灌砂法路基壓實度快速成孔檢測技術研究

胡桂海

廣州市恒盛建設集團有限公司 廣東 廣州 510000

1 前言

壓實度檢測是控制市政、公路路基壓實質量的通用手段。而灌砂法壓實度檢測是目前市政道路工程路基路面壓實度檢測的主要方法之一，其使用最為廣泛。基于對壓實度質量的嚴格控制和減少后期沉降，現行規范對壓實度檢測的頻次要求較高，工程實踐中壓實度檢測往往是試驗檢測人員勞動強度很大的一個項目。路基、路面施工的高峰季節往往需要大批的試驗人員駐現場進行檢測，現場人工挖孔、灌砂、稱量、測定含水率的工作繁瑣而費時，往往兩人配合完成一個孔的全部檢測最后得到測點的壓實度需要最少1個多小時的時間，效率很低，同時檢測結果真實性與檢測人員的技術水平與責任性有很大關系，在檢測人員數量不足的的情況下，為滿足檢測頻次要求，檢測數據作假的現象經常性出現。這為真實掌握現場壓實質量增加了很大的難度，一些壓實度不合格的路段可能進入下一道工序，在后續的施工過程或運營后出現質量問題被發現，此時采取補救措施成本很高，而且會造成很大的社會不良影響[1-2]。

市政道路路基灌砂法壓實度檢測首選需要在檢測路基上人工鑿除一個直徑15cm、深度15cm的試驗孔并收集里面的土樣進行稱重，再以標準砂填充檢測孔用以換算試驗孔的體積，通過稱量得到試驗孔土樣的重量與換算的體積計算得到土樣的濕密度，在檢測得到含水率即可計算得到該檢測點的壓實度[3-4]。根據現場的情況反饋，在灌砂法壓實度檢測過程中最耗費人力的步驟是人工挖孔的步驟，兩個檢測人員配合完成一個檢測孔鉆孔取土的時間不少于10min，這導致用灌砂法檢測的效率很低，在填土壓實的高峰季節為滿足壓實度的檢測往往需要配置大量的試驗人員完成此行工作，檢測效率低、勞動強度大。因此設計一種機械自動式快速鉆孔取土機，用于替代灌砂法壓實度人工成孔檢測具有很大實用價值。

2 旋切式取孔機技術原理與工藝流程

2.1 技術原理

旋切式鉆孔機為灌砂法壓實度檢測鉆孔取土機（結構如下圖1所示、實物如下圖2所示），其包含外壁光滑的圓柱形左立桿1余右立桿2，在左立桿余右立桿上裝有固定限位裝置4、頂端裝有橫桿18，在左立桿與右立桿后裝有斜桿3，在左立桿、右立桿、斜桿下裝有底架21，底架上裝置前輪16與后輪17，在固定限位裝置上方裝有移動限位裝置5，移動限位裝置的左側裝有汽油發電機6，發電機底部裝有轉子7，在移動限位裝置的右側裝有軸承件10，軸承件的下方裝有轉動輪9，轉動輪與轉子通過皮帶8連接，在轉動輪的下方裝有鉆桿12，鉆桿上焊接有螺旋刀片13，鉆桿通過固定限位裝置上的限位預留孔11上下升降。在移動限位裝置上安裝有升降桿20，升降桿上裝有手動輪盤19，通過手動輪盤可以操作移動限位裝置及其附著在其上的各個部件同時升降。在鉆桿的下方為檢測孔15，在檢測孔上方設置有可移動的土樣收集盒14，土樣收集盒在鉆孔位置預留出鉆桿升降的位置。在鉆桿的頂端焊有專用硬質合金刀片。

圖1 旋切式取孔機結構圖

圖2 旋切式取孔機現場使用圖

圖3 旋切式取孔機工藝流程

圖4 自動成孔（旋切式）與人工成孔的濕密度比較

2.2 旋切式取孔機關鍵技術及優勢

（1）硬質合金刀頭。旋切式取孔機的關鍵部位為硬件合金刀頭，刀頭材質為含鎢合成高速鋼，具備高硬度與耐磨性兩大特征；刀頭扁平，橫向長度為148mm，略小于設計成孔尺寸的150mm，試驗檢測點石子直徑小于20mm可通過切削方式打碎（檢測孔含有尺寸超過20mm的石子時更換試驗孔），試驗測試刀片使用次數在2000次以上。

（2）螺旋刀片。螺旋刀片的設計主要作用為兩方面，一方面通過旋切的方式實現鉆孔的同時將土樣通過螺旋刀片自下而上輸送至地面取土盒內，同時完成鉆孔與取土兩個步驟；二是修整檢測孔的孔壁，使得最終的檢測孔尺寸為標準的150mm直徑、150mm高度。

（3）檢測效率提升：旋切式取孔機平均成孔效率為60s，并設計了150mm的限位裝置，達到取孔深度后立即限位。相比人工挖孔檢測平均每個檢測孔鉆孔取土至少10min相比，極大提高檢測效率，減低勞動強度，實現極大的人工節省。

2.3 旋切式取孔機工藝流程

（1）確定檢測點

路基填土壓實完成以后，通過隨機取樣的方式確定好檢測位置（里程樁號、離中樁的距離等），核實檢測位置平整度是否達到要求，旋切式取孔機移動到指定位置并固定好。

（2）鉆孔準備

在鉆桿及螺旋單片、刀頭位置均勻涂抹凡士林，以免土樣切割后粘連在刀片等工具上；開啟發電機，發電機轉子通過皮帶帶動轉動輪轉動，此時鉆孔、螺旋單片、刀頭開始旋轉（三者為剛性焊接）。

（3）鉆孔取土

手動操作手動輪盤緩慢向下轉動，移動限位裝置及其附著的發電機、轉子、皮帶、轉動輪、軸承盒、鉆桿及螺旋單片、刀頭均向下移動；鉆桿及刀片通過固定限位裝置上的預留孔、土樣收集盒的預留孔位置達到地面處；刀頭在檢測孔頂面切割土體，并由螺旋單片將土體自下而上傳輸甩出到土樣收集盒內完成鉆孔取土的過程；手動控制手動輪盤移動到限位裝置底面通過立桿向下滑動到固定限位裝置的頂面上時鉆孔深度達到檢測要求的150mm即可停止下鉆，此時仍保持開機狀態。

（4）完成檢測成孔

控制手動輪盤向上轉動提升移動限位裝置，附著在移動限位裝置的發電機、轉子、皮帶、轉動輪、軸承盒、鉆桿及螺旋單片向上移動；鉆孔底面高于土體收集盒頂面后，關閉發電機，并停止向上提升；毛刷清理粘貼在鉆桿及螺旋單片上的土樣，移開土樣收集盒，手動收集殘留在檢測孔內的少量土樣倒入土樣收集盒內；對土樣收集盒內土樣進行稱重，得到該檢測孔濕土重量值。

3 旋切式取孔機與人工挖孔比對試驗研究

3.1 試驗設計

在某一路段（200m以內）填土厚度、土質、碾壓時間、碾壓遍數均相同的條件下隨機選擇10個檢測點，分別用人工挖與旋切機取孔兩種方式進行挖孔，而后采用人工灌砂的方式進行濕密度的檢測，主要比較旋切式取孔機與人工挖孔取土兩者對灌砂法壓實度濕密度檢測結果的影響（挖孔方式直接影響濕密度從而影響壓實度，而與土樣含水率并無直接影響）[5]。

3.2 對比試驗數據

表1 人工挖孔灌砂法濕密度檢測數據

表2 機械自動成孔濕密度檢測數據

根據上表與上圖的數據分析得到，采用人工取土與旋切式機器取土兩者在同一檢測位置得到的濕密度存在差別，最大誤差為0.04g/cm3，超過規定要求的平行檢測差值不得大于0.03g/cm3的要求，但僅為極個別數據，大部分數據均在規范要求的范圍內，兩者濕密度檢測數據存在差別的主要原因分析有：人工挖孔孔經往往越往下越少，實際到了測試孔的底部孔徑沒有15cm（現場試驗人員按照以往的經驗現場檢測，為保證人工檢測壓實度的真實情況，未對此進行干入），因此人工挖孔取出的土體重量明顯小于機器挖孔取土的重量。這也是檢測濕密度時存在的差異所在，但以旋切式方法來替代人工挖孔在精確度上（平行檢測小于0.03g/cm3）保證率在90%以上。

為進一步驗證旋切式取孔的準確性，為此擴大了檢測樣本數量，再次進行了50個點位的檢測，此次檢測只針對濕密度進行，灌砂方式全部采用人工進行。經統計50組數據僅有2組的差值超過0.04g/cm3，其余各組的差值均在0.03g/cm3之內，滿足規范要求，說明在樣本容量擴大后旋切式取孔方式的準確性更為溫定，說明機械穩定性的穩定性高，重復性精度高。

4 結論

本文研究了一種灌砂法路基壓實度快速成孔檢測的自動化裝置，具有60s快速完成檢測成孔且自動完成土樣收集的功能，較之人工挖孔檢測效率可提高10倍左右，而且勞動強度得到了很大程度的降低。

為驗證旋切式取孔機的適用性，現場與傳統的人工挖土檢測方式進行了準確度比對試驗。通過對60組對比試驗得到的濕密度數據比較分析表明：兩種不同的成孔方式平行檢測試驗得到的濕密度差別超過0.03g/cm3的情況約小于5%（60組中僅為2例），說明采用旋切式取孔方式代替人工挖孔的方式是完全可行的，準確度的保證率在95%以上。