核子密度仪检测路基干密度可靠性分析

高顺峰，马定乐

(1. 煤炭工业太原设计研究院，太原 030001；2. 广东交通实业投资有限公司， 广州 514000)



核子密度仪检测路基干密度可靠性分析

高顺峰1，马定乐2

(1. 煤炭工业太原设计研究院，太原 030001；2. 广东交通实业投资有限公司， 广州 514000)

以西宝公路某改建工程实例，对不同压实区域的素土路基和不同石灰含量的灰土路基分别采用灌砂法与核子密度仪法进行了干密度检测，对检测试验结果进行了对比分析，并运用数理统计方法分析了两种检测结果之间的相关性，同时进行了试验结果的盒形图分析。分析结果表明，核子密度仪检测结果与灌砂法检测结果非常接近，偏差微小，误差完全可以满足规范要求，数据离散程度较小。干密度测试数据的盒形图分析结果表明，6种工况下灌砂法数据分布范围略大，中位数也略大，数据分布的对称性略有差别；核子密度仪与灌砂法两种测试结果的中值、内距、极差接近，数据特征一致，中位数、对称性等的微小的差异不会影响干密度的评价结果。总体而言，用核子密度仪检测路基能满足工程要求，其检测结果与灌砂法检测结果之间有较好的相关性。

路基；干密度；灌砂法；核子密度仪；盒形图分析

0 引言

随着我国公路建设的发展，高等级公路的修建日益增加。因此高等级公路的施工工艺、检测技术和设备都必须得到相应的发展。传统的灌砂法或环刀法在公路路基压实度检测中起了重要的作用。路基工程机械化程度高、工期紧，灌砂法检测干密度费时费力，有时会影响工程进度[1-2]。用核子密度仪检测路基干密度是当前较为先进的一种方法，现已初步应用到铁路、公路等领域中。它操作简单，测定迅速，使用便捷，可用于检测各种压实土的干密度，特别适合于配合大面积的路基填土施工，其检测效率远远高于传统的方法。但部分技术人员对核子密度仪法检测结果的可靠性和安全性心存疑虑，导致其推广应用缓慢[3-4]。王朝东通过工程实例的试验数据对比指出，核子密度仪法检测结果可以满足工程需要，与灌砂法相比，偏差在0.005～0.03g/cm3[5]。王志祥通过对灌水法、附加质量法和核子密度仪法的比较指出核子密度仪法检测干密度是可行的[6]。谭斌、赵鑫等论述了核子密度仪在公路路基及土石坝等工程质量检测中的应用[7～11]。但上述研究是针对同一种工况采用多种检测手段对比分析，缺乏不同工况之间的对比研究。

1 场地条件及工程质量要求

场地上部地层为湿陷性黄土，地下水位较深，勘察时，勘探深度范围内未见地下水，路基设计采用压实填土。为了检测施工质量，本文采用灌砂法和核子密度仪法两种方法现场进行路基干密度的检测，对比其得到的检测结果，分析核子密度仪法检测黄土路基干密度的可靠性。现场工况分6组，素土与灰土路基各3组。素土路基压实区域分别为93区(压实系数0.93)、94区(压实系数0.94)和96区(压实系数0.96)，灰土路基，含灰量分别为4%、7%和12%(压实系数均为0.96)。针对不同的工况，试验前均对仪器进行了校正。

试验地点为西宝公路改建工程，试验时间为2010年8月。试验时在确定的测点先采用核子密度仪法检测干密度，再用灌砂法检测同一测点的干密度。现场取得93区、94区和96区素土路基检测数据各20组，4%、7%和12%灰土路基检测数据各20组，总计120组检测数据。

2 试验结果与分析2.1 灰土路基干密度检测试验结果分析

本文选取的三个试验段石灰含量分别为4%，7%和12%，分别用核子密度仪法和灌砂法进行干密度检测，检测结果如表1所示。

表1 灰土路基干密度检测试验结果

分析现场干密度试验数据可以看出，经过标定合格的核子密度仪检测结果与灌砂法检测结果非常接近。不同含灰量的3组数据均是核子密度仪法检测的干密度比灌砂法检测的小，大约小0.01g/cm3，这个误差可以满足规范要求；以核子密度仪法测定干密度作为X轴，灌砂法测定干密度作为Y轴，两者关系如图1所示。图中拟合直线反映两种测量方法所测数据的关系，拟合直线斜率越接近1，一次回归方程的截距越接近0，相关系数越接近1，则表明两种检测方法检测结果越一致[7,13]。石灰含量为4%，7%和12%的3组检测数据，其拟合线斜率分别为0.8332、0.8722和0.9870，其截距分别为0.3076、0.2250和0.0255，其相关系数分别为0.862、0.906和0.976，表明两种检测方法在灰土路基中的检测结果具有较好的相关性，同时检测数据表明高含灰量路基核子密度仪法的检测数据更具有可靠性。

(a)工况1

(b)工况2

(c)工况3图1 灰土路基核子密度仪与灌砂法干密度关系Figure 1 Relationship betweenlime soil subgrade dry density results from nuclear densimeter and sand cone method

2.2 素土路基干密度检测试验结果与分析

93区、94区和96区干密度试验分别选取路床顶面以下150～250cm、80～150cm和0～80cm路基，分别用核子密度仪法和灌砂法进行不同压实区域压实度检测，测量结果如表2所示。

分析现场干密度试验数据同理可以看出，经过标定合格的核子密度仪检测结果与灌砂法检测结果非常接近。不同压实区域的3组数据均是核子密度仪法检测的干密度比灌砂法检测的干密度小，其差值不超过0.015g/cm3，这个误差可以满足规范要求(图2)，表明两种检测方法在素土路基中的检测结果具有较好的相关性。

(a)工况4

(b)工况5

(c)工况6图2 素土路基核子密度仪与灌砂法干密度关系Figure 2 Relationship betweensoil subgrade dry density results from nuclear densimeter and sand cone method

2.3 试验结果的盒形图分析

图3及图4分别为灰土与素土场地共6种工况下测试结果的盒形图。图中横坐标标识的h1～h6以及与g1～g6分别代表工况1至工况6核子密度仪法及灌砂法的测试结果。盒子的上、 下底分别25%、75%分位数对应的位置(图3)。分位数是指将一组数据按大小顺序排列后分为几等份的数值点。显然，中位数也属分位数。常见的有四分位、十分位数及百分位数等。四分位数即将数据分为四等份的数值点，共有3个，本文数据分析时采用四分位数。盒子上、下底距离为四分位间距，也称内距[14-15]。

表2 素土路基干密度检测试验结果

图3 灰土场地测试结果盒形Figure 3 Lime soil site checked results box plot analysis

图4 素土场地测试结果盒形Figure 4 Soil site checked results box plot analysis

图中，盒子中间的横线为中值线，即中位数对应的位置。中位数为数据经过排序后居于中间位置的数值，是位置平均数，依据数据的个数n确定中间位置。如果n为奇数，中间位置为(n+1)/2，其对应的值即为中位数；如果n为偶数，中间位置有2个，即n/2及(n/2+1)，中位数为其对应的两个数的平均值。

“须线”即盒子上、下的虚线是测试数据的范围，如果有显著测试误差的数据，则在最上或最下端的横线上方或下方有数据点，如果不存在异常值，则数据的最大值为上须线顶端，即上横线位置，数据的最小值为下须线底端，即下横线位置。顶、底端横线外无数据点分布，说明无异常值。

图3中工况1的盒形图表明，两种工况四分位间距占数据总体的范围均较大，即“须线”范围相对较小，说明大多数据集中在中位数附近，数据离散性小；无异常值；中位线不在盒子中央，右偏(即偏向大数据一侧)；灌砂法“须线”相对略长，即灌砂法离散性相对略大，四分位间距也略大于核子密度计法。灌砂法图形总体偏高，偏向大数据一侧，说明灌砂法数据略偏大。两种测试的结果相比，虽然其范围、四分位间距、“须线”长度略有差异，但这种差异较小，偏度及中位线接近，说明两组数据总体特征基本相似。

工况2“须线”较长，说明数据的离散性略大于工况1，其它特征与工况1类似；

工况3的四分位间距即内距较前面两种工况大，即说明数据在中位数附近的集中程度差，“须线”也较长，整个数据的分布范围较大即极差(最大与最小值的差)较大，说明该工况土的差异性较大，数据较分散，核子密度仪法中值线基本据中，灌砂法略左偏。虽与前两种工况相比有一定差异，但核子密度仪与灌砂法两者相比数据特征基本一致，仅是中值线偏离特性稍有区别；两种测试方法中值较为接近，灌砂法略大。

素土场地的基本特征也是无异常值，四分位间距、“须线”、极差相对于灰土场地均较大，说明其土质均匀性较差，数据离散性较大；与灰土相同之处是灌砂法数据“盒子”高于核子密度仪法，即灌砂法的数据相对较大。工况5中值线右偏，工况4与工况6的中值线位置特征是核子密度仪法左偏，灌砂法右偏，但偏离程度均不大。即三种工况下两种测试方法的数据特征基本一致，有很大的相似性，只是中位数、对称性略有差别，灌砂法数据分布范围略大；两种测试方法中值较为接近，灌砂法略大，这一特征与灰土场地相同。

3 结论

(1)本文采用灌砂法和核子密度仪法对压实灰土与素土路基各进行了3组现场干密度检测，对两种检测结果进行了相关分析与回归分析。结果表明，核子密度仪检测结果与灌砂法检测结果非常接近，偏差微小，误差完全可以满足规范要求，数据离散程度较小。6组对比数据相关系数均在0.86以上，表明核子密度仪法检测黄土路基干密度的数据可靠。

(2)干密度测试数据的盒形图分析结果表明，6种工况下灌砂法数据分布范围略大，中位数也略大，数据分布的对称性略有差别。核子密度仪与灌砂法两种测试结果的中值、内距、极差接近，数据特征一致，中位数、对称性等的微小的差异不会影响干密度的评价结果。

(3)对于路基应用核子密度仪检测其压实度具有较高的可靠性，相对于传统方法核子密度仪的成本较低，是一种无破损快速检测方法，尤其是大型工程项目，不仅能够有效地控制工程质量，而且能够加快施工进度，降低试验检测人员的工作强度，提高效率，节省费用。拓宽核子密度仪的使用范围，必将会加速我国公路建设的发展。

[1]马伟斌，姚建平，蔡得钩，等.直接插入式深层核子密度仪探头的研制及其应用[J].铁道建筑，2008(1) ：55-57.

[2]朱霞.公路工程试验检测技术[M].北京:高等教育出版社，2004：3-10.

[3]李强.路基路面检测技术与质量控制[D].西安:长安大学，2002.

[4]张霖波，龚新桥，李强.浅谈核子仪与灌砂法对比试验[J].交通科技，2006(3):100-104.

[5]王朝东.核子测试技术在岩土工程中的应用[J].岩土力学与工程学报，2001，20(增):1900-1902.

[6]王志祥.公路路基评价的关键技术研究[J].贵州大学学报，2012，29(6):97-99.

[7]谭斌，李桂花.核子密度仪在公路工程测试中减小误差的方法[J].公路，2000(5)：19-20.

[8]赵鑫.核子密度仪在土石坝压实度检测中的应用[J].水利水电施工，2011(6)：165-166.

[9]李文胜.浅谈核子密度仪检测压实度[J].广西轻工业，2006，(5):84-85.

[10]彭国建，梅向东.浅谈核子密度仪检测压实度[J].中国公路网，2002，(3):10-13.

[11]石振涛，伍峥，邓抒豪.核子仪在土坝干密度检测中的应用[J].人民珠江，2004(2):8-10.

[12]中华人民共和国交通运输部. JTGE60-2008 公路路基路面现场测试规程[S]. 北京:人民交通出版社，2008.

[13]叶朝良.青藏铁路路基压实度检测方法的探讨[J].路基工程，2005，(6):21-22.

[14]上官微，戴永久.几种土壤粒径分布参数模型在稀疏分级数据中的对比研究[J]. 北京师范大学学报(自然科学版)，2009，45(3)：279-283.

[15] 郑金华，申瑞珉，李密青，等. 多目标优化的进化环境模型及实现[J]. 计算机学报，2014，37(12)：2530-2547.

Reliability Analysis of Subgrade Dry Density Checked by Nuclear Densimeter

Gao Shunfeng1, Ma Dingle2

(1. Taiyuan Design Research Institute for Coal Industry, Taiyuan, Shanxi 030001;2. Guangdong Communications Industrial Investment Co. Ltd., Guangzhou, Guangdong 514000)

In a reconstruction project of the Xi’an-Baoji highway, using sand cone method and nuclear densimeter carried out dry density checking for different compaction areas soil subgrade and different lime content lime soil subgrade. Through mathematical statistics analyzed correlation between the results of the two methods, meanwhile carried out checked results box plot analysis. The results have shown that densities from the two methods are pretty close with minor data deviation; the errors can meet the specification requirements, with smaller data dispersion. The dry density data box plot analyzed results have shown that under six working conditions, data from sand cone have slightly larger distribution extent, also the median; with slightly different data distribution symmetry. The median, interquartile and range from the two methods are close, data characteristics accordance, the tiny differences in median and symmetry will not affect dry density assessed result. Overall, using nuclear densimeter to check subgrade can satisfy project requirements, its checked results and sand cone method results have better correlation.

subgrade; dry density; sand cone method; nuclear densimeter; box plot analysis

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.11

1674-1803(2017)04-0052-05

高顺峰(1962—)，男，教授级高级工程师，主要从事岩土工程勘察设计工作，研究方向为边坡工程、基坑支护及地基处理等。

2016-12-26

文献标识码：A

责任编辑：樊小舟