PFWD压实度快速检测法在水利堤防填土工程中的应用探讨

2021-10-23黄能高

水利技术监督 2021年10期

黄能高

(江西省抚州市临川区抚河河道堤防维护中心，江西抚州 344000)

堤防填土工程的压实质量对整个工程的质量和安全具有决定性作用，一旦堤防填土工程质量出现问题，很可能引发工程事故[1-6]。

目前，最常用的堤防工程填土材料主要有粘性土、砂性土、碎石等，不同的填筑材料具有不同的压实特性和沉降特性，为了提升堤防填土工程的施工质量，必须对施工过程中的压实指标进行实时监测并根据监测结果做出压实参数的实时调整[7-12]。传统检测压实质量的方法存在检测时间长、检测精度低等问题，而且一些检测方法对原有结构会产生破坏，导致工程质量降低，精确、快速、无损、直观、实时的压实指标检测方法显得格外重要[13]。便携式落锤弯沉仪(PFWD)是一种新型压实度检测仪器，在国外已经普及应用，但在国内仍处于初步探索应用阶段，且基本集中于公路工程方面，在堤防填土工程压实度检测中应用还比较鲜见[14-15]。

本文利用便携式落锤弯沉仪对堤防填土工程的压实指标进行快速检测，建立压实指标与检测指标之间的对应关系，可为堤防填土工程施工质量控制提供方法和借鉴。

1 工程概况

中洲堤位于临川区抚河中游，为一环形圩堤，被抚河干流及从千金坡分叉的支流所包围，圩区东面为从千金坡分叉的支流，西面为抚河干流，形成一环形圩堤，圩区为抚河冲积平原，地势平坦，地面高程一般为35m左右。中洲堤工程级别为4级，主要建筑物级别为4级，总长31.12km，桥东防洪墙长1.54km，圩堤保护面积24.77km2，耕地2.75万亩，人口5.35万人。本文对取自该堤防填土工程的粘性土和砂性土两种土样进行压实度检测分析，两类填土的物理参数见表1。

2 PFWD快速检测法

2.1 检测方法选取

在堤防填土工程压实度现场检测中，常用的有灌砂法、环刀法、钻芯法、无核密度仪测定法、FBT法、PFWD法以及SDG法等。灌砂法检测一个点的时间需要20～30min，环刀法检测一个点的时间需要10～15min，而钻芯法检测一个点的时间需要1h，这三种方法检测时间较长，不适合快速大型工程现场的快速高效检测。无核密度仪测定法和SDG 法的检测装置更加轻便，但是在检测之前需要做必要的准备工作，一个检测点检测时间一般需要2～3min；FBT检测法操作简单，检测一个点仅需1min，但不能对同一个点进行重复测试，检测精度有待提升；PFWD 检测法试验装置体积小、组装方便，可适用于狭窄场所，受外界干扰小，可实现同时施工和检测，做到堤防工程压实质量的实时监控，检测一点仅需1min，可在不影响工程进度和质量前提下实现快速大面积的检测，因此工程选用PFWD法对堤防填土工程压实指标进行检测。

2.2 PFWD检测原理

PFWD是便携式落锤弯沉仪的简称，便携式落锤弯沉仪主要包括两个部分，一是动力加载系统，主要由锁定杆、滑杆、落锤、缓冲装置、承载板等结构组成；二是数据采集系统，主要由操作界面和打印机组成，如图1所示。本文选用ZFG3000型便携式落锤弯沉仪对抚河河道堤防填土工程压实度进行检测分析，该型号PFWD 主要性能参数见表2。PFWD检测过程如下：①将落锤提起并将锁定杆上部锁定；②松开锁定装置，使落锤自由下落；③落锤最终落在承载板上，对承载板产生一个自由落体冲击力；④承载板受到冲击力后产生位移变形；⑤数据采集系统采集位移和速度参数并存储在采集系统中，同时可将数据实时打印出来。

表2 ZFG3000型便携式落锤弯沉仪性能参数

图1 ZFG3000型便携式落锤弯沉仪

3 PFWD检测影响因素分析

3.1 填土厚度的影响

不同填土厚度下PFWD检测回弹模量的变化特征如图2所示。从图中可以看到：即使是同一类型土的碾压施工，其动态弹性模量的波动也比较大，这可能与局部存在欠压现象有关；填土厚度越大，弹性模量越小，但24cm厚度和36cm厚度下的弹性模量相差不大，填土厚度越薄，单位体积填土的压实功越大，填土越密实，因而动弹性模量越大，但是填土厚度太薄，又会影响碾压施工效率，造成施工周期延长，因此，填土厚度应适中。

图2 填土厚度对检测效果的影响

3.2 落锤次数的影响

不同锤击次数下测得的填土弯沉值如图3所示。相同点位下，当落锤次数为1时，弯沉值较大，当落锤次数大于1时，弯沉值较第一次锤击时有较大幅度降低，且呈缓慢减小的变化趋势，最终趋于一个相对稳定值，这主要是因为落锤质量为10kg，当第一次落锤时，会对土体产生较大的冲击，使得弯沉值较大，在实际操作过程中，应尽量使落锤预砸三次后，再记录弯沉数值。

图3 落锤次数对检测效果的影响

3.3 重锤下落高度的影响

不同重锤下落高度下PFWD检测回弹模量的变化特征如图4所示。随着落锤高度的增加，回弹模量逐渐减小，这主要是因为落锤高度越大，所获得的重力势能越大，重力势能最终转化为冲击动能，迫使承载板产生位移。因此，为了保证测试数据的稳定性，在每次测试时，应根据土壤物理力学性质，设定统一合理的高度，并在测试过程中，尽量保持导杆垂直，以减小落锤下降过程中摩擦阻力所带来的能量损失。

图4 重锤下落高度对检测效果的影响

4 现场试验结果

压实度是堤防填土工程最重要的质量控制指标，PFWD检测法在测试过程中主要记录落锤时间、速度、弯沉值以及回弹模量值，为使测试精度更高，通常一个点测试三次，取三次测试弯沉值(落锤高度均为70cm)的平均值计算回弹模量值，通过回弹模量值来判断压实度是否合格，因此需要确定回弹模量与压实度之间的关系，现场试验中粘性土压实度采用环刀法进行检测，砂性土压实度采用灌砂法进行检测，建立回弹模量与压实度关系如图5所示。压实度与回弹模量之间呈良好的幂函数关系，回弹模量越高，压实度越大；粘性土的压实度与回弹模量关系为：K=77.782E0.0362(K表示压实度，E表示回弹模量)，相关系数R2为0.8196，砂性土的压实度与回弹模量关系为：K=36.025E0.2413，相关系数R2为0.8469。

图5 回弹模量与压实度关系

通过上文分析可知：PFWD快速检测法能对粘性土、砂性土等不同类型堤防填土工程压实度进行较为准确地测试，PFWD快速检测法测试得到的回弹模量与填土工程压实度之间呈良好的幂函数关系。通过PFWD快速检测法得到的回弹模量，将其代入对应类型填土材料的关系式中，可以获得堤防填土工程的压实度，实现堤防填土工程压实指标的快速检测。