SDG密度仪在无黏性土密实度检测中的应用

李 真，王正君，姜荣辉， 熊奥运，宫 滢，郭 琳

(黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

近年，随着经济的快速发展，我国加大了对工程建设的投入。工程填土的质量常用压实度指标进行控制，不同土质的压实性能差别较大。一般来说，无黏性土的压实效果较好。相较于黏性土、粉质土来说，无黏性土呈密实状态时，结构稳定，压缩性小，强度大，可作为良好的天然地基，具有较大的研究意义和使用价值。

工程上在压实填土施工中，填土密实度测试是填土压实质量控制的一项重要内容[1]。理论上，目前可用于无黏性土密实度检测的方法主要有破损法(环刀法、灌砂法和灌水法)以及无损法(核子密度仪法、MDI无核密度仪法、落球式检测仪法)[2]。但由于无黏性土呈松散状态，使用环刀法及灌砂法进行检测时，土样不易成型，操作难度大。灌水法由于塑料薄膜顺从性差，铺设时可能会产生塑料薄膜与坑壁脱空，存在测量误差[3-5]。无损检测方法是一种间接检测压实度的方法，不仅能够保持被测土体的完整性，减少对压实路基和压实堤坝的破坏，而且减少了环境因素的影响，很大程度的提高了检测效率[6]。但核子密度仪法的使用过程较为复杂，并且存在核辐射的危险，而MDI无核密度仪和落球检测仪仍处于研究和使用的初级阶段。因此，迫切需要一种能够无损、安全、快速、准确检测无黏性土密实度的方法[7-9]。SDG土壤密度仪是基于电磁学原理开发的无损填土密度检测仪，它不仅操作简单、便于携带、数据实时、而且安全可靠。可以预测SDG土壤密度仪在无黏性土密实度的检测中将会有良好的应用前景。

1 SDG200土壤密度仪工作原理

SDG200无核土壤密度仪是近几年推出的一款用于土壤密实度测试的无损检测仪器。相较于各种传统的有损测量方法以及其他的无损测量方法，SDG200展现了很好的优越性，是当前较为先进的土壤密度检测仪器。

SDG200采用电化学阻抗图谱技术，在对电磁场测量时可以将土壤密度与含水率区分开，其压实度是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检测的目的。由于空气的介电常数比土壤中的其他材料的介电常数低得多，当压实度提高时，土壤中空气减少，导致综合介电常数升高，SDG土壤密度仪通过内置数据处理器将测试得到的数据经计算得到压实填土的密度、压实度及土体含水率，实现对现场填土密度的实时快速无损检测。SDG200可在深度30 cm，直径28 cm范围内的压实填土上使用。比较国内外其他测试方法，SDG密度仪具有以下优点：(1)无放射源，可以替代核子仪，无需放射性材料和特殊许可。(2)用户界面友好，操作简单。操作人员不需要专门的培训，面对更广泛的操作人群。(3)快速、可靠、精确、重量轻、使用方便，支持12 h的便携式操作。(4)无损且可重复测量，内部数据记录仪存储读数量大。(5)电池耐久性长，充电一次后可多次使用。(6)前置参数设置简单。(7)界面采用全彩色图形，效果清晰。

2 SDG200密度仪检测无黏性土密实度操作

2.1 前置参数的设置

在进行SDG无黏性土密实度检测试验之前，首先要将被测土体的前置参数输入仪器中[10]，包括最大干密度ρdmax、最优含水率ωop、液限ωL、塑限ωP、不均匀系数Сu、曲率系数Сc、Gravel、Sand、Fines。这是仪器操作的重要步骤，下面对这些参数做简单介绍。

(1)最大干密度：最大干密度ρdmax是指土样处于最密实状态时的干密度。

(2)最优含水率：最优含水率ωop代表土样压实效果最佳时所对应的含水率。

(3)液限ωL：黏性土由流动状态转向塑性状态时的界限含水量。

(4)塑限ωP：黏性土由塑性状态过渡到半固体状态时的界限含水量。

(5)不均匀系数：不均匀系数Сu反映土样不同粒组的分布情况，Сu越大，表示土样越不均匀，颗粒大小相差越悬殊。

(6)曲率系数:曲率系数Сc描述了土样级配曲线分布的整体形态，反映了曲线的斜率是否连续，表示是否有某粒组缺失的情况。

(7)Gravel:指土样中砾石(4.75～75.0 mm)含量的百分比。

(8)Sand：指土样中砂(0.075～4.75 mm)含量的百分比。

(9)Fines:指土样中粉料(< 0.075 mm)含量的百分比。

SDG200土壤密度仪的物理参数界面如图1所示，值得注意的是输入参数时一定要确保Gravel(砾石)、Sand(砂)和Fines (粉料)总和为100%。又因为无黏性土不同于黏性土，没有液限和塑限，因此在进行无黏性土的密实度检测时，将以上两个参数设置为0即可。

图1 SDG200土壤密度仪的物理参数界面

2.2 SDG200检测顺序

进行SDG试验时，首先要将待测土样表面刮平，按一定比例间隔选择测试点[11]。在测试点处依照图2选择5个固定点，然后按照图2所示位置进行测试，一次完整的检测需要经过5个步骤。当开始读数时切记不要触摸仪器，5次读数过后仪器将自动计算其平均值到数据文件中。

图2 SDG200密度仪测试步骤

为了使SDG200土壤密度仪检测值准确，所得数据具有代表性，测试过程中需要注意以下几点：

(1)保证测试位置表面平整、不含大粒径的石子及其他杂质。

(2)土体表面不能含有松散土或被扰动的土，一定要足够平整。

(3)确保没有外来异物黏附在仪器底部或钢板。

(4)试验时要使仪器远离金属物体、电源线或其他电器装置。

在检测过程中，务必让SDG土壤密度仪保持稳定，不受外界干扰。先将仪器开机预测一下，检查仪器各项功能是否工作正常，待仪器电磁场的发射进入正常状态，开始准备检测。SDG土壤密度仪只能储存30组数据，如果超过30组数据，仪器会自动覆盖前面的数据。每个检测点大概需要2～3 min，检测完成后，仪器通过自动内置的数据处理器对检测数据进行计算得到各项测试指标，检测完成一个点，就要马上用笔记录下来，以防数据丢失。

2.3 SDG土壤密度仪检测数据及试验参数

测试结束后，SDG200土壤密度仪会自动计算得出湿密度、体积含水量等数据。

由于无黏性土最重要的物理状态参数为其密实度，因此土力学中引入相对密实度Dr作为判断无黏性土状态的指标。相对密实度Dr有两种表达形式，分别如式(1)，式(2)所示：

(1)

式中：ρd max为无黏性土的最大干密度；ρd min为无黏性土的最小干密度；ρd为无黏性土的天然干密度或填筑干密度。

(2)

式中：emax为无黏性土处在最松状态时的孔隙比；emin为无黏性土处在最密状态时的孔隙比；e0为无黏性土的天然孔隙比或填筑孔隙比。

根据先行研究可知，黏性土的最大干密度和最优含水率通过击实试验即可获得[12]。但因为无黏性土与黏性土差异较大，所以如何获得无黏性土的最大干密度(最小孔隙比)和最优含水率成为了使用SDG200土壤密度仪检测无黏性土密实度的一个难点。本文利用振动法测得了无黏性土的最大干密度(最小孔隙比)并通过最大干密度(最小孔隙比)与最优含水率的转换关系式解决了该问题，保证了测试数据的准确性及合理性。

(1)振动法测无黏性土最大干密度试验。最大干密度ρd max为土样处于最密实状态的干密度。试验时将烘干试样装入容器中，在竖向用击锤锤击，侧向水平振动的情况下，使试样达到不变的体积V时，称出试样重量Ms,即可得到式(3)：

(3)

由于已知无黏性土的最大干密度ρd max，即可根据式(4)推求最优含水率ωop：

(4)

式中：ρd max为干密度,g/cm3；ρ为湿密度，g/cm3；ωop为最优含水率，%。

由量筒的体积和筒内被振击的土的总质量算出振击土的湿密度ρ,因为振动法试验已经测出了最大干密度，所以代入此式即可求得最优含水率ωop。振动法试验仪器设备如图3所示。

图3 振动法试验仪器设备

(2)筛分法颗粒分析试验。根据本试验土体的颗粒大小和级配情况选择筛分法作为进行颗粒分析试验的方法，它适用于分析颗粒直径大于0.075 mm，小于60.0 mm的颗粒组成。

不均匀系数计算公式如式(5)所示：

(5)

式中：Сu为不均匀系数；d60为限制粒径，mm，小于该粒径的土含量占总土质量的60%的粒径，mm；d10为有效粒径，小于该粒径的土含量占总土质量的10%的粒径，mm。

曲率系数计算公式如式(6)所示：

(6)

式中：Сc为曲率系数；d30为颗粒大小分布曲线上小于该粒径的土含量占总土质量的30%的粒径，mm。

2.4 室内试验

在室内进行SDG土壤密度仪试验，考虑仪器是通过电磁感应场对材料基质化学阻抗的变化得到的测试结果，在选择模具时，不能采用金属材质，选择木质模具，既排除了对仪器的干扰作用、又便宜、轻便。此试验制备了一个90 cm×90 cm×30 cm的模具，SDG200土壤密度仪检测土体深度为30 cm，所以模具制作净深度为30 cm。仪器底座直径约为28 cm,考虑边界效应，故模具的净长、宽为90 cm。

在实验室内进行SDG土壤密度仪检测需要有以下的准备阶段：

(1)筛分：对取回的原状土进行筛分，取10 cm以下的土样，过筛的目的是使土样中不含大颗粒石子和杂质，以确保土样级配良好。

(2)土样制备：室内试验模具的体积，根据预期要达到的土样压实度计算和确定土样的质量，计算公式如式(7)～式(9)所示。

m干土=V模具×ρmax×预期压实度

(7)

式中：m干土为干土总质量；V模具为室内模具净体积；ρmax为振动试验得到的最大干密度。

m湿=m干土×(1+ω0)

(8)

式中：m湿为湿土质量；ω0为土样实际含水率。

预期制备土样的含水率可以通过计算得出，室内实际土样含水率也可以测出，故可计算出土样中的掺水质量。

m水=(20%-10%)×m干土

(9)

式中：m水为土样中掺水的质量。

根据计算得出的土样总质量，分为不同次数进行配置土样的试验。为使土体的含水率均匀，需要将土样静置一夜。在模具上部铺置一层不透水塑料薄膜，以确保土样含水率保持恒定。

3 结 语

SDG土壤密度仪是国内外最新一代的无核密度仪，通过电磁感应场对材料基质电化学阻抗的变化响应来反映填土的密度及含水状态，达到实时无损填土密度检测的目的。它的出现弥补了之前各种测量土壤密度方法的局限性，是当前最先进的土壤密度检测仪器。它具有快速测量、数据准确、操作简单、便于携带、可重复操作等优点，从而实现对现场填土压实质量的动态实时检验与控制。而且在检测过程中不会对工程和操作人员造成安全隐患，为各类土壤的密实度检测提供了很大的帮助。

无黏性土由于最优含水量较小、最大干密度较大，在动力作用下很容易被压实，可作为良好的天然地基。根据密度仪的特性实施检测试验与室内试验，SDG 密度仪具有良好的稳定性与可靠性，预测将适用于无黏性土密实度的快速无损检测。在工程中实现对现场填土压实质量的动态实时检验与控制，提高检测效率。