吳 瓊 王海明

建設(shè)與施工

土體密度現(xiàn)場檢測方法概述

吳 瓊 王海明

水庫和堤防是我國防洪抗旱減災(zāi)體系的重要組成部分，是抵御洪水泛濫、保護(hù)居民和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施。土方工程中土體的填筑密度是影響工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，是引起滑坡、滲透破壞的直接原因之一。土體密度小，顆粒之間不能緊密排列，土體的凝聚力越低，削弱了土體的抗剪能力；另外，土體顆粒之間易形成滲流通道，引起土體流失，使堤防產(chǎn)生滲透破壞，甚至出現(xiàn)水庫潰壩、堤防決口等重大工程事故，如1998年長江堤防百分之六十以上事故為滲透破壞。如何檢測大壩和堤防填筑土體的密度，是評(píng)定土方填筑質(zhì)量的重要依據(jù)。本文系統(tǒng)介紹了目前工程中常用的土體密度檢測技術(shù)方法的技術(shù)原理、適用范圍和特點(diǎn)，并提出了今后水利工程土體密度現(xiàn)場檢測技術(shù)發(fā)展方向。

一、檢測方法

堤防工程、土石壩工程、公路工程、鐵路工程和建筑工程均涉及到土方填筑問題，由于特有的行業(yè)特點(diǎn)，不同工程的土方填筑質(zhì)量檢測方法略有不同，常用的有環(huán)刀法、灌水法、灌砂法、核子密度儀法等，表1為不同行業(yè)規(guī)范推薦的土體密度現(xiàn)場檢測方法。

土體密度現(xiàn)場檢測方法根據(jù)檢測過程中是否破壞被測土層結(jié)構(gòu)分為破壞性檢測方法和非破壞性檢測方法。破壞性檢測方法主要包括環(huán)刀法、灌砂法、灌水法、氣囊法、電動(dòng)取土器法等；非破壞性檢測方法主要包括核子密度儀法、MDI無核密度儀法、表面波壓實(shí)密度儀法等。

二、破壞性檢測方法

破壞性試驗(yàn)檢測方法是指在測量土層的密度和含水量之前，需要對(duì)被測量層進(jìn)行一定程度的破壞，以采取樣品進(jìn)行檢測。

1.灌砂法

灌砂法是根據(jù)均勻顆粒（或單一顆粒）砂，由一定高度下落到規(guī)定容積的筒或洞內(nèi)單位質(zhì)量不變的原理計(jì)算試洞體積。根據(jù)稱取土樣質(zhì)量與體積的比值計(jì)算被測土層的密度。

操作步驟為：將試驗(yàn)處面積約40cm×40cm的一塊地面鏟平，除去表面松散土層；用工具下挖至規(guī)定的深度（通常等于碾壓層厚度），邊挖邊將坑內(nèi)的試樣裝入盛土器內(nèi)，蓋緊瓶蓋，稱取試樣質(zhì)量，并取部分有代表性的樣品進(jìn)行含水率試驗(yàn)；將容砂瓶倒置于挖好的坑口上，打開閥門，使砂注入試坑，直至注滿試坑時(shí)關(guān)閉閥門，計(jì)算注滿試坑所用標(biāo)準(zhǔn)砂的質(zhì)量。

2.灌水法

灌水法與灌砂法操作步驟基本相同，不同點(diǎn)在于灌水法是利用水量取試洞體積。其方法為用塑料薄膜沿坑底、坑壁密貼鋪好，將水注入由薄膜形成的袋中直至水面與套環(huán)邊緣齊平，通過計(jì)算注水質(zhì)量確定試洞體積。

3.氣囊法

氣囊法是中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司2001年研制的新型現(xiàn)場密度試驗(yàn)方法，是依據(jù)物理學(xué)波義爾定律，即在一定溫度下，密閉容器內(nèi)氣體壓強(qiáng)與氣體體積乘積為一常數(shù)的原理，來測定開挖試坑體積。試坑的開挖和試樣稱量與灌砂法相同。氣囊法測試結(jié)果與灌砂法接近、比灌水法高，測試時(shí)間比灌砂法、灌水法少。但該方法受溫度影響大，測試過程中溫度的變化會(huì)使測試結(jié)果出現(xiàn)一定偏差，在坑壁與外界溫度相差較大時(shí)不宜采用。

4.環(huán)刀法

環(huán)刀法是采用定體積環(huán)刀測定試樣重量，進(jìn)而計(jì)算其試樣密度的一種方法。測試前，應(yīng)清除表面松軟土層，并將壓實(shí)土層鏟平；根據(jù)土質(zhì)干濕和緊密程度，選用直接壓入法、落錘打入法或手錘打入法將環(huán)刀壓入或打入土中；然后將環(huán)刀及土樣挖出，分別稱量環(huán)刀與濕土重量和環(huán)刀重量，選取有代表性的試樣進(jìn)行含水率試驗(yàn)。

環(huán)刀法是根據(jù)早期土方施工方式提出來的一種土方填筑質(zhì)量檢測方法，雖然檢測過程中破壞土層結(jié)構(gòu)，但一定程度上客觀反映了土體填筑質(zhì)量。研究表明，土方碾壓后，土層的密實(shí)度從上到下是依次減小的，頂部密實(shí)度大，下部密實(shí)度較小。檢測過程中若環(huán)刀從頂面取樣，所得密度將偏大；從底部取樣，所得干密度較小。因此，從保障工程安全的角度考慮，規(guī)范通常規(guī)定在碾壓土層厚度的2/3處采集土樣檢測碾壓層填筑質(zhì)量。

環(huán)刀法的破壞性較灌砂法和灌水法較大，適用于細(xì)粒土，對(duì)于含礫石或碎石的細(xì)粒土，測量結(jié)果的準(zhǔn)確度和精確度較差。

5.電動(dòng)取土器法

電動(dòng)取土器法是利用電動(dòng)儀器代替手工環(huán)刀取樣的一種測試方法，其原理與環(huán)刀法相同，適用于手工取樣困難的硬塑性土。

破壞性檢測方法是工程中使用廣泛，也是最直觀的土體密度現(xiàn)場檢測方法，具有原理明確，操作簡便，易于掌握等特點(diǎn)。其不足之處是破壞了土層結(jié)構(gòu)，土樣點(diǎn)少，成果代表性差；如灌砂法、灌水法、氣囊法測得的密度是試洞深度范圍內(nèi)的平均密度，而環(huán)刀法測得密度僅表示所取土樣所在高度范圍內(nèi)土的平均密度，不能代表整個(gè)碾壓層的平均密度。

三、非破壞性檢測方法

非破壞性檢測方法是檢測過程中對(duì)被測土層結(jié)構(gòu)不破壞或破壞程度較小的土體密度檢測方法。

1.核子密度儀法

核子密度儀法是利用γ射線通過土體產(chǎn)生的衰減量與土體密度之間的關(guān)系，推求土體密度；具有測量速度快、方便、無損、高效特點(diǎn)；適用于施工質(zhì)量的現(xiàn)場快速評(píng)定，不宜用作仲裁試驗(yàn)或評(píng)定驗(yàn)收試驗(yàn)。該方法費(fèi)用高，對(duì)環(huán)境條件要求高，此外超標(biāo)的放射性物質(zhì)對(duì)人體有害，一旦發(fā)生問題還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

2.表面波密度儀法

表面波密度儀法是以表面波理論為依據(jù)，用于測試堆石壩碾壓壓實(shí)質(zhì)量的一種無損方法，具有測試速度快、精度高、安裝操作簡便、儀器智能化、自動(dòng)化功能強(qiáng)、現(xiàn)場工作人員易于掌握操作等特點(diǎn)，且儀器為小型便攜式，密封結(jié)構(gòu)，電池供電，能適應(yīng)施工現(xiàn)場工作條件。

3.MDI無核密度儀法

MDI無核密度儀法是20世紀(jì)末期基于時(shí)域反射法（TDR）原理的一種測量土壤含水率和干密度的方法，利用（脈沖發(fā)生器發(fā)出的）階梯式電磁脈沖通過打入土壤中的4根金屬鋼針的傳播時(shí)間和采集到的電壓信號(hào)，經(jīng)過處理獲得土的電介質(zhì)常數(shù)及土體的電導(dǎo)率值，利用專用的軟件計(jì)算所測土體含水率和密度。該方法的最大優(yōu)點(diǎn)避免了核子密度儀輻射泄露的危險(xiǎn)，缺點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)場和測試人員操作方面要求較高，測試精度較低、儀器參數(shù)對(duì)工程技術(shù)人員依賴程度高。

非破壞試驗(yàn)檢測方法均具有適用范圍廣、測試速度快、效率高、無損被測結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)；但是測試前均需對(duì)儀器和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，且儀器對(duì)操作人員和外部環(huán)境要求較高。

四、研究方向

近年來，隨著國家加大水利工程建設(shè)資金投入以及施工技術(shù)、機(jī)械、施工人員水平的提高，水利工程逐漸向大規(guī)模、高標(biāo)準(zhǔn)的方向發(fā)展，堤壩的填筑高度由原來的數(shù)米轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的十幾米甚至幾十米，填筑方式由肩扛人抬的傳統(tǒng)作業(yè)方式過渡到大型壓路機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)、挖掘機(jī)等先進(jìn)施工設(shè)備，以灌砂法、灌水法、環(huán)刀法為代表的破壞性檢測方法存在檢測效率低、成果代表性差、破壞土層結(jié)構(gòu)等不足，而以核子密度儀法、表面波密度儀法為代表的非破壞性檢測方法也存在測試前均需對(duì)儀器和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，以及對(duì)儀器對(duì)操作人員和外部環(huán)境要求較高等局限性，迫切需要檢測技術(shù)向高效率、智能化、一體化、無損方向發(fā)展。

ICCC檢測儀法是近年來提出的集傳感技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一身的新型車載式無損壓實(shí)度檢測方法，通過檢測壓實(shí)輪加速度幅值變化間接測出土體的壓實(shí)度。該方法可與壓實(shí)機(jī)具聯(lián)合使用，能實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測土體壓實(shí)情況，但在檢測成果可靠性方面仍需要積累大量資料。

五、小結(jié)

（1）破壞性試驗(yàn)檢測方法，具有原理明確、操作簡便、易于掌握等優(yōu)點(diǎn)，在工程中應(yīng)用廣泛；但破壞了土層結(jié)構(gòu)，測試成果代表性差等缺點(diǎn)。

（2）非破壞試驗(yàn)檢測方法具有適用范圍廣、測試速度快、效率高、無損被測結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)；但測試前均需對(duì)儀器和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)儀器對(duì)操作人員和外部環(huán)境要求較高。

（3）以ICCC為代表的高效率、智能化、一體化、無損的檢測技術(shù)是水利工程土體密度現(xiàn)場檢測的發(fā)展方向

表1 規(guī)范推薦的土方壓實(shí)度檢測方法

（作者單位：淮河水利委員會(huì)233001）