土体密度现场检测方法概述

吴 琼 王海明

建设与施工

土体密度现场检测方法概述

吴 琼 王海明

水库和堤防是我国防洪抗旱减灾体系的重要组成部分，是抵御洪水泛滥、保护居民和工农业生产安全的重要基础设施。土方工程中土体的填筑密度是影响工程安全运行的关键因素之一，是引起滑坡、渗透破坏的直接原因之一。土体密度小，颗粒之间不能紧密排列，土体的凝聚力越低，削弱了土体的抗剪能力；另外，土体颗粒之间易形成渗流通道，引起土体流失，使堤防产生渗透破坏，甚至出现水库溃坝、堤防决口等重大工程事故，如1998年长江堤防百分之六十以上事故为渗透破坏。如何检测大坝和堤防填筑土体的密度，是评定土方填筑质量的重要依据。本文系统介绍了目前工程中常用的土体密度检测技术方法的技术原理、适用范围和特点，并提出了今后水利工程土体密度现场检测技术发展方向。

一、检测方法

堤防工程、土石坝工程、公路工程、铁路工程和建筑工程均涉及到土方填筑问题，由于特有的行业特点，不同工程的土方填筑质量检测方法略有不同，常用的有环刀法、灌水法、灌砂法、核子密度仪法等，表1为不同行业规范推荐的土体密度现场检测方法。

土体密度现场检测方法根据检测过程中是否破坏被测土层结构分为破坏性检测方法和非破坏性检测方法。破坏性检测方法主要包括环刀法、灌砂法、灌水法、气囊法、电动取土器法等；非破坏性检测方法主要包括核子密度仪法、MDI无核密度仪法、表面波压实密度仪法等。

二、破坏性检测方法

破坏性试验检测方法是指在测量土层的密度和含水量之前，需要对被测量层进行一定程度的破坏，以采取样品进行检测。

1.灌砂法

灌砂法是根据均匀颗粒（或单一颗粒）砂，由一定高度下落到规定容积的筒或洞内单位质量不变的原理计算试洞体积。根据称取土样质量与体积的比值计算被测土层的密度。

操作步骤为：将试验处面积约40cm×40cm的一块地面铲平，除去表面松散土层；用工具下挖至规定的深度（通常等于碾压层厚度），边挖边将坑内的试样装入盛土器内，盖紧瓶盖，称取试样质量，并取部分有代表性的样品进行含水率试验；将容砂瓶倒置于挖好的坑口上，打开阀门，使砂注入试坑，直至注满试坑时关闭阀门，计算注满试坑所用标准砂的质量。

2.灌水法

灌水法与灌砂法操作步骤基本相同，不同点在于灌水法是利用水量取试洞体积。其方法为用塑料薄膜沿坑底、坑壁密贴铺好，将水注入由薄膜形成的袋中直至水面与套环边缘齐平，通过计算注水质量确定试洞体积。

3.气囊法

气囊法是中铁第五勘察设计院集团有限公司2001年研制的新型现场密度试验方法，是依据物理学波义尔定律，即在一定温度下，密闭容器内气体压强与气体体积乘积为一常数的原理，来测定开挖试坑体积。试坑的开挖和试样称量与灌砂法相同。气囊法测试结果与灌砂法接近、比灌水法高，测试时间比灌砂法、灌水法少。但该方法受温度影响大，测试过程中温度的变化会使测试结果出现一定偏差，在坑壁与外界温度相差较大时不宜采用。

4.环刀法

环刀法是采用定体积环刀测定试样重量，进而计算其试样密度的一种方法。测试前，应清除表面松软土层，并将压实土层铲平；根据土质干湿和紧密程度，选用直接压入法、落锤打入法或手锤打入法将环刀压入或打入土中；然后将环刀及土样挖出，分别称量环刀与湿土重量和环刀重量，选取有代表性的试样进行含水率试验。

环刀法是根据早期土方施工方式提出来的一种土方填筑质量检测方法，虽然检测过程中破坏土层结构，但一定程度上客观反映了土体填筑质量。研究表明，土方碾压后，土层的密实度从上到下是依次减小的，顶部密实度大，下部密实度较小。检测过程中若环刀从顶面取样，所得密度将偏大；从底部取样，所得干密度较小。因此，从保障工程安全的角度考虑，规范通常规定在碾压土层厚度的2/3处采集土样检测碾压层填筑质量。

环刀法的破坏性较灌砂法和灌水法较大，适用于细粒土，对于含砾石或碎石的细粒土，测量结果的准确度和精确度较差。

5.电动取土器法

电动取土器法是利用电动仪器代替手工环刀取样的一种测试方法，其原理与环刀法相同，适用于手工取样困难的硬塑性土。

破坏性检测方法是工程中使用广泛，也是最直观的土体密度现场检测方法，具有原理明确，操作简便，易于掌握等特点。其不足之处是破坏了土层结构，土样点少，成果代表性差；如灌砂法、灌水法、气囊法测得的密度是试洞深度范围内的平均密度，而环刀法测得密度仅表示所取土样所在高度范围内土的平均密度，不能代表整个碾压层的平均密度。

三、非破坏性检测方法

非破坏性检测方法是检测过程中对被测土层结构不破坏或破坏程度较小的土体密度检测方法。

1.核子密度仪法

核子密度仪法是利用γ射线通过土体产生的衰减量与土体密度之间的关系，推求土体密度；具有测量速度快、方便、无损、高效特点；适用于施工质量的现场快速评定，不宜用作仲裁试验或评定验收试验。该方法费用高，对环境条件要求高，此外超标的放射性物质对人体有害，一旦发生问题还会对环境造成污染。

2.表面波密度仪法

表面波密度仪法是以表面波理论为依据，用于测试堆石坝碾压压实质量的一种无损方法，具有测试速度快、精度高、安装操作简便、仪器智能化、自动化功能强、现场工作人员易于掌握操作等特点，且仪器为小型便携式，密封结构，电池供电，能适应施工现场工作条件。

3.MDI无核密度仪法

MDI无核密度仪法是20世纪末期基于时域反射法（TDR）原理的一种测量土壤含水率和干密度的方法，利用（脉冲发生器发出的）阶梯式电磁脉冲通过打入土壤中的4根金属钢针的传播时间和采集到的电压信号，经过处理获得土的电介质常数及土体的电导率值，利用专用的软件计算所测土体含水率和密度。该方法的最大优点避免了核子密度仪辐射泄露的危险，缺点是对现场和测试人员操作方面要求较高，测试精度较低、仪器参数对工程技术人员依赖程度高。

非破坏试验检测方法均具有适用范围广、测试速度快、效率高、无损被测结构等优点；但是测试前均需对仪器和相关参数进行标定，且仪器对操作人员和外部环境要求较高。

四、研究方向

近年来，随着国家加大水利工程建设资金投入以及施工技术、机械、施工人员水平的提高，水利工程逐渐向大规模、高标准的方向发展，堤坝的填筑高度由原来的数米转变为现在的十几米甚至几十米，填筑方式由肩扛人抬的传统作业方式过渡到大型压路机、铲运机、挖掘机等先进施工设备，以灌砂法、灌水法、环刀法为代表的破坏性检测方法存在检测效率低、成果代表性差、破坏土层结构等不足，而以核子密度仪法、表面波密度仪法为代表的非破坏性检测方法也存在测试前均需对仪器和相关参数进行标定，以及对仪器对操作人员和外部环境要求较高等局限性，迫切需要检测技术向高效率、智能化、一体化、无损方向发展。

ICCC检测仪法是近年来提出的集传感技术、嵌入式系统、计算机技术于一身的新型车载式无损压实度检测方法，通过检测压实轮加速度幅值变化间接测出土体的压实度。该方法可与压实机具联合使用，能实时、连续监测土体压实情况，但在检测成果可靠性方面仍需要积累大量资料。

五、小结

（1）破坏性试验检测方法，具有原理明确、操作简便、易于掌握等优点，在工程中应用广泛；但破坏了土层结构，测试成果代表性差等缺点。

（2）非破坏试验检测方法具有适用范围广、测试速度快、效率高、无损被测结构等优点；但测试前均需对仪器和相关参数进行标定，对仪器对操作人员和外部环境要求较高。

（3）以ICCC为代表的高效率、智能化、一体化、无损的检测技术是水利工程土体密度现场检测的发展方向

表1 规范推荐的土方压实度检测方法

（作者单位：淮河水利委员会233001）