器基本技術指標見表1。

表1 SDG200無核密度儀基本技術指標

2 試驗方法

2.1 前置參數設置

在進行SDG無粘性土密實度檢測試驗之前，首先要將被測土體的前置參數輸入儀器中，這是儀器操作的重要步驟[6]。試驗所用土樣為黑龍江省通河縣的天然砂土，根據《土工試驗方法標準》試驗得到的基本參數。表中最大干密度與最優含水率的獲取方式與粘性土區別很大，這也是使用SDG密度儀檢測無粘性土密實度的一個難點。通過先行研究可知粘性土的最大干密度與最優含水率通過擊實試驗即可獲得，而無粘性土的這兩個參數需通過振動法[7]先得出最大干密度，再利用最大干密度與最優含水率的轉換關系式得到最優含水率。無粘性土不同于粘性土，沒有液限和塑限，因此在進行無粘性土的密實度檢測時，將以上兩個參數設置為0即可。砂土基本參數見表2。

表2 砂土基本參數

2.2 制備土樣及試驗過程

由于SDG密度儀是通過電磁感應場對材料基質化學阻抗的變化得到的測試結果，因此使用該儀器在實驗室內進行檢測時，需要提前制備一個木制模具[8]，采用木制材料不僅能夠避免外界因素對儀器的干擾、又可節約成本。試驗制備的模具見圖1，考慮到儀器測量的深度和直徑以及邊界效應的影響，故模具的尺寸為90 cm×90 cm×30 cm。

圖1 土樣制備

使用SDG密度儀在室內檢測無粘性壓實填土的前期準備。

1）土樣篩分：用篩分器對原樣砂土進行大致篩分，只需將其中的大粒徑石塊以及其他雜質去除即可，以求充分保證土樣的級配良好。

2）土樣制備：由于模具的體積以及砂土的最大干密度已知，然后將預期的壓實度設置為90%，即可求出需要制備的干土質量。

式中：m干土為干土質量；V模具為模具體積；ρdmax為最大干密度；m濕為濕土質量；ω0為土樣真實含水率。

通過酒精燃燒法可以測得土樣的真實含水率。

式中：m水為土樣中加水的質量。

為了保證土樣的含水率均勻，不能直接將土一次性倒入模具中，而是需要采取定量多次的方式向模具中添加相同且攪拌均勻的土樣，然后分3次進行充分壓實。制備好的土樣必須要蓋上塑料薄膜放置一夜，目的是使其含水率均勻并且不發生變化。

進行SDG試驗時，首先要將待測土樣表面刮平，按一定比例間隔選擇測試點。在測試點處選擇5個固定點，然后按照圖2所示位置進行測試，一次完整的檢測需要經過5個步驟。當開始讀數時切記不要觸摸儀器，否則測試結果將會出現較大誤差。5次讀數過后儀器將自動計算其平均值到數據文件中。準備測試前，一定要使儀器處于穩定狀態，遠離電線、電源等通電設備。然后打開SDG密度儀，查看儀器各項功能能否正常操作，當儀器信號接收穩定后，開始測試。由于目前SDG土壤密度儀能夠保存數據的最大容量值為30個，因此，一旦超過最大容量值，儀器就會自動將之前測得的數據隱藏，只保留最新數據。各點的檢測用時大概在120 s~180 s之間，檢測完成后，儀器會通過自動內置的數據處理器對檢測數據進行計算得到各項測試指標，每個點的實時檢測數據都要及時記錄下來，以防丟失[9~10]。為了判定SDG密度儀測試的穩定性，本試驗制備了含水率不同的三種土樣作為參照。檢測完成后，繼續用原土樣做灌水法試驗，得到壓實土體的真實密度，衡量該儀器的可靠性。SDG密度儀測試見圖3。

圖2 SDG密度儀測試步驟

圖3 SDG儀測試

3 結果與分析

3.1 SDG密度儀檢測結果穩定性分析

表3 SDG土樣一各點的檢測值

圖4 土樣1數據圖

表4 SDG土樣二各點的檢測值

圖5 土樣2數據圖

表5 SDG土樣三各點的檢測值

圖6 土樣3數據圖

各土樣各監測點檢測得到的數據見表3~表5、圖4~圖6，由圖可知，SDG密度儀展現了較好的性能，該儀器測得的無粘性填土壓實度均接近于預計值90%，穩定性較高，可以用于對無粘性土密實度的檢測。

3.2 SDG密度儀檢測結果準確性分析

表6 灌水法檢測數據值

通過對相同條件的壓實土樣用SDG密度儀和灌水法進行對比試驗，探究兩種不同方法檢測數據見表6、表7，數據擬合圖見圖7。

表7 SDG檢測數據值

圖7 SDG與灌水法數據擬合圖

通過以上圖表數據可知，SDG密度儀與灌水法檢測出的無粘性填土壓實度值具有較好的擬合度，兩條折線相關性密切。通過SDG值與灌水法值的擬合，可以得到R平方值為0.8063，兩組數據之間的擬合算式為：y=-0.0136x2+0.3712x+83.493。在工程填土中，灌水法的檢測值具有代表性，可以較為準確地反映填土的壓實情況。因此，從以上論證可以得出，該儀器具有較好的準確性，值得在工程領域推廣使用。

4 結論

1）使用SDG密度儀檢測無粘性土的密實度時，前置參數的獲取方式與粘性土有很大不同。無粘性土的最大干密度與最優含水率需要通過振動法試驗以及二者的轉換關系得到，而粘性土則必須通過擊實試驗獲取。

2）運用SDG密度儀檢測多組無粘性土的密實度后，通過對比分析數據，可以得出該儀器測試結果的波動范圍較小，具有良好的穩定性。

3）將傳統有損方法灌水法作為對照試驗，把二者測得的土壤密實度數據擬合之后，發現SDG土壤密度儀檢測結果與灌水法檢測值具有一定的相似性，都與預期的壓實度相近，準確性較高。

4）根據實驗室檢測數據可知，SDG土壤密度儀測定的無粘性土干密度值與真實值較為接近，誤差較小。而通過其測得的含水率值卻普遍大于真實值，存在較大誤差，不能如實地反映無粘性土的含水狀況。此誤差產生的主要原因是該儀器測試含水率的原理與傳統的灌水法檢測有很大不同。