基于最小二乘法的路基压实度检测方法相关性研究

刘金修， 童申家， 王　乾

(西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安　710055)



基于最小二乘法的路基压实度检测方法相关性研究

刘金修， 童申家， 王乾

(西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安710055)

[摘要]压实度作为评价道路路基施工质量的重要指标之一，其检测方法是影响该指标的重要因素，采用4种不同压实度检测方法对试验路段路基进行平行检测，以灌砂法作为标准测定方法，按最小二乘法对检测结果进行回归，建立相关函数，分析其相关性和差异性，通过分析得出：核子密度仪法检测结果相关系数大于0.9，可以作为工程质量评定与验收依据；灌砂法与核子密度仪法配合使用，既可以提高检测的效率，又能够对检测结果随时进行比较，提高检测质量与精度，为路基压实度快速测定提供参考。

[关键词]压实度； 道路路基； 检测方法； 相关性

1概述

在道路工程施工中，路基压实是至关重要的一道工序，压实度不仅是判定工程质量优劣的一个重要指标，也是保证道路有足够强度和耐久性的关键因素[1，2]。目前，国内外测定路基压实度的方法有很多，如：环刀法、灌砂法、核子密度仪法以及落锤频谱式路基压实度快速测定仪法(LY—I仪)等[3-7]。针对其不同检测方法的研究成果主要有：赵桂娟、冯瑞等[8-11]做了不同压实度检测方法之间的对比分析，表明无核面密度仪法测定结果与灌砂法相关性较差，结果存在偏差；虽然灌砂法是测定压实度的标准方法，但因操作步骤繁多，使其工作效率偏低，在检测数量较多而时间有限的情况下，不能很好的完成检测任务。因此，本文基于提高路基压实度检测质量与效率，以渭河户县段堤顶面道路工程为依托，系统研究不同压实度检测方法与灌砂法在现场施工质量控制中的相关性和适用性，提出了既能保证压实度检测质量又能提高检测效率的检测方法，为路基压实度现场快速检测提供参考。同时，进一步验证核子密度仪法检测结果可以作为工程质量评定与验收依据的合理性与正确性。

2路基压实度现场检测方法

目前工程中测定路基现场碾压后的压实度主要有灌砂法、环刀法、核子密度仪法以及落锤频谱式路基压实度快速测定仪法(LY—I仪)等，现选取某工程试验路段K0+060至K0+340段采用不同压实度检测方法进行现场压实度检测，现将各方法的检测结果和适用性叙述如下：

2.1灌砂法

灌砂法是当前国内现场检测路基压实度最常用的方法，其主要适用于现场测定基层或底基层的砂石路面及路基土的各种材料压实层的检测，但对于有填石路堤等有大孔洞或大孔隙材料压实层的压实度检测不适用。由于其现场操作的可控性、检测结果的准确性而得到各方的认可，被广泛地应用于实际工程中。本试验路段(原状土)采用灌砂法检测结果见表1。

表1 试验段路基压实度检测结果(灌砂法)Table1 Testsectionsubgradecompactiondetectionresults(sandreplacementmethod)测点桩号/m灌砂前筒+砂重/(m1·g-1)灌砂后筒+砂重/m3·g-1)灌入试坑砂重/(m4·g-1)锥体内砂重/(m2·g-1)试坑体积/cm3试样重(mw·g-1)湿密度ρw/(g·cm-3)含水量ω/%干密度ρd/(g·cm-3)压实度K/%K0+060900036914493816310160981.9712.11.7596.4K0+080900035734611816318263982.0111.71.8098.9K0+100900038554329816298858791.9712.61.7596.0K0+120900033384846816334462861.8811.11.6993.0K0+140900034424742816327363811.9512.61.7395.1K0+160900037664418816304959851.9611.91.7596.4K0+180900034424742816327362041.9012.11.6992.9K0+200900041034081816281656192.0011.41.7998.4K0+220900037314453816307358551.9110.71.7294.6K0+240900035764608816318061721.9411.91.7395.3K0+260900037924392816303158211.9211.51.7294.6K0+280900040864098816282856832.0112.21.7998.4K0+300900038814303816297057181.9311.81.7294.6K0+320900036164568816315361761.9611.61.7696.5K0+340900040364148816286356891.9911.11.7998.3

2.2核子密度仪法

核子密度仪法是利用放射性元素来测定路基或者路面材料的密度和含水量。由于其需要不定时进行标定且放射性元素对人体有害，在我国以往的公路工程中核子密度仪法仅作为施工质量控制参考依据使用，而不能作为工程验收评定或者质量仲裁的依据。但在新的《公路路基现场测试规程》(JTG E60-2008)[12]中把核子密度仪法在公路工程中测定的压实度结果作为质量评定依据，加之该方法具有操作高效、便捷的特点，现在逐渐广泛用于施工现场压实度的施工控制和快速评定。本试验路段(原状土)采用核子密度仪法检测结果见表2。

2.3环刀法

环刀法主要适用于测定细粒土及无机结合料稳定细粒土样的密度和含水率，但对碾压完成龄期不超过2 d的无机结合料稳定细粒土宜用于施工过程中的检验，其在现场测定压实度时应使所得密度能够代表整个碾压层的平均密度。此外，测定试样的含水率时应取环刀内全部试样采用烘干法来测定，不提倡采用酒精燃烧法，尤其当试验结果作为质量评定的依据时。本试验路段(原状土)采用环刀法检测结果见表3。

表2 试验段路基压实度检测结果(核子密度仪法)Table2 Testsectionsubgradecompactiondetectionresults(nucleardensityinstrument)测点桩号/m湿密度ρw/(g·cm-3)含水量ω/%干密度ρd/(g·cm-3)最大干密度ρc/(g·cm-3)压实度K/%K0+0601.94111.71.741.8295.5K0+0801.98711.21.791.8298.2K0+1001.94512.11.741.8295.3K0+1201.86711.11.681.8292.3K0+1401.95212.41.741.8295.4K0+1601.94511.81.741.8295.6K0+1801.90511.71.711.8293.7K0+2001.97111.11.771.8297.5K0+2201.87710.51.701.8293.3K0+2401.94611.71.741.8295.7K0+2601.90511.21.711.8294.1K0+2801.98311.81.771.8297.5K0+3001.90911.61.711.8294.0K0+3201.94711.31.751.8296.1K0+3401.97310.91.781.8297.8

表3 试验段路基压实度检测结果(环刀法)Table3 Testsectionsubgradecompactiondetectionresults(cuttingringmethod)测点桩号/m湿密度ρw/(g·cm-3)含水量ω/%干密度ρd/(g·cm-3)最大干密度ρc/(g·cm-3)压实度K/%K0+0601.9712.11.751.8296.4K0+0802.0111.61.801.8298.7K0+1001.9712.71.741.8295.8K0+1201.8710.91.681.8292.5K0+1401.9512.41.741.8295.5K0+1601.9711.91.761.8296.6K0+1801.9012.31.691.8293.0K0+2001.9911.41.781.8297.9K0+2201.9111.01.721.8294.8K0+2401.9311.81.731.8295.1K0+2601.9511.61.751.8296.2K0+2802.0112.31.791.8298.2K0+3001.9311.91.731.8295.0K0+3201.9511.51.751.8296.0K0+3401.9711.01.781.8297.6

2.4落锤频谱式路基压实度快速测定仪(LY-I仪)

落锤频谱式路基压实度快速测定仪(LY—I仪)是利用落锤从恒等高度落下使土体产生反弹力，并通过低频测出土体响应值，进而得到压实度的检测仪器[13-15]，其测定过程既不需要挖坑也不需要测出

试样的含水率。但LY—I仪在检测前需要在实验室内对路基压实度曲线进行标定，标定时需要选择现场具有工程代表性的土样。本试验路段(原状土)采用LY—I仪法检测结果见表4。

表4 试验段路基压实度检测结果(LY—I仪)Table4 Testsectionsubgradecompactiondetectionresults(LY—Imethod)测点桩号/m测值/%第一次第二次第三次平均值压实度/%K0+06095.496.795.295.895.8K0+08097.997.497.697.697.6K0+10094.795.895.395.395.3K0+12092.991.294.592.992.9K0+14098.592.795.495.595.5K0+16094.397.296.295.995.9K0+18092.389.594.192.092.0K0+20096.598.395.296.796.7K0+22091.194.493.893.193.1K0+24094.594.392.793.893.8K0+26097.193.692.594.494.4K0+28097.196.399.297.597.5K0+30094.592.395.194.094.0K0+32096.295.496.195.995.9K0+34096.997.897.497.497.4

3路基不同压实度检测方法结果及相关性分析

为系统分析不同检测方法之间的相关性与差异性，将试验段(原状土)路基不同压实度检测方法结果汇总见表5。

表5 试验段路基不同压实度检测方法结果汇总表Table5 Differentcompactnesstestingmethodstestsectionofsubgraderesultssummary测点桩号/m灌砂法核子密度仪法环刀法LY-I仪湿密度/(g·cm-3)含水量/%干密度/(g·cm-3)压实度/%湿密度/(g·cm-3)含水量/%干密度/(g·cm-3)压实度/%湿密度/(g·cm-3)含水量/%干密度/(g·cm-3)压实度/%压实度/%K0+0601.9712.11.7596.41.94111.71.7495.51.9712.11.7596.495.8K0+0802.0111.71.8098.91.98711.21.7998.22.0111.61.8098.797.6K0+1001.9712.61.7596.01.94512.11.7495.31.9712.71.7495.895.3K0+1201.8811.11.6993.01.86711.11.6892.31.8710.91.6992.892.9K0+1401.9512.61.7395.11.95212.41.7495.41.9512.41.7495.595.5K0+1601.9611.91.7596.41.94511.81.7495.61.9711.91.7696.695.9K0+1801.9012.11.6992.91.90511.71.7193.71.9012.31.6993.092.0K0+2002.0011.41.7998.41.97111.11.7797.51.9911.41.7897.996.7K0+2201.9110.71.7294.61.87710.51.7093.31.9111.01.7294.893.1K0+2401.9411.91.7395.31.94611.71.7495.71.9311.81.7395.193.8K0+2601.9211.51.7294.61.90511.21.7194.11.9511.61.7596.094.4K0+2802.0112.21.7998.41.98311.81.7797.52.0112.31.7998.297.5K0+3001.9311.81.7294.61.90911.61.7194.01.9311.91.7395.094.0K0+3201.9611.61.7696.51.94711.31.7596.11.9511.51.7596.095.9K0+3401.9911.11.7998.31.97310.91.7897.81.9711.01.7897.697.4max2.0112.61.8098.91.98712.41.7998.22.0112.71.8098.797.6min1.8810.71.6992.91.86710.51.6892.31.8710.91.6992.892.0平均值1.9511.81.7596.01.93711.51.7495.51.9511.81.7596.095.2标准差0.040.540.041.920.040.490.031.740.040.550.031.731.77变异系数2.054.602.042.001.904.281.831.831.884.641.801.801.86

以灌砂法作为现场压实度检测与评定的标准方法，将其他压实度检测方法与灌砂法采用最小二乘法进行回归标定，含水率测定方法均采用烘干法。假设不同压实度检测方法各参数之间存在线性相关关系，则可以设：

Y=α+βX

(1)

(2)

(3)

式中：X为灌砂法所测数据；Y为其他试验方法所测数据；n为所测点数，α、β为回归系数。其相关关系见表6。

表6 灌砂法与其他试验方法所测参数间的相关关系Table6 Sandreplacementmethodwithothertestmethodscorrelationbetweenthemeasuredparameters试验方法对比参数线性回归方程相关系数(R2)压实度y=0.868x+12.1710.913核子密度仪法含水率y=0.877x+1.1720.934湿密度y=0.872x+0.2330.905干密度y=0.852x+0.2680.914压实度y=0.869x+12.5920.905环刀法含水率y=0.929x+0.8470.918湿密度y=0.887x+0.2200.897干密度y=0.847x+0.2670.895LY—I仪压实度y=0.881x+10.6440.910

不同压实度检测方法参数结果统计散点图如图1所示。

通过分析表5、表6和图1可以得出以下结论：

① 核子密度仪法测定的压实度结果与灌砂法相关性较好，说明其检测数据是可靠的，同时也进一步验证了核子密度仪法检测结果可作为工程质量评定与验收依据的合理性与正确性。因此，核子密度仪只要经过准确的标定并与灌砂法进行比对试验相关系数符合要求后就可以在平时检测中广泛应用。

② 环刀法测定结果与灌砂法的相关性较好，两者的含水率存在略微偏差，但变化趋势一致，这是因为在取样时间和方法上的不同造成的。因此，在采用环刀法进行压实度检测时，只要使环刀取土刚好代表碾压土层中部，并及时测定土样的含水率，则环刀法测定结果与灌砂法相当。

③LY—I仪测定结果与灌砂法相关性较好，结果相对稳定，具有一定的一致性，但与其他方法的检测结果趋势存在细微差异。由于其检测过程中不需要挖坑，不需测定土样的含水率、湿密度等，试验检测过程和结果比较客观，但其对路基填料的适用性和准确性仍需要进一步探讨和验证。

图1　不同压实度检测方法参数结果统计散点图Figure 1　Different degree of compaction detection results of statistical parameters scatterplot

4结语

① 经对比分析认为核子密度仪法通过与灌砂法进行标定，其检测结果可作为工程质量评定与验收依据，是目前比较高效、准确的压实度检测方法。

② 根据试验路段压实度实测数据，对压实度不同检测方法的数据采用最小二乘法进行回归标定，建立相关函数，得到相关关系，分析比较了不同压实度检测方法的适用性、相关性、可靠性及优缺点。

③ 灌砂法与核子密度仪法配合使用，既可以提高检测的效率，又能够对检测结果随时进行比较，提高检测质量与精度，收到事半功倍的效果。

④ 此外，当前不断涌现出新的压实度检测方法，如瑞雷波、探地雷达、路基压实度检测仪ICCC等，但其适用性、可靠性和经济性还需与灌砂法等进一步比较验证。

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Research on Subgrade Compaction Correlation Detection Method Based on Least Squares Method

LIU Jinxiu, TONG Shenjia, WANG Qian

(School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology ,Xi’an， Shanxi 710055, China)

[Abstract]One of the important indicators for evaluating the degree of compaction of road subgrade construction quality, the detection method is an important factor affecting the index, the paper mainly uses four kinds of different detection methods to test the degree of compaction road subgrade parallel detection, with sand filling method as a standard measurement method, according to the least squares regression method on the test results, establish related functions, analyze the relevance and difference, the conclusions are as follows: test results nuclear density instrument correlation coefficients greater than 0.9, can be used as basis for engineering quality assessment and acceptance ; sand replacement method used in conjunction with the nuclear density gauge method can not only improve the efficiency of detection, but also to compare the test results at any time, to improve the quality and accuracy of detection and provide reference for rapid determination of subgrade compaction.

[Key words]compactness; road subgrade; detection method; correlation

[中图分类号]U 416.03

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0056—05

[作者简介]刘金修(1989—)，男，山东滨州人，硕士研究生 ，从事道路工程研究。

[基金项目]交通运输部西部建设科技项目(20113187721260)；国家自然科学基金青年科学基金项目(51408480)

[收稿日期]2015—02—02