SDG密度仪填土压实度检测试验

顾欢达，杜智亮，薛国强，胡 舜

(1.苏州科技学院土木工程学院，江苏苏州215011;2.常熟市住建局，江苏苏州215500;3.常熟市工程质量检测中心，江苏苏州215500)

0 引言

在道路、堤坝及人工地基等工程领域，通过压实填土形成地基或构筑物是常用的方式。为了保证压实填土或构筑物的稳定性及减小变形，控制压实填土的密实度是关键。在压实填土施工中，填土密实度测试是填土压实质量控制的一项重要内容。目前，工程上填土密度测试常用的方法主要是体积质量方法，包括灌砂法、环刀法等，此类方法的特点是现场测试填土的体积与质量，再结合室内试验确定被测填土的干密度。传统方法操作简单、结果可靠，但也有实时性差、效率低、测点分布密度小，测试数据代表性不高等缺点，开发具有实时性、能快速可靠进行现场填土密度测试的方法是目前研究开发的主要方向，较早提出应用的无损快速检测技术如核子密度仪［1-3］，其主要问题是操作的安全性问题，李少波等研究了剪切波测试技术［4］，李青山、刘长发等考察了基于瑞雷波原理的压实度测试方法［5-6］，盛安连、顾炳其等则对振动检测技术进行了研究［7-8］。但是，以上技术由于技术要求高、操作过程复杂或者安全性要求高等原因，在实际工程中并没有得到比较普遍的应用。SDG密度仪是一种基于电磁学原理开发的填土密度检测仪，通过电磁感应场对材料基质电化学阻抗的变化响应来达到无损密度检测目的。事实上，由于空气的介电常数比土体中固体颗粒的介电常数低，土体压实度提高后，土体中孔隙体积减小，也就伴随着土体中空气体积缩小，导致测试到的综合介电常数提高。SDG密度仪通过内置数据处理器将测试数据经计算得到填土的密度、压实度及土体含水率等指标，以实现对现场填土密度的实时快速无损检测，利用检测实时性及时反映填土的压实质量，为填土质量实时控制提供必要的条件;同时利用其无损性提高检测效率。

SDG密度仪作为填土密度无损检测新技术，除了具有实时、快速、安全性高等特点以外，还有携带操作简便、数据存储容量大及可重复测试等优点，对于提高诸如路基、堤坝及其他填土工程的压实度检测效率及现场质量控制水平是十分有利的。但是，目前存在的问题主要有以下3方面:①SDG密度仪填土压实度检测技术的开发及国内引进时间都比较短，目前为止尚未有比较多的工程使用积累及经验［9］;②对密度测试仪本身的性能及适用性了解不深;③尚未建立能用于工程质量检测的技术标准及要求。由于上述原因，限制了该项技术在工程中的实际应用。为此，需要通过大量的基础研究及数据积累，掌握测试仪本身的性能及适用性，同时进行合理科学的效果评价，为进一步建立现场测试技术标准和方法确立必要的理论和技术依据。在此，主要是以技术应用为目的，结合常熟市长江路耿泾塘桥改造工程的路基压实度检测项目，通过现场与室内模拟试验相结合的方法，对SDG密度仪填土压实度测试的适用性进行研究。

1 SDG密度仪简介及前置参数

SDG密度仪基于电磁学原理采用电化学阻抗图谱技术，通过电磁感应场对材料基质电化学阻抗的变化响应达到填土无损检测目的。测试仪本身主要由传感器及显示存储处理器等两个部分组成。测试时将其置于被测压实填土上，对于每一个测试点，为了提高测试数据的准确性及可靠性，按一定顺序改变测试位置并分别进行测试(图1)，5次测试完成后数据处理器自动计算并显示该测试点的填土压实度数据。根据密度仪的性能，测试仪可以测试深度30 cm，直径28 cm范围内的压实填土密度等。

图1 SDG密度仪测试步骤Fig.1 Testing steps of soil density gauge

为了满足实时性要求，测试前需要预先输入被测土体的前置参数，主要包括最大干密度、最优含水量、土的塑液限指标、土的颗粒分布参数等。本次试验包括室内模拟压实试验及现场试验，其中室内试验为素土，现场压实填土分别为7%灰土及10%灰土，依据JTG E 40—2007《公路土工试验规程》对试验用土实施预备试验，得到不同土类的前置参数见表1，不同土类的颗粒分布曲线见图2。根据预备试验结果可知，3种土的塑性指数IP均大于10，颗粒分布以粒径小于0.075 mm的细粒土为主，因此，室内试验用土及现场压实填土均属于黏性土类。

表1 试验中不同土类的前置参数Table 1 Preset parameters of different kinds of soil in tests

图2 土的颗粒分布曲线Fig.2 Soil grain gradation curves

2 试验方法

SDG密度仪填土压实度试验内容主要包括现场及室内模拟试验两部分。现场试验选择正在施工中的路基填土分别用SDG密度仪及灌砂法进行对比试验，其中7%灰土路基选择6个测点，10%灰土路基选择15个测点分别实施密度测试。在用SDG密度仪进行测试过程中，每个测试点实施不少于3次的重复测试，取其平均值作为测试值。图3为SDG密度仪现场测试情况。

图3 SDG密度仪的现场测试Fig.3 Site testing of soil density gauge

室内试验主要是利用土槽模拟压实填土条件，在不同条件下用SDG密度仪测试填土密度，同时用环刀法测试填土密度进行对比。土槽尺寸45 cm×45 cm×30 cm(图4)，试验过程中为了控制模拟压实填土的密度及含水率，先按设定含水率制备土样，然后按设定的密度条件分3层将一定量的制备土样用击锤通过夯击的方式填入土槽，严格控制每层填土的体积，以控制填土密度满足设定的密度条件。

图4 SDG密度仪室内试验土槽Fig.4 Lab testing of soil density gauge

3 试验结果与分析

3.1 填土密度测试的对比分析

为了检验SDG密度仪作为填土压实度检测的可靠性与稳定性，利用室内模拟压实填土试验及现场测试，对SDG密度仪测试结果与常规测试法所得到的结果进行对比分析。在室内模拟填土试验中，先按干密度1.55 g/cm3、含水率17%在土槽中形成模拟压实填土，然后分别用SDG密度仪及环刀进行填土的密度测试。为了检验SDG密度仪的可靠性，在同样条件下用SDG密度仪对模拟压实填土进行多次重复测试，用环刀测试填土密度时，为确保测试值的准确性，分别按上中下3层测试填土的密度，然后取其平均值作为模拟压实填土的密度值。根据图5显示的测试结果，SDG密度仪测试的模拟压实填土干密度均值为1.597 g/cm3，环刀测试干密度为1.554 g/cm3，SDG密度仪测试均值略大于环刀测试值，两者的相对偏差率为2.8%(相对偏差率定义为两者的差值与环刀测试值之比)，从各次测试的离散情况看，大部分SDG密度仪测试值与均值之间的偏差率小于3%，而SDG测试值与环刀测试值之间的偏差率基本上都小于5%。以上重复测试结果说明，在室内模拟压实填土条件下，SDG密度仪测试干密度值与填土实际干密度比较接近，多次重复测试值也基本上位于均值附近，离散性不明显。

图5 室内模拟压实填土密度测试值Fig.5 Compacting embankment density in lab tests

为了更进一步说明问题，在改变模拟填土条件下重新进行测试，此时模拟填土设计干密度1.62 g/cm3，设计含水率19%，经重复14次测试的模拟填土干密度情况见图6。密度仪测试均值为1.629 g/cm3，环刀测试值为 1.616 g/cm3，偏差率为0.8%，SDG测试值与均值或环刀测试值之间的偏差率基本上小于3%。以上室内模拟试验结果显示，在实验室模拟压实填土条件下，利用SDG密度仪进行压实填土的密度测试，具有比较好的可靠性与准确性，SDG密度仪体现出填土密度测试的实时性、准确性及快速性等特点。

图6 室内模拟压实填土密度测试值Fig.6 Compacting embankment density in lab tests

为检验SDG密度仪在不同条件下测试结果的可靠性，在室内模拟压实填土试验基础上，进一步进行了现场压实填土的SDG密度仪测试。现场选择已完成施工的道路基层进行测试，填土条件分别为7%及10%灰土，各项土质参数见表1。作为对比试验，现场同时进行灌砂法试验。图7显示为10%灰土层的SDG测试及灌砂法测试结果，根据15个测点的对比试验，密度仪测得的干密度均值为1.504 g/cm3，灌砂法测到的干密度均值为1.497 g/cm3，偏差率0.47%。两种方法测试得的均值很接近，SDG密度仪测得的干密度值比较可靠地反映了灰土层的实际压实情况。从各测点的离散情况看，密度仪测得的各测点测试值与均值之间的偏差率基本上小于5%，平均绝对偏差率为1.63%，而灌砂法各测点测试值与均值之间的偏差率除个别测点外基本上小于5%，平均绝对偏差率为3.29%，可以认为两种测试方法其测试值的离散程度也是比较接近的。

图7 现场10%灰土压实填土密度测试值Fig.7 Compacting embankment of 10%lime soil in site tests

图8显示7%灰土层的对比试验结果。可以看出，密度仪测试干密度均值1.745 g/cm3，灌砂法测试干密度均值1.426 g/cm3，两者出现比较明显的差异，偏差率达到22.4%，而观察密度仪法及灌砂法密度测试值的离散情况，与各自均值相对应的平均绝对偏差率均未超过3%，各测点的测试值比较接近，可以认为两种方法所反映出来的测试数据差异是由于SDG密度仪本身的系统性误差引起的。

图8 现场7%灰土压实填土密度测试值Fig.8 Compacting embankment density of 7%lime soil in site tests

综上所述，在适合的条件下，SDG密度仪填土密度测试值具有比较好的可靠性及准确性，但是，若填土条件出现超出其适用范围，则密度仪密度测试值会出现比较明显偏差。

3.2 SDG密度仪的适用性探讨

根据室内及现场对比试验结果，可以认为在用SDG密度仪进行填土密度测试时，存在一定的适用条件或范围，在满足条件或适用范围的情况下，密度仪能获得比较好的测试效果，否则会出现比较明显的误差而难以反映填土的实际密度状态。结合室内模拟试验结果考察填土的SDG密度仪测试密度与实测密度之间的关系(图9)，可以看出室内模拟压实填土及现场10%灰土测试值基本上处于对角线附近，而现场7%灰土测试值明显位于对角线上方。说明前者两种方法得到的测试值比较接近，而后者密度仪测试值明显大于实测值。

图9 实测干密度与SDG测试干密度Fig.9 Measured dry density versus SDG measured dry density

进一步考察室内模拟填土及现场填土的测试条件，主要有两个方面值得注意:①对于室内模拟填土及现场10%灰土层，其实测干密度均值为1.531 g/cm3，而现场7%灰土层的实测干密度均值为1.43 g/cm3，前者明显大于后者，即前者填土的密实程度要高于后者。说明SDG密度仪填土密度测试对填土本身的密实程度具有一定的依存性;②用密度仪进行测试的过程中可同时测试填土的含水率。根据密度仪测试的填土含水率数据分析，可以发现当密度仪测得的填土密度与实测填土密度出现较大偏差时，密度仪测试的填土含水率与填土实测含水率也会出现比较明显的偏差(图10)。

图10 实测含水率与SDG测试含水率Fig.10 Measured water content versus SDG measured water content

从图10中可以看出，现场10%灰土层及室内模拟填土的含水率数据点基本上位于对角线附近，而现场7%灰土层的数据点明显偏离对角线且位于其上方，说明引起密度仪干密度测试值与填土实测干密度之间差异的主要原因是密度仪测试的填土含水率与实际填土含水率存在偏差。

根据室内及现场SDG密度仪填土密度测试数据分析，在密度仪测试的含水率比较接近于填土实际含水率时，则密度仪测到的填土干密度与填土实际干密度比较接近;反之，当密度仪测的填土含水率与填土实际含水率之间出现明显偏差时，密度仪测得的填土干密度与填土实际干密度之间也会出现比较明显的偏差。图11反映了密度仪测得的填土干密度偏差率与含水率偏差率之间的相关关系。可以看出，SDG密度仪测试干密度偏差率与测试的含水率偏差率之间基本上是正相关的关系，即在用密度仪进行填土干密度测试时其测试含水率的偏差与测试填土干密度偏差是密切相关的。另外，从图11中可以看出，所有数据点基本位于对角线下方，说明在一般情况下SDG密度仪测的填土干密度偏差程度要低于其含水率偏差程度。

图11 干密度偏差率与含水率偏差率Fig.11 Dry density deviation ratio versus water content deviation ratio

基于SDG密度仪密度测试原理，主要是利用不同介质中的介电常数变化反映填土孔隙特征并据此换算密度指标。根据压实填土状态，一般处于不饱和状态，即填土孔隙中同时存在空气与水，其中水的含量与填土本身调整含水率有关。由于填土的不饱和性质，实际上填土含水率变化与填土孔隙体积变化并不存在对应关系，填土含水率仅反映填土的饱和程度。在SDG密度仪密度测试过程中，对于填土密度较小，即填土中孔隙体积占比较大且饱和度不高的情况下，依据介电常数的变化及电阻抗反应谱的概念用SDG密度仪测得的填土含水率要明显高于填土实际含水率，且由此换算出的填土湿密度也相应增大。从图12可以看出，SDG密度仪测得填土湿密度与其测得填土含水率基本上存在线性比例关系，说明密度仪测得填土含水率高，即意味着其测得填土湿密度也相应提高，而实际填土由于密度小，土体内部孔隙体积明显增大引起的介电常数发生明显变化，并不意味着填土含水率提高或湿密度的增加。这就导致SDG密度仪测试干密度与填土实际干密度产生了比较明显的差异。以上结果说明，用SDG密度仪测试填土压实度具有一定的适用范围，根据现有的试验结果，室内模拟填土及现场10%灰土层的实测平均干密度为1.531 g/cm3，而现场7%灰土层的实测平均干密度为1.43 g/cm3，因此，可以认为当填土实际干密度大于1.5 g/cm3时(图9)，SDG密度仪的干密度测试值与填土实际干密度比较接近。在实际应用过程中需要进一步累积测试数据，对由此所产生的系统误差考虑适当的修正方法以提高SDG密度仪的测试精度及可靠性。

图12 SDG测试含水率与SDG测试湿密度Fig.12 SDG measured water content versus SDG measured moisture density

为了考察SDG密度仪对于不同土类的适用性，在密度仪输入前置参数中调整土的输入塑液限指标从而调整土的塑性指数。在土的分类原则中常用土的塑性指数IP作为黏性土的分类标准，若细粒土的塑性指数IP＞10，常将其定义为黏性土。因此，在室内模拟填土试验中，通过调整输入的塑液限值来调整土的塑性指数并用SDG密度仪进行填土的密度测试。图13为SDG密度仪输出的填土含水率随塑性指数的变化情况，图中虚线所指的是土的实测塑液限值。

图13 SDG测试含水率与输入塑液限指标Fig.13 SDG measured water content versus input plastic limit and liquid limit

根据图13测试结果可以观察到，无论是固定塑限值同时增大液限值还是固定液限值同时减小塑限值，只要满足根据塑液限值所确定的塑性指数IP大于土的实际塑性指数值条件，输入塑液限值的大小对填土含水率的输出结果没有影响。由此同样可以得到如图14的结果，即在满足上述条件的情况下，SDG密度仪输出的填土干密度值几乎不变，与输入塑液限的取值无关。

图14 SDG测试密度与输入塑液限指标Fig.14 SDG measured density versus input plastic limit and liquid limit

若以塑性指数为横坐标，进一步考察SDG密度仪输出的填土含水率值及干密度值随塑性指数的变化情况(图15、图16)，则可以观察到，只要输入的塑性指数IP值满足大于10的条件，则SDG密度仪输出的填土含水率值与干密度值与输入的塑性指数无关，而当由塑液限值确定的塑性指数小于10时，SDG密度仪输出的含水率值与干密度值将出现明显的差异。

图15 SDG测试含水率与输入塑性指数Fig.15 SDG measured water content versus input plasticity index

图16 SDG测试密度与输入塑性指数Fig.16 SDG measured density versus input plasticity index

根据以上的考察，可以认为SDG密度仪适合于由黏性土构成的压实填土的密度测试，而对于塑性指数小于10的非黏性土填土，SDG密度仪的使用将会受到限制。

4 结语

根据室内模拟填土及现场填土试验，对SDG密度仪用于填土压实度测试的适用性及可靠性进行了研究，研究结果主要有以下几方面:

1)SDG密度仪在用于压实填土的密度或压实度测试时，能满足现场快速、实时、无损检测的目的，SDG密度仪本身具有比较良好的稳定性，在同样条件下所得测试值的离散性比较小、重复测试时的再现性比较好，可以满足填土压实度测试的可靠性及稳定性要求。

2)压实填土自身的密度条件对SDG密度仪密度测试值的准确性会产生影响，若填土密度过小，尤其是当填土干密度明显小于1.5 g/cm3时，SDG密度仪的干密度测试值与填土实际干密度之间会产生比较明显的差异，其原因主要是由于SDG测试的填土含水率与填土的实际含水率之间存在明显的差异，当填土干密度接近或大于1.5 g/cm3时，SDG密度仪填土干密度测试值与填土实际干密度值比较接近，具有比较好的准确性。

3)根据试验结果分析，SDG密度仪填土压实度测试基本上适合于塑性指数大于10的黏性填土条件，对于不满足塑性指数大于10的非黏性填土，SDG密度仪的填土干密度测试值与实际填土干密度相比较会出现明显的差异。

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