填方工程压实指标检测技术的综述

李欣欣，王正君，庄晶晶

(黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

填方工程压实指标检测技术的综述

李欣欣，王正君，庄晶晶

(黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

填方工程是道路、桥梁、水利等工程的基础，而填土的压实指标是保证质量的关键，近年来各种工程对于填方工程质量的要求也更加严格。目前压实指标的检测有很多种方法，传统的检测方法大多都费时费力，而且有些方法的操作十分复杂容易精度不够，远远满足不了快速无损检测的要求。本文从检测方法的原理、适用范围、优缺点等方面将国内外常用压实指标检测技术加以分析与比较，对填方工程压实指标检测的研究与发展具有重要意义。

压实度 ；模量；无损检测技术；压实指标

填方工程是道路、桥梁、水利等工程的基础，而填土的压实指标是保证质量的关键，目前填方工程压实指标的检测和评定主要是采用破损法(环刀法、灌砂法及灌水法等)和非破损检测法(目前主要是核子密度仪法)。破损法检测速度慢，对工程有一定的破坏作用，如对检测后的试坑处理不当，则该处将成为填方工程的薄弱环节；核子密度仪法的使用过程比较复杂，价格较高，并且由于存在一定辐射危险，使得其应用推广受到一定的限制。因此，急需一种能够无损、快速评定填方工程压实指标的检测技术。

1 检测方法分类与对比

1.1 破损检测法

目前，施工过程中结构层压实质量的破损检测法主要包括环刀法、灌砂法及灌水法等。

环刀法是测定现场密度的传统方法。由于环刀体积不大，用环刀法测定土的密度，在试验时其数值很容易受到人为因素等情况影响。

灌砂法是当前最常用的一种方法，我国规范中一直沿用灌砂法测压实度以进行路基压实质量控制。灌砂法操作简单，但相比环刀法，他的操作过程较复杂，需要携带大量的砂，而且需要频繁称量，因此试验速度较慢。如果不掌握操作的细节，会使测试结果出现较大的错误，如标准砂要清洁干燥，均匀颗粒，并进行密度校准；检测现场表面应该平整；从试洞中取出的土样应及时密封在塑料袋或容器内。因此，在实际运行中，必须严格控制每一个操作步骤，以满足项目质量的准确评估。

1.2 微破损或者半破损检测法

动态圆锥贯入仪(DCP: Dynamic Cone Penetrometer)，是一种常用的动力触探仪器，在岩土工程勘察中经常用来确定地基承载力，评价土的密实度，以及作为钻探设备在土洞勘察中应用[1]。通常DCP完成一个测点的测试工作只需1～3 min的时间，具有快速方便的优点[2-3]。

填土密实度检测仪，在其他国家也被称为"普氏贯入仪”， 主要用于检测大面积填方工程碾压后密实度和均匀性[4]。选取碾压完的工作面，并在上面钻一个孔，把仪器插入孔中，测试结果就可以显示出来了。它的探测深度为30 cm，最适宜的情况是分层检查分层碾压的填土工程[5]。该仪器按结构分为机械式和电子智能式两种，其测试结果采用贯入度来反映。

综上，采用环刀法时，由于环刀的体积比较小，会使得表面修正和土样的称重过程产生很大的误差，而且环刀法在取土过程中很容易造成误差。灌砂法是在路基试验测量中最常见的一种方法，但是灌砂法也有一定的缺点，这些缺点主要表现在：操作过程和数据会受到人为因素的影响使测量的结果产生很大的误差。DCP通过建立捶击数和密实度关系曲线，推定密实度，但检测时受锤击高度、不同人操作时锤击力度等因素影响。填土密实度检测仪在检测时要求匀速贯入，操作时会较大程度影响测试精度。

以上均为采用破损法检测结构层压实质量，对结构层均有一定的破坏作用，检测点(试坑)如果处理不好将是该结构层的薄弱环节，而且检测时选取的点有限，代表性差。因此，该类检测不能实现无损、快捷、精度高等要求，具有很大的局限性。

1.3 无损检测法

1.3.1 弹性波检测法

瑞雷面波法是瑞雷面波在传播过程中遇到填土密度变化时, 就会出现频散现象，在频散曲线上出现速度突变，从而为路基压实度的检测提供了条件。由于用瑞雷波可反演横波速度，而横波速度与填土碾压密实度之间存在对应关系。瑞雷面波法有很多优点，仪器轻便且易操作；对路面本身无损害，而且当场即可显示结果，更适合现场检测。目前存在的问题是: 由于分层压实引起上下土层密度不一致可能产生另一种表面波；不同的激振方式将产生不同的波速，不同的激振力会导致计时误差；而且用于检测波形的仪器价格也比较昂贵[6]。

1.3.2 放射性检测法

核子密度湿度仪法是利用放射性元素测定填土层的密度和含水率，仪器的构造见图1。此种检测方法方便快速，通常一个测定不到2 min即可测完,测试一人即可完成，有些进口仪器还可以储存并打印测试结果。这种方法的缺点是放射性物质对人体有害，而且放射源会发生衰变，影响核子密度仪的精度。为了防止核子密度湿度仪产生的辐射对人造成不良影响，核子密度湿度仪操作人员应该距离该仪器2 m以外。而且该方法很容易受到周围环境的影响，具有一定的局限性。

1.3.3 电磁波检测法

土体密度仪是一种能够反映填土的密度及含水率的仪器，其原理是通过电磁感应场对材料基质电化学阻抗的变化响应来进行测试，达到实时无损填土密度检测的目的[7]。在现场检测时，一旦检测出压实度达不到要求，我们就可以利用施工机械仍在现场迅速弥补，这样也就可以节省大量的人力和物力。土体密度仪的构造见图2。该仪器对直接检测压实土壤的压实度与含水率, 提供了一种简易、快速的测试方法。

图1 核子密度仪

图2 土体密度仪

1.3.4 瞬态类检测法

土体刚度仪(Soil Stiffness Gauge)是一种手提式仪器，由美国研制开发。该仪器对直接检测压实土壤的两种关键的工程力学性能—铺层刚度和土壤模量，提供了一种简易、快速、精确的测试方法，同时也提供了计算地基反力，CBR和土壤密度的一种替代方法[9]。它通过在土的表面施加一个恒定的振动力的方式，量测由此产生的变形[10]，动态地反映材料现场的工程特性。土壤刚度/模量测试仪在地面上测量材料的力学阻抗，以频率的函数的形式测量得到土壤层的压力和引起的表面弯沉。刚度、变形力等直接由材料的阻抗产生。仪器的构造见图3。仪器确定每个频率下的刚度，显示的是25个频率下测得刚度值的平均值。整个过程大约需要1 min，在这些低频段表面的阻抗由刚度控制，与土壤的剪切模量成比例。利用泊松比，可以的得到剪切模量[11]。由此可以看出它具有携带方便、测量快速、数据可靠的优点，且无核子辐射。其应用范围非常广泛，其中包括石灰、水泥、粉尘及聚合物稳定材料沥青等。

图3 土体刚度仪[8]

落锤式弯沉仪(FWD)的工作原理是通过计算机控制重锤提升然后下落,落锤对路面施加脉冲荷载,该荷载通过刚性圆盘作用到路面上,由位移传感器可以测出由荷载产生的变形。我们还可以通过改变重锤的提升高度来改变荷载的大小[12]。FWD能很好地模拟交通荷载对路面的影响, 可以选择很多测试点，以确保数据的准确性。落锤式弯沉仪的结构如图4。

便携式落锤弯沉仪(Portable Falling Weight Deflecto-meter，简称 PFWD)，也可以叫做手提式落锤弯沉仪(LFWD)，其结构如图5。相对于落锤式弯沉仪来说，PFWD更加方便快捷，更具操作性。PFWD传感器的精度也更高，因此测试结果准确度也更加可靠。此方法的操作也很简单，只需一人就可以完成。与传统的贝克曼梁法相比，PFWD使用方便且快速。可以用于长距离连续的测定。此种方法现在已经应用于高铁道床的压实质量检测。

图4 落锤式弯沉仪

图5 落球式便携刚性检测仪

落球式便携刚性检测仪测试原理主要是基于Hertz冲击理论，把球(刚性球体) 从一定高度自由落下，通过测试球体与测试对象的接触时间，从而推定材料的力学特性，因此，这种技术也可称为落球检测技术[13]。通过测试得到接触时间便可以求出变形模量。落球仪的一个明显优势是可以利用测试得到的变形模量，推算机床系数和贝克曼弯沉。且其设备测试效率高，操作简便。落球测试技术的测试深度范围大致在10～30 cm，但其测试结果受黏性、应变水平和荷载速度、粒径等的影响。其适用于粉土、沙土、水泥土等，但是不适用于堆石的检验。

压实计法，压实计主要分三个部分，传感器、信号处理器和指示仪表，在振动碾的振动轴上安装传感器，在驾驶台安装指示仪表，通过测量振动碾的运动情况，压实计能够监测工作面的压实程度。压实计值( Compaction Meter Value，简称CMV)。

(1)

式中：CMV为压实计值；A1(F1)为动态响应信号的一次谐波分量；A0(F0)为动态响应信号的基频分量。

随着碾压遍数的增加，压实度也会发生变化，同时CMV也随之改变。

当以压实度计作为质量检测的主要手段时，通过碾压试验确定压实参数是非常重要的。碾压试验最好在施工作业区进行。首先确定铺料厚度；其次，振动碾在碾压的过程中要保持行进速度恒定。试验时应在试验区先碾压几遍，以保证表面平整。要尽可能多地读取数据，每次碾压完成，根据要求取样，反复校核压实计读数，并对其联系进行仔细的分析。当压实计读数不再随碾压遍数增加或增加很小时，碾压即可结束。要注意的是：必须采用分道碾压，各道之间搭接10～20 cm为宜，不能采用错距法[14]。

综上分析：核子密度仪法具有一定的辐射危险，采用透射法也具有一定破损性；探地雷达法对测试结构层厚度及内部缺陷效果较好，由于其对含水率的影响比较敏感(测试原理涉及到介电常数)，压实度测试效果不好，并且价格较高；瑞雷面波法测试时需要布置大量的测点进行对比分析，测试速度慢； PFWD法在测量刚性半刚性材料时经常会产生跳板现象，因此在测定时会影响其精确度，但与FWD法相比却有着明显的优越性；FBT测试法虽然测量过程方便快速，且对刚性半刚性材料的测试准确度高，但是对于压实质量不好的测点，其精度却不如PFWD法的测量值。

2 压实指标检测技术应用

压实度的检测有很多种方法，而每种方法都有其适用和不适用的范围，以上提及方法的适用范围见表1，通过对于各种方法的比较，可以更好的选择检测方法，从而提高检测准确度。

表1 现场密度检测方法适用范围比较

3 检测指标

压实质量检测指标可分为物理指标和力学指标。

物理指标主要包括压实度，相对密度、孔隙比率、含气量等。而其中压实度是使用最为广泛的物理指标。在以上提及的方法中，除SDG在测量之后可以直接读取压实度的值外，大部分的检测方法都是以测量土体密度为目的，从而间接的计算得出压实度的值。例如，直达波法主要是通过建立一种波速与干密度的相关关系来推测出压实度。压实计则是由压实计值判断压实度。普式贯入仪测量的是其贯入度，瞬态瑞雷面波测量的是瑞雷波速，核子密度仪测量的则是湿密度、干密度及含水量。通过对各种方法的比较与分析发现，虽然有些指标是间接的，但其在在工程上也具有重要的意义。而根据《土工试验规程》(SD 128-84)，密度试验都是以环刀法和灌砂法为规范。

力学指标主要是指变形模量、地基系数K30、动弹性模量，及承载比等。其中地基系数K30最早是在日本应用，我国是从大秦线施工中才开始以K30作为一项压实质量评价指标。

变形模量Ev1与Ev2是通过一次加载和二次加载测得的变形模量，常用平板荷载试验作为检测装置[18]。

1997年2月德国颁布实施了《德国铁路建设中轻型落锤仪的使用规定》(NGT39)，该标准中表明了动态变形模量是一项可行的路基压实标准，已成为路基等填方工程检测技术的发展方向。如今中国也将动态变形模量正式加入到《铁路工程土工试验规程》(TB 10102-2004)中。

PFWD法与落球法虽然原理不相同，但都可以得出弯沉值与动弹性模量，落球法甚至还可以推算出地基系数。传统检测弯沉的方法为贝克曼梁法，贝克曼梁法作为工程上的标准，而其操作过程并不简易，其梁也非常长，因此容易产生误差。而压实度对于碎石土不具任何意义，在施工中经常采用沉降值作为检测指标。

土体刚度也同样可以作为压实指标，由于压实的目的是稳固土壤并提高其工程性质，所以，最想得到的是其工程特性即土的弹性模量和覆盖层刚度，而不仅仅是干密度和含水量。这一点在土方工程施工中应该记住[19-20]。

为了寻求更加快速、直接、无损检测填方工程压实指标的方法，我们还需进行大量的试验与数据分析，从而实现填方工程压实指标快速检测技术。

4 结 论

在填方的工程中,压实度的检测有很多种方法，而掌握每种测定方法的优缺点、适用范围、操作步骤，针对不同的材料，切合实际的采用相应的方法才能掌握材料的实际压实效果。 填土压实质量检测结果能反映工程的真实情况, 为施工过程控制以及竣工后压实质量的检测提供很好的解决方案和可靠的依据。运用压实质量检测技术不仅可以避免不必要的重复劳动, 还可以节约工程造价, 保证工程质量。随着科学的发展与技术的不断创新，它的进步和发展将具有更为重要的理论意义和工程实用价值。

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The review of detection technology of compaction index filling project

LI Xinxin, WANG Zhengjun，ZHUANG Jingjing

(Instituteofhydraulicandelectricengineering,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

Filling project is the foundation of embankment, bridge,hydraulic engineering and other projects. Compaction index is the key to ensure the quality of filling engineering.In recent years,the quality requirements of all kinds of embankment engineerings are also more stringent.At present, there are many methods to detect compaction indexes, most of the traditional detection methods are time-consuming and laborious,complex,the precision is not enough and far from being able to meet the requirements of rapid non-destructive testing.This paper compared and analyze the commonly used compaction index detection technology from the principle,scope of application,advantages and disadvantages.This research has important significance for the research and development of test embankment compaction index.

compactness;modulus;non-destructive testing technology;compaction index

黑龙江省三江工程建设管理局项目(HGZL/KY-01)；黑龙江省应用技术研究与开发计划引导项目(GZ16B013)

李欣欣(1993-)，女，黑龙江塔河人，硕士研究生，主要从事水工结构工程研究。E-mail:595585058@qq.com。

王正君(1971-)，男，黑龙江宾县人，教授，主要从事材料、无损检测研究。E-mail:wzjsir@163.com。

TU4

A

2096-0506(2017)04-0047-06