改進三點擊實法在填土壓實度檢測中的應用分析

吳佳佳 唐浚文 周 珂 劉金鑫

(1.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；2.三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

土方填筑壓實質量采用壓實度進行控制，即采用標準擊實試驗，測得土體壓實后的干密度與同一土料的最大干密度，用二者的比值來反映壓實的效果。常見的傳統快速測定土料最大干密度的方法有相關資料統計法、多點移動平均值法、三點快速擊實法（以下簡稱“三點擊實法”）等。其中，三點擊實法為規范推薦的選擇，該方法能夠較好地考慮土料壓實性的變化，且操作方便，不需要測定土料含水率[1]。

三點擊實法被廣泛應用于土石壩等工程的填土干密度檢測[2，3]，但在使用三點擊實法進行工程現場干密度檢測試驗時，需要利用圖解法[4]進行三點擊實控制圖的畫線定點，其準備工作較繁瑣；此外，在經過多次豎、橫向的畫線定點后，累計誤差較大，精度較差。

為了提高傳統三點擊實法的計算精度與計算效率，筆者利用MATLAB軟件進行編程，采用自編程序對三點擊實法進行優化改進，并結合工程實例開展改進三點擊實法的應用研究，將試驗結果與標準擊實試驗結果進行對比，分析該方法對土方填筑壓實度檢測的適用性。

1 三點擊實法概述

1.1 基本原理

三點擊實試驗法的原理及計算方法[5]為：采用三點擊實法進行現場土方填筑壓實度檢測時，不需要測定填土的含水量，僅在現場測定土的濕密度后，用測定密度試驗的土樣開展3種含水量的擊實試驗，分別測得3個擊實濕密度，就可確定填土的壓實度、最優含水量及現場填土含水量的差值。

填土壓實度又稱夯實度，指填土干密度與標準最大干密度之比，其計算公式為：

式中：

ρdf——填土的干密度，g/cm3；

ρdfmax——室內擊實試驗最大干密度，g/cm3；

wf——填土的含水量，%；

ρf——現場濕密度，g/cm3。

由式（1）可知，只要求出室內擊實試驗最大干密度ρdfmax和現場濕密度ρf即可確定壓實度D。

式中：

w——任意含水量；

ws——原土樣干質量。

可以理解Z的物理意義是原土樣濕質量百分數表示的加水量，任意含水量土樣的濕密度除以（1+Z）得：

式中：

ρd(1+w)——變換后的濕密度。

1.2 試驗步驟

三點擊實法現場確定填土壓實度流程如下：

（1）首先在檢測點取樣確定填土濕密度；

（2）在同一位置取三份土樣，每份約3kg，分別加入不同重量的水，測得相應的濕密度ρd（1+w），分別除以得到變換后的濕密度ρd（1+wf），并以Z為橫坐標，ρd（1+wf）為縱坐標繪制三點擊實圖，如圖1所示；

圖1 三點擊實圖

（3）通過這三個有適當間距的點可以擬合出一條拋物線，然后用數學方法或圖解法確定拋物線頂點，或借助計算機工具直接成圖得出頂點縱坐標值，即ρdfmax（1+wf）。則壓實度D由ρf/ρdfmax（1+wf）求得。

2 基于程序計算的三點法優化改進

采用三點擊實法進行現場檢測應用時，主要存在兩個問題：一是需要提前準備繁瑣的三點擊實控制圖，整個工作耗時、費事；二是求解變換后的最大濕密度時采用的是作圖法，需多次畫線定點，易出現累計誤差，精度較差。

針對傳統三點擊實法存在的問題，采取MATLAB軟件編程對擊實試驗數據進行處理，可直接繪制出三點擊實圖，并直接讀出頂點縱坐標值即ρdfmax（1+wf），從而得到可靠的數據結果，具體程序計算方法如下：

clc

clear

x=input(′請輸入三點加減水量(%)：′);%樣例[0 2 4]

y=input(′請輸入三點對應濕密度(g/cm^3)：′);%樣例[2.14 2.1667 2.0096]

plot(x,y,′.′,′markersize′,15);

hold on

p=polyfit(x,y,2);

xi=[0∶0.01:max(x)];

yi=polyval(p,xi);

z=find(yi==max(yi));

plot(xi,yi,xi(z),yi(z),′*′,′markersize′,15);

text(xi(z),yi(z),′(xi(max),yi(max))′,′EdgeColor′,′red′,′VerticalAlignment′,′bottom′);

set(gca,′XLim′,[-1.5 4.5]);

set(gca,′YLim′,[1.9 2.3]);

set(gca,′XTick′,[-1.0∶1:4.0]);

set(gca,′YTick′,[1.9∶0.1∶2.3]);

disp(([′變 換 后 最 大 濕 密 度(g/cm^3)：′num2str(max(yi))]));

disp(([′填土壓實度(%)：′num2str(y(1)/max(yi))]));

disp(([′最優含水量與含水量的差值(%)：′num2str(xi(z))]));

輸入數據：

（1）F、H、I：三點擊實加減水量占加水前濕土重的百分比（%）。一般為方便起見，可取F=0。

（2）R、S、T：三點擊實濕密度（g/cm3）。

輸出數據：

（1）Y：ρdfmax（1+wf），即變換后的最大濕密度（g/cm3）。

（2）D：填土壓實度（%）。

（3）Q：最優含水量與含水量的差值（%）。

3 工程實例應用分析

3.1 工程背景

以白鶴灘庫區某市政類總承包項目的高回填造地工程填方3區第41層填筑K0+000~K0+280作為試驗段，該工程現場試驗段填土測得樣土濕密度為2.140g/cm3。將此土樣分成3份，每份3kg，分別加入不同重量的水，w1=0，w2=60mL，w3=120mL。測得擊實后的濕密度分別為2.140g/cm3、2.167g/cm3、2.010g/cm3。

此時程序輸入數據為：F=0，H=2，I=4，R=2.140，S=2.167，T=2.010。程序輸出數據為：Y=2.178，D=98.3，Q=1.3，程序計算結果如圖2所示。

圖2 程序計算結果

該法相對于圖解法、克萊姆法則等方法具有方便快捷的優點，可將三個點的ρd（1+wf）連成光滑曲線，如圖3所示，直接讀取頂點縱坐標，即ρdfmax（1+wf）。現場測定已知填土濕密度ρf，由作圖求出ρdfmax（1+wf），則可求得壓實度D。無需現場測定標準擊實最大干密度，縮短了填筑工程的循環時間。

圖3 頂點坐標圖

3.2 檢測結果對比分析

伴隨著施工進度的推進，采用現場壓實度對填方區的每一層進行壓實度檢測。干密度檢測內容以試驗段的10個測點為例，對比改進的三點快速檢測方法試驗結果與標準擊實試驗結果。檢測填筑料均為土石混合料，干密度檢測點數據見表1，其中帶*的為采用改進三點快速檢測方法得到的數據。

表1 現場干密度檢測點數據

由表1可知，采用改進的三點快速檢測方法進行檢測的結果可以滿足試驗規定的誤差要求。

采用傳統方法做一次試驗得到結果平均用時為1h左右，而采用改進三點法從輸入數據到得出計算結果僅需10s，與傳統方法相比，該方法操作性強且方便快捷，可以使得工作段壓實質量檢測工序時間控制在工期限制范圍之內。

在全部操作熟練后，利用該方法進行檢測工作，極大縮短了土方填筑的循環作業時間，實現了填筑快速施工。

4 結束語

（1）利用MATLAB軟件編程對三點擊實法進行優化改進。相對于圖解法，該法具有方便快捷的優點，避免了圖解法處理數據時精度不足和準備工作繁瑣的問題。

（2）由改進的三點快速檢測方法試驗結果與標準擊實試驗結果對比可知，改進的快速檢測方法可以滿足試驗規定的誤差要求，縮短了土方填筑的循環作業時間，在保證填筑施工質量的條件下，實現了填筑快速施工。

（3）該方法可以為類似土方填筑工程的壓實度快速檢測提供指導和借鑒。