PFWD壓實度快速檢測法在水利堤防填土工程中的應用探討

黃能高

(江西省撫州市臨川區撫河河道堤防維護中心，江西 撫州 344000)

堤防填土工程的壓實質量對整個工程的質量和安全具有決定性作用，一旦堤防填土工程質量出現問題，很可能引發工程事故[1-6]。

目前，最常用的堤防工程填土材料主要有粘性土、砂性土、碎石等，不同的填筑材料具有不同的壓實特性和沉降特性，為了提升堤防填土工程的施工質量，必須對施工過程中的壓實指標進行實時監測并根據監測結果做出壓實參數的實時調整[7-12]。傳統檢測壓實質量的方法存在檢測時間長、檢測精度低等問題，而且一些檢測方法對原有結構會產生破壞，導致工程質量降低，精確、快速、無損、直觀、實時的壓實指標檢測方法顯得格外重要[13]。便攜式落錘彎沉儀(PFWD)是一種新型壓實度檢測儀器，在國外已經普及應用，但在國內仍處于初步探索應用階段，且基本集中于公路工程方面，在堤防填土工程壓實度檢測中應用還比較鮮見[14-15]。

本文利用便攜式落錘彎沉儀對堤防填土工程的壓實指標進行快速檢測，建立壓實指標與檢測指標之間的對應關系，可為堤防填土工程施工質量控制提供方法和借鑒。

1 工程概況

中洲堤位于臨川區撫河中游，為一環形圩堤，被撫河干流及從千金坡分叉的支流所包圍，圩區東面為從千金坡分叉的支流，西面為撫河干流，形成一環形圩堤，圩區為撫河沖積平原，地勢平坦，地面高程一般為35m左右。中洲堤工程級別為4級，主要建筑物級別為4級，總長31.12km，橋東防洪墻長1.54km，圩堤保護面積24.77km2，耕地2.75萬畝，人口5.35萬人。本文對取自該堤防填土工程的粘性土和砂性土兩種土樣進行壓實度檢測分析，兩類填土的物理參數見表1。

2 PFWD快速檢測法

2.1 檢測方法選取

在堤防填土工程壓實度現場檢測中，常用的有灌砂法、環刀法、鉆芯法、無核密度儀測定法、FBT法、PFWD法以及SDG法等。灌砂法檢測一個點的時間需要20～30min，環刀法檢測一個點的時間需要10～15min，而鉆芯法檢測一個點的時間需要1h，這三種方法檢測時間較長，不適合快速大型工程現場的快速高效檢測。無核密度儀測定法和SDG 法的檢測裝置更加輕便，但是在檢測之前需要做必要的準備工作，一個檢測點檢測時間一般需要2～3min；FBT檢測法操作簡單，檢測一個點僅需1min，但不能對同一個點進行重復測試，檢測精度有待提升；PFWD 檢測法試驗裝置體積小、組裝方便，可適用于狹窄場所，受外界干擾小，可實現同時施工和檢測，做到堤防工程壓實質量的實時監控，檢測一點僅需1min，可在不影響工程進度和質量前提下實現快速大面積的檢測，因此工程選用PFWD法對堤防填土工程壓實指標進行檢測。

2.2 PFWD檢測原理

PFWD是便攜式落錘彎沉儀的簡稱，便攜式落錘彎沉儀主要包括兩個部分，一是動力加載系統，主要由鎖定桿、滑桿、落錘、緩沖裝置、承載板等結構組成；二是數據采集系統，主要由操作界面和打印機組成，如圖1所示。本文選用ZFG3000型便攜式落錘彎沉儀對撫河河道堤防填土工程壓實度進行檢測分析，該型號PFWD 主要性能參數見表2。PFWD檢測過程如下：①將落錘提起并將鎖定桿上部鎖定；②松開鎖定裝置，使落錘自由下落；③落錘最終落在承載板上，對承載板產生一個自由落體沖擊力；④承載板受到沖擊力后產生位移變形；⑤數據采集系統采集位移和速度參數并存儲在采集系統中，同時可將數據實時打印出來。

表2 ZFG3000型便攜式落錘彎沉儀性能參數

圖1 ZFG3000型便攜式落錘彎沉儀

3 PFWD檢測影響因素分析

3.1 填土厚度的影響

不同填土厚度下PFWD檢測回彈模量的變化特征如圖2所示。從圖中可以看到：即使是同一類型土的碾壓施工，其動態彈性模量的波動也比較大，這可能與局部存在欠壓現象有關；填土厚度越大，彈性模量越小，但24cm厚度和36cm厚度下的彈性模量相差不大，填土厚度越薄，單位體積填土的壓實功越大，填土越密實，因而動彈性模量越大，但是填土厚度太薄，又會影響碾壓施工效率，造成施工周期延長，因此，填土厚度應適中。

圖2 填土厚度對檢測效果的影響

3.2 落錘次數的影響

不同錘擊次數下測得的填土彎沉值如圖3所示。相同點位下，當落錘次數為1時，彎沉值較大，當落錘次數大于1時，彎沉值較第一次錘擊時有較大幅度降低，且呈緩慢減小的變化趨勢，最終趨于一個相對穩定值，這主要是因為落錘質量為10kg，當第一次落錘時，會對土體產生較大的沖擊，使得彎沉值較大，在實際操作過程中，應盡量使落錘預砸三次后，再記錄彎沉數值。

圖3 落錘次數對檢測效果的影響

3.3 重錘下落高度的影響

不同重錘下落高度下PFWD檢測回彈模量的變化特征如圖4所示。隨著落錘高度的增加，回彈模量逐漸減小，這主要是因為落錘高度越大，所獲得的重力勢能越大，重力勢能最終轉化為沖擊動能，迫使承載板產生位移。因此，為了保證測試數據的穩定性，在每次測試時，應根據土壤物理力學性質，設定統一合理的高度，并在測試過程中，盡量保持導桿垂直，以減小落錘下降過程中摩擦阻力所帶來的能量損失。

圖4 重錘下落高度對檢測效果的影響

4 現場試驗結果

壓實度是堤防填土工程最重要的質量控制指標，PFWD檢測法在測試過程中主要記錄落錘時間、速度、彎沉值以及回彈模量值，為使測試精度更高，通常一個點測試三次，取三次測試彎沉值(落錘高度均為70cm)的平均值計算回彈模量值，通過回彈模量值來判斷壓實度是否合格，因此需要確定回彈模量與壓實度之間的關系，現場試驗中粘性土壓實度采用環刀法進行檢測，砂性土壓實度采用灌砂法進行檢測，建立回彈模量與壓實度關系如圖5所示。壓實度與回彈模量之間呈良好的冪函數關系，回彈模量越高，壓實度越大；粘性土的壓實度與回彈模量關系為：K=77.782E0.0362(K表示壓實度，E表示回彈模量)，相關系數R2為0.8196，砂性土的壓實度與回彈模量關系為：K=36.025E0.2413，相關系數R2為0.8469。

圖5 回彈模量與壓實度關系

通過上文分析可知：PFWD快速檢測法能對粘性土、砂性土等不同類型堤防填土工程壓實度進行較為準確地測試，PFWD快速檢測法測試得到的回彈模量與填土工程壓實度之間呈良好的冪函數關系。通過PFWD快速檢測法得到的回彈模量，將其代入對應類型填土材料的關系式中，可以獲得堤防填土工程的壓實度，實現堤防填土工程壓實指標的快速檢測。

5 結語

(1)PFWD 檢測法試驗裝置體積小，組裝方便，受外界環境干擾小，檢測時間短，可用于狹窄場地，可在不影響工程進度和質量前提下實現快速大面積檢測。

(2)隨著填土厚度的增加，動彈性模量逐漸減小，填土工程厚度應適中；為不影響檢測精度，應盡量使落錘預砸三次后，再記錄彎沉數值；落錘高度對檢測回彈模量有重要影響，每次檢測的落錘高度應盡量保持統一。

(3)PFWD快速檢測法所測回彈模量與堤防填土工程材料的壓實度呈良好的冪函數關系，可實現PFWD對堤防填土工程壓實指標進行快速檢測。

(4)本文僅對粘性和砂性堤防填土工程的壓實度進行快速檢測分析，關于其他填筑材料的壓實度檢測還需在今后做進一步研究。