高順峰，馬定樂

(1. 煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，太原 030001；2. 廣東交通實(shí)業(yè)投資有限公司， 廣州 514000)

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核子密度儀檢測(cè)路基干密度可靠性分析

高順峰1，馬定樂2

(1. 煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，太原 030001；2. 廣東交通實(shí)業(yè)投資有限公司， 廣州 514000)

以西寶公路某改建工程實(shí)例，對(duì)不同壓實(shí)區(qū)域的素土路基和不同石灰含量的灰土路基分別采用灌砂法與核子密度儀法進(jìn)行了干密度檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了兩種檢測(cè)結(jié)果之間的相關(guān)性，同時(shí)進(jìn)行了試驗(yàn)結(jié)果的盒形圖分析。分析結(jié)果表明，核子密度儀檢測(cè)結(jié)果與灌砂法檢測(cè)結(jié)果非常接近，偏差微小，誤差完全可以滿足規(guī)范要求，數(shù)據(jù)離散程度較小。干密度測(cè)試數(shù)據(jù)的盒形圖分析結(jié)果表明，6種工況下灌砂法數(shù)據(jù)分布范圍略大，中位數(shù)也略大，數(shù)據(jù)分布的對(duì)稱性略有差別；核子密度儀與灌砂法兩種測(cè)試結(jié)果的中值、內(nèi)距、極差接近，數(shù)據(jù)特征一致，中位數(shù)、對(duì)稱性等的微小的差異不會(huì)影響干密度的評(píng)價(jià)結(jié)果?？傮w而言，用核子密度儀檢測(cè)路基能滿足工程要求，其檢測(cè)結(jié)果與灌砂法檢測(cè)結(jié)果之間有較好的相關(guān)性。

路基；干密度；灌砂法；核子密度儀；盒形圖分析

0 引言

隨著我國(guó)公路建設(shè)的發(fā)展，高等級(jí)公路的修建日益增加。因此高等級(jí)公路的施工工藝、檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備都必須得到相應(yīng)的發(fā)展。傳統(tǒng)的灌砂法或環(huán)刀法在公路路基壓實(shí)度檢測(cè)中起了重要的作用。路基工程機(jī)械化程度高、工期緊，灌砂法檢測(cè)干密度費(fèi)時(shí)費(fèi)力，有時(shí)會(huì)影響工程進(jìn)度[1-2]。用核子密度儀檢測(cè)路基干密度是當(dāng)前較為先進(jìn)的一種方法，現(xiàn)已初步應(yīng)用到鐵路、公路等領(lǐng)域中。它操作簡(jiǎn)單，測(cè)定迅速，使用便捷，可用于檢測(cè)各種壓實(shí)土的干密度，特別適合于配合大面積的路基填土施工，其檢測(cè)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的方法。但部分技術(shù)人員對(duì)核子密度儀法檢測(cè)結(jié)果的可靠性和安全性心存疑慮，導(dǎo)致其推廣應(yīng)用緩慢[3-4]。王朝東通過工程實(shí)例的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比指出，核子密度儀法檢測(cè)結(jié)果可以滿足工程需要，與灌砂法相比，偏差在0.005～0.03g/cm3[5]。王志祥通過對(duì)灌水法、附加質(zhì)量法和核子密度儀法的比較指出核子密度儀法檢測(cè)干密度是可行的[6]。譚斌、趙鑫等論述了核子密度儀在公路路基及土石壩等工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[7～11]。但上述研究是針對(duì)同一種工況采用多種檢測(cè)手段對(duì)比分析，缺乏不同工況之間的對(duì)比研究。

1 場(chǎng)地條件及工程質(zhì)量要求

場(chǎng)地上部地層為濕陷性黃土，地下水位較深，勘察時(shí)，勘探深度范圍內(nèi)未見地下水，路基設(shè)計(jì)采用壓實(shí)填土。為了檢測(cè)施工質(zhì)量，本文采用灌砂法和核子密度儀法兩種方法現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行路基干密度的檢測(cè)，對(duì)比其得到的檢測(cè)結(jié)果，分析核子密度儀法檢測(cè)黃土路基干密度的可靠性。現(xiàn)場(chǎng)工況分6組，素土與灰土路基各3組。素土路基壓實(shí)區(qū)域分別為93區(qū)(壓實(shí)系數(shù)0.93)、94區(qū)(壓實(shí)系數(shù)0.94)和96區(qū)(壓實(shí)系數(shù)0.96)，灰土路基，含灰量分別為4%、7%和12%(壓實(shí)系數(shù)均為0.96)。針對(duì)不同的工況，試驗(yàn)前均對(duì)儀器進(jìn)行了校正。

試驗(yàn)地點(diǎn)為西寶公路改建工程，試驗(yàn)時(shí)間為2010年8月。試驗(yàn)時(shí)在確定的測(cè)點(diǎn)先采用核子密度儀法檢測(cè)干密度，再用灌砂法檢測(cè)同一測(cè)點(diǎn)的干密度?，F(xiàn)場(chǎng)取得93區(qū)、94區(qū)和96區(qū)素土路基檢測(cè)數(shù)據(jù)各20組，4%、7%和12%灰土路基檢測(cè)數(shù)據(jù)各20組，總計(jì)120組檢測(cè)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1 灰土路基干密度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果分析

本文選取的三個(gè)試驗(yàn)段石灰含量分別為4%，7%和12%，分別用核子密度儀法和灌砂法進(jìn)行干密度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 灰土路基干密度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

分析現(xiàn)場(chǎng)干密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過標(biāo)定合格的核子密度儀檢測(cè)結(jié)果與灌砂法檢測(cè)結(jié)果非常接近。不同含灰量的3組數(shù)據(jù)均是核子密度儀法檢測(cè)的干密度比灌砂法檢測(cè)的小，大約小0.01g/cm3，這個(gè)誤差可以滿足規(guī)范要求；以核子密度儀法測(cè)定干密度作為X軸，灌砂法測(cè)定干密度作為Y軸，兩者關(guān)系如圖1所示。圖中擬合直線反映兩種測(cè)量方法所測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)系，擬合直線斜率越接近1，一次回歸方程的截距越接近0，相關(guān)系數(shù)越接近1，則表明兩種檢測(cè)方法檢測(cè)結(jié)果越一致[7,13]。石灰含量為4%，7%和12%的3組檢測(cè)數(shù)據(jù)，其擬合線斜率分別為0.8332、0.8722和0.9870，其截距分別為0.3076、0.2250和0.0255，其相關(guān)系數(shù)分別為0.862、0.906和0.976，表明兩種檢測(cè)方法在灰土路基中的檢測(cè)結(jié)果具有較好的相關(guān)性，同時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明高含灰量路基核子密度儀法的檢測(cè)數(shù)據(jù)更具有可靠性。

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3圖1 灰土路基核子密度儀與灌砂法干密度關(guān)系Figure 1 Relationship betweenlime soil subgrade dry density results from nuclear densimeter and sand cone method

2.2 素土路基干密度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與分析

93區(qū)、94區(qū)和96區(qū)干密度試驗(yàn)分別選取路床頂面以下150～250cm、80～150cm和0～80cm路基，分別用核子密度儀法和灌砂法進(jìn)行不同壓實(shí)區(qū)域壓實(shí)度檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

分析現(xiàn)場(chǎng)干密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)同理可以看出，經(jīng)過標(biāo)定合格的核子密度儀檢測(cè)結(jié)果與灌砂法檢測(cè)結(jié)果非常接近。不同壓實(shí)區(qū)域的3組數(shù)據(jù)均是核子密度儀法檢測(cè)的干密度比灌砂法檢測(cè)的干密度小，其差值不超過0.015g/cm3，這個(gè)誤差可以滿足規(guī)范要求(圖2)，表明兩種檢測(cè)方法在素土路基中的檢測(cè)結(jié)果具有較好的相關(guān)性。

(a)工況4

(b)工況5

(c)工況6圖2 素土路基核子密度儀與灌砂法干密度關(guān)系Figure 2 Relationship betweensoil subgrade dry density results from nuclear densimeter and sand cone method

2.3 試驗(yàn)結(jié)果的盒形圖分析

圖3及圖4分別為灰土與素土場(chǎng)地共6種工況下測(cè)試結(jié)果的盒形圖。圖中橫坐標(biāo)標(biāo)識(shí)的h1～h6以及與g1～g6分別代表工況1至工況6核子密度儀法及灌砂法的測(cè)試結(jié)果。盒子的上、 下底分別25%、75%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的位置(圖3)。分位數(shù)是指將一組數(shù)據(jù)按大小順序排列后分為幾等份的數(shù)值點(diǎn)。顯然，中位數(shù)也屬分位數(shù)。常見的有四分位、十分位數(shù)及百分位數(shù)等。四分位數(shù)即將數(shù)據(jù)分為四等份的數(shù)值點(diǎn)，共有3個(gè)，本文數(shù)據(jù)分析時(shí)采用四分位數(shù)。盒子上、下底距離為四分位間距，也稱內(nèi)距[14-15]。

表2 素土路基干密度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

圖3 灰土場(chǎng)地測(cè)試結(jié)果盒形Figure 3 Lime soil site checked results box plot analysis

圖4 素土場(chǎng)地測(cè)試結(jié)果盒形Figure 4 Soil site checked results box plot analysis

圖中，盒子中間的橫線為中值線，即中位數(shù)對(duì)應(yīng)的位置。中位數(shù)為數(shù)據(jù)經(jīng)過排序后居于中間位置的數(shù)值，是位置平均數(shù)，依據(jù)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)n確定中間位置。如果n為奇數(shù)，中間位置為(n+1)/2，其對(duì)應(yīng)的值即為中位數(shù)；如果n為偶數(shù)，中間位置有2個(gè)，即n/2及(n/2+1)，中位數(shù)為其對(duì)應(yīng)的兩個(gè)數(shù)的平均值。

“須線”即盒子上、下的虛線是測(cè)試數(shù)據(jù)的范圍，如果有顯著測(cè)試誤差的數(shù)據(jù)，則在最上或最下端的橫線上方或下方有數(shù)據(jù)點(diǎn)，如果不存在異常值，則數(shù)據(jù)的最大值為上須線頂端，即上橫線位置，數(shù)據(jù)的最小值為下須線底端，即下橫線位置。頂、底端橫線外無數(shù)據(jù)點(diǎn)分布，說明無異常值。

圖3中工況1的盒形圖表明，兩種工況四分位間距占數(shù)據(jù)總體的范圍均較大，即“須線”范圍相對(duì)較小，說明大多數(shù)據(jù)集中在中位數(shù)附近，數(shù)據(jù)離散性??；無異常值；中位線不在盒子中央，右偏(即偏向大數(shù)據(jù)一側(cè))；灌砂法“須線”相對(duì)略長(zhǎng)，即灌砂法離散性相對(duì)略大，四分位間距也略大于核子密度計(jì)法。灌砂法圖形總體偏高，偏向大數(shù)據(jù)一側(cè)，說明灌砂法數(shù)據(jù)略偏大。兩種測(cè)試的結(jié)果相比，雖然其范圍、四分位間距、“須線”長(zhǎng)度略有差異，但這種差異較小，偏度及中位線接近，說明兩組數(shù)據(jù)總體特征基本相似。

工況2“須線”較長(zhǎng)，說明數(shù)據(jù)的離散性略大于工況1，其它特征與工況1類似；

工況3的四分位間距即內(nèi)距較前面兩種工況大，即說明數(shù)據(jù)在中位數(shù)附近的集中程度差，“須線”也較長(zhǎng)，整個(gè)數(shù)據(jù)的分布范圍較大即極差(最大與最小值的差)較大，說明該工況土的差異性較大，數(shù)據(jù)較分散，核子密度儀法中值線基本據(jù)中，灌砂法略左偏。雖與前兩種工況相比有一定差異，但核子密度儀與灌砂法兩者相比數(shù)據(jù)特征基本一致，僅是中值線偏離特性稍有區(qū)別；兩種測(cè)試方法中值較為接近，灌砂法略大。

素土場(chǎng)地的基本特征也是無異常值，四分位間距、“須線”、極差相對(duì)于灰土場(chǎng)地均較大，說明其土質(zhì)均勻性較差，數(shù)據(jù)離散性較大；與灰土相同之處是灌砂法數(shù)據(jù)“盒子”高于核子密度儀法，即灌砂法的數(shù)據(jù)相對(duì)較大。工況5中值線右偏，工況4與工況6的中值線位置特征是核子密度儀法左偏，灌砂法右偏，但偏離程度均不大。即三種工況下兩種測(cè)試方法的數(shù)據(jù)特征基本一致，有很大的相似性，只是中位數(shù)、對(duì)稱性略有差別，灌砂法數(shù)據(jù)分布范圍略大；兩種測(cè)試方法中值較為接近，灌砂法略大，這一特征與灰土場(chǎng)地相同。

3 結(jié)論

(1)本文采用灌砂法和核子密度儀法對(duì)壓實(shí)灰土與素土路基各進(jìn)行了3組現(xiàn)場(chǎng)干密度檢測(cè)，對(duì)兩種檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)分析與回歸分析。結(jié)果表明，核子密度儀檢測(cè)結(jié)果與灌砂法檢測(cè)結(jié)果非常接近，偏差微小，誤差完全可以滿足規(guī)范要求，數(shù)據(jù)離散程度較小。6組對(duì)比數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)均在0.86以上，表明核子密度儀法檢測(cè)黃土路基干密度的數(shù)據(jù)可靠。

(2)干密度測(cè)試數(shù)據(jù)的盒形圖分析結(jié)果表明，6種工況下灌砂法數(shù)據(jù)分布范圍略大，中位數(shù)也略大，數(shù)據(jù)分布的對(duì)稱性略有差別。核子密度儀與灌砂法兩種測(cè)試結(jié)果的中值、內(nèi)距、極差接近，數(shù)據(jù)特征一致，中位數(shù)、對(duì)稱性等的微小的差異不會(huì)影響干密度的評(píng)價(jià)結(jié)果。

(3)對(duì)于路基應(yīng)用核子密度儀檢測(cè)其壓實(shí)度具有較高的可靠性，相對(duì)于傳統(tǒng)方法核子密度儀的成本較低，是一種無破損快速檢測(cè)方法，尤其是大型工程項(xiàng)目，不僅能夠有效地控制工程質(zhì)量，而且能夠加快施工進(jìn)度，降低試驗(yàn)檢測(cè)人員的工作強(qiáng)度，提高效率，節(jié)省費(fèi)用。拓寬核子密度儀的使用范圍，必將會(huì)加速我國(guó)公路建設(shè)的發(fā)展。

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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

高順峰(1962—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)工作，研究方向?yàn)檫吰鹿こ?、基坑支護(hù)及地基處理等。

2016-12-26

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

責(zé)任編輯：樊小舟