灌砂法现场测试土密度和压实度置换材料的选择

□文/许 渊 朱 亮

灌砂法是道路工程中土密度、压实度检测的常用方法，GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》、JTGE 40—2007《公路土工试验规程》及JTGE 60—2008《公路路基路面现场测试规程》中均对该试验方法的适用范围、试验步骤、精度及允许偏差进行了详细说明。GB 50123—2019 中要求量砂粒径在0.25～0.50 mm，土的密度精确至0.01 g/cm3；JTGE 40—2007 中要求量砂粒径在0.25～0.50 mm，土的密度平行试验允许偏差≯0.03 g/cm3；JTGE 60—2008 中要求量砂粒径 0.3～0.6 mm，土的密度要求精密度0.01 g/cm3。根据以上规范要求可知，灌砂法对标准砂的选用有较高要求，标准砂自身密度测定是否准确且在试验过程中能否恒定不变，对土密度测试结果有着极大的影响。

1 标准砂密度对土密度和压实度影响程度分析

标准砂的松方堆积密度通过标定罐标定得出并且直接参与计算，灌砂法的计算公式

式中：ρd为土的干密度，g/cm；m1为灌砂前灌砂筒及砂的质量，g；m4为灌砂后灌砂筒及砂的质量，g；m2为灌砂筒下部圆锥体砂质量，g；md为烘干后质量，g；K为压实度，%；ρc为击实试验得到的最大干密度，g/cm3。

进行定量分析，m1=12 000 g、m4=8 730 g、m2=850 g、试坑内取出的材料湿质量mw=4 000 g、md=3 800 g、ρc=2.340 g/cm3、最佳含水率ω=4.9%。选取3 种不同砂密度进行试验，结果见表1。

表1 灌砂法检测土的密度试验数据

由表1 可见，砂密度相差0.03 g/cm3时，土干密度的计算结果偏差达到0.047 g/cm3，已经超过JTGE 40—2007 规定的平行试验密度允许偏差≯0.03 g/cm3的要求，压实度的检测结果更是偏差了2.1%，直接影响压实度结果的合格判定；也就是说，即使砂密度有很小的变化，都会导致土工试验的最终密度及压实度发生很大的变化。因此，标准砂的密度必须精确。

2 现场检测采用标准砂的缺陷分析

目前采用的灌砂法检测过程中使用的标准砂存在两个难以处理的缺陷。

1）砂密度室内标定数据跟现场数据难以一致。规范规定试验前需要对砂密度进行标定，每换一次量砂都必须重新测定松方密度。标定通常情况下在试验室进行，而将标准砂带到工地现场检测使用时，由于标准砂直接与大气接触，难以避免地产生状态变化，尤其是标准砂灌入试坑内部时，试坑内湿度与试验室内湿度差异极大，导致砂在试坑内的堆积密度与试验室内标定密度相差很大。

众所周知，砂是一种吸湿性较强的材料，容易“受潮”，其原因是由于砂中颗粒间的孔隙相互贯通，形成无数的毛细管，当砂与含水率较高的材料（即材料表面存在少量自由水）接触时，由于材料中水分子张力作用，水分子沿砂堆中的毛细孔隙上升，直至水分子所受的重力与使其上升的张力平衡时停止；此时，水分上升高度称毛细管上升高度。灌砂法检测中采用的标准砂是经过筛网筛分后的单一粒级砂，粒径均匀一致，颗粒间的孔隙没有粒径更小的物质填充，因此砂颗粒间存在较大孔隙形成丰富的毛细管道。试坑材料中的自由水分子沿毛细管道上升运动显著，外观表现为接触试坑壁的砂受潮变湿，砂体有较为明显的收缩。由于砂受潮收缩，砂体堆积密度变大，试坑中流入了更多的砂，导致灌砂后灌砂筒及砂质量变小，最终计算得到的干密度变小。

2）砂密度受试坑深度影响大且难以控制。JTGE 40—2007 提出，标定罐的深度对砂密度有影响，标定罐的深度减2.5 cm，砂密度降低约1%，这对材料干密度数值影响＞0.02 g/cm3，对压实度数据影响1%左右。分析其原因在于，砂颗粒自由落体运动不同高度，最后的动能不同，导致堆积紧密度不同。因此规范要求检测时，试坑深度应与标定罐一致；然而实际检测开挖过程中难以控制试坑深度与标定罐一致，粗粒土集料粒径经常达到2.5 cm 以上，很难控制开挖精度，进而导致试坑内砂的堆积密度与试验室固定高度标定罐标定的密度不同。

3 选择一种更适宜的置换材料

灌砂法试验所需要的置换材料应满足堆积密度稳定、高强度不易破碎、不吸水这三个关键要求。堆积密度恒定不易变可以保证置换材料室内标定的堆积密度与现场试验堆积密度相同；高强度不易破碎才能保证置换材料的颗粒体积不变并且可重复利用；不吸水可以保证置换材料自身的密度不变，保证周围潮湿环境不影响材料堆积密度。

常见的球体材料主要有玻璃球、塑料球、钢球、氧化锆球。

1）玻璃球。强度不足，易因碰撞破碎而导致球体不圆，堆积密度不稳定。

2）塑料球。密度较小，在下落滚动堆积过程中，因自重较小不易形成紧密堆积状态，进而影响堆积密度的稳定性，同时塑料材质不耐磨。

3）钢球。自身密度过大，灌入试坑后对下方及周围土体的挤压力过大，极易导致试坑体积“胀大”，不能有效反应挖出筑路材料的真实体积。

4）氧化锆球。常用的研磨球体，硬度高不易破碎，表面光滑度高，密度适中，不吸水；其性能满足置换材料所需的要求。

选用单一粒径5 mm左右的氧化锆球作为灌砂法置换材料进行堆积试验，分别将氧化锆球在距离灌砂法标定罐口50、80、100 mm 高度自由落下，测试氧化锆球的堆积密度，结果见表2。

表2 不同下落高度氧化锆球的堆积密度

由表2 可见，氧化锆球试验时的堆积密度受下落高度影响很小，远小于标准砂高度变化2.5 cm，砂密度变化约1%的变化幅度。

向装满氧化锆球的标定罐中缓慢喷洒少量水，使水逐渐渗入堆积材料中，通过观察可以发现，堆积材料未发生明显收缩现象，表明氧化锆球的堆积体积不易受潮湿环境中水分的影响。

4 结语

标准砂在灌砂法试验中用做置换材料，容易受试坑内部潮湿环境的影响，堆积体积发生明显收缩变化；标准砂在不同高度落下时，堆积密度变化较大，以上两种情况都导致标准砂室内标定密度与现场试验时的实际密度不一致，导致计算得到的试坑体积不准，进而影响试验材料的密度、压实度。氧化锆球具有硬度高不易破碎、表面光滑度高、密度适中、不吸水等优点，作为置换材料其精确度优于标准砂。考虑到实际试验中使用的仪器、被检材料粒径大小、试验方便程度，选用单一粒径5 mm左右的氧化锆球效果较好。球体下落后可依靠自身动能滚动到状态稳定位置，实现紧密堆积，同时与试坑壁较好贴服，充分填充。材料使用后回收方便，水洗、过筛、烘干后可重复使用；可以作为标准砂的替换材料，提高灌砂法试验的精度。