李東印，周星星，李 偉

(1.中鐵十九局集團礦業(yè)投資有限公司， 北京 100161;2.沈陽建筑大學 土木工程學院， 遼寧 沈陽 110168)

填方工程所用材料可以是碎石類材料、砂質類材料、黏性土質類材料以及其他可以作為填料的廢棄物等[1]。施工壓實質量的好壞取決于回填材料本身的密實程度、機械壓實遍數(shù)、壓實效率的高低等。因此，對于填筑工程的檢測就顯得十分重要。近年來，國內外學者對巖土材料壓實質量檢測指標進行了大量研究，如張家玲等[2]通過現(xiàn)場測試振動壓實值VCV與動態(tài)平板載荷試驗及靜態(tài)平板載荷試驗進行相關性分析，進而判斷VCV是否可以作為填土壓實質量的評判標準。潘凱等[3]在基于瞬態(tài)瑞雷波的巖溶山區(qū)粗巨粒土填方地基檢測研究中，依托西南某大型工程，采用瑞雷波法與室內試驗相結合的方式。張獻民等[4]利用彈性波理論對土石混填的地基進行壓實研究，通過理論與實踐相結合的方式，建立了土石混合料的剪切波速模型。張宇輝等[5]在基于泊松比的土石混填地基應力波測試研究中，利用大型的振動壓實設備，研究土石混合填料的泊松比變化規(guī)律，建立了相關性分析模型。Siddagangaiah等[6]建立高質量壓實的標準以及現(xiàn)場測量和壓路機測量之間的關系，采用原位測試的裝置，對壓實層的性能與壓路機的測試結果進行了比較。

伴隨著中國建筑行業(yè)的不斷創(chuàng)新，嚴格的施工壓實質量也更加需要，使用傳統(tǒng)密度檢測方法不能更加快捷和準確的應用到如今高速的發(fā)展，所以新的檢測技術與方法應運而生[7-8]。由日本開發(fā)的土質材料特性快速檢測系統(tǒng)G-STAB(簡稱落球檢測技術)能快速、精確地檢測出各類土質材料(黏土、粉砂、砂質土、砂礫、改良土等)的變形性能等力學特性，且該技術的測試作業(yè)非常簡單，測試速度快，數(shù)據(jù)解析方便快捷。并且該檢測技術一直在不斷改進，升級中，隨著該項測試技術在四川、寧波、日本等地區(qū)的應用推廣，落球儀自身的數(shù)據(jù)庫也越加完善，其取得的技術成果也已經(jīng)在很多期刊和雜志上發(fā)表，可以說非常成功。對于沈陽地區(qū)來講，落球檢測技術還是新鮮詞匯，而且由于南北方地區(qū)，施工技術方法等方面都存在很大的差異。隨著落球檢測技術的引進，結合沈陽地區(qū)現(xiàn)場施工項目，并且與傳統(tǒng)檢測方法進行對比與分析研究，一定會為今后落球檢測技術在全國的推廣應用提供相應的理論基礎和數(shù)據(jù)參考。

為此，采用落球檢測技術與傳統(tǒng)檢測技術針對實際的工程項目進行對比分析。考慮不同的巖土材料和同種材料不同壓實情況下， 研究落球儀替代傳統(tǒng)檢測壓實度、干密度和K30的可靠性，使得新的檢測方法對建設發(fā)展有一定的促進作用，研究成果可以為相關的實際工程提供理論參考。

1 落球儀檢測的基本原理及系統(tǒng)構成

1.1 落球儀檢測的基本原理

落球檢測技術測試填土材料變形特性的理論基礎源于Hertz沖擊理論[9-10]，即當落球儀的球體下落撞擊堅硬材料時，接觸時間較短；反之，松軟材料則相對較長，見圖1。

圖1 測試理論的概要

對于球形體與半無限平面體的碰撞，其接觸時間可以由下式計算：

(1)

當下落球體與彈性材料碰撞之后，形成的變形是可以恢復的，最大的變形情況是出現(xiàn)在0.5Tc。真正的巖土材料是彈塑性體，一般回彈的變形系數(shù)比壓縮情況的大，壓縮彈性變形對于巖土材料來講是最關鍵的，壓縮部分和回彈部分的接觸時間需要分離[11-12]。

1.2 落球儀檢測法針對巖土材料的修正

1.2.1 大粒徑材料的誤差控制

當使用落球儀檢測一些巖土材料的直徑偏大的時候，就會導致測出來的數(shù)據(jù)有點偏差，尤其體現(xiàn)在指標E。所以，在施工現(xiàn)場時，要盡量不要對直徑偏大的材料進行檢測，要保證數(shù)據(jù)的準確性。但是測試時仍然會產(chǎn)生一些誤差，從而對試驗結果有一定的影響。

基于此，我們在處理試驗結果時，使用等效變形法來替代單純平均法的數(shù)據(jù)處理方法，見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)處理方法

(2)

其中:Ei為測試值；N為次數(shù)。

兩種數(shù)據(jù)處理方法比較如表1所示。

表1 不同數(shù)據(jù)處理方法的比較

1.2.2 材料修正

根據(jù)文獻[13]不同材料的泊松比μ和修正系數(shù)如表2所示。

表2 材料的μ和修正系數(shù)

1.3 落球儀系統(tǒng)的構成

落球式測試技術檢測設備主要硬件應包括落下球體、傳感器、放大器、AD采集卡、主機等部件，設備應盡量簡潔輕便，便于攜帶，圖3為落下球體構成及其參數(shù)情況。

圖3 落下球體構成

1.4 傳統(tǒng)檢測技術

(1) 環(huán)刀法。環(huán)刀法[14]是測量現(xiàn)場壓實度、干密度的傳統(tǒng)方法，適用于細粒土。環(huán)刀法是一種破壞性的檢測方法，適用于不含骨料的細粒土。優(yōu)點是設備簡單操作方便，缺點是受土質限制，當環(huán)刀打入土中時，產(chǎn)生的應力使土松動，壁厚時產(chǎn)生的應力較大，因此干密度有所降低。

(2) 室內標準擊實試驗。輕型擊實試驗[15]是讓2.5 kg的擊實錘產(chǎn)生30.5 cm的落距對施工現(xiàn)場提取的土樣進行錘擊，經(jīng)過換算得到最優(yōu)含水量和最大干密度。

(3) K30平板荷載試驗。K30平板荷載試驗[16-17]是采用直徑為30 cm的荷載板，測定下沉量為1.25 mm地基系數(shù)的試驗方法。

2 落球檢測與傳統(tǒng)密度檢測對比試驗

2.1 中國醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院渾南國際醫(yī)院項目

2.1.1 研究方案

在試驗過程中，我們將該檢測區(qū)域分為1個試驗測試區(qū)域，標記為測區(qū)1，測試區(qū)域有8個測點(見圖4)。為減小軟弱下臥層對試驗結果的影響及反映不同壓實遍數(shù)的情況下土的壓實情況，測試時選取壓路機分別碾壓2遍、4遍、6遍的數(shù)據(jù)，然后對試驗數(shù)據(jù)進行處理。為了試驗結果真實可靠，在應用落球式巖土力學測試儀進行檢測完成后，馬上進行環(huán)刀法測試。

現(xiàn)場回填土為粉質黏土，松鋪厚度為30 cm，壓路機的碾壓時速設定為3 km/h。

圖4 8測點排布圖(單位：mm)

2.1.2 落球檢測與傳統(tǒng)密度檢測指標對比分析

通過兩種檢測手段的對比分析，如圖5(a)和圖5(b)所示，我們可以得到以下結果：

(1) 在壓實2遍的情形下，壓實質量在78%～86%左右，落球檢測和傳統(tǒng)密度檢測的壓實度、干密度的相關系數(shù)都在0.95以上，相關性非常好，基本呈現(xiàn)為正比關系。這個時候，這兩種測試指標均可以由所得到的擬合關系式進行轉換，可以互為評價標準。不論是對壓實度還是對干密度的檢測，所得到的相關系數(shù)均很好。說明落球檢測方法相對于傳統(tǒng)的密度檢測法也是十分適用的。

(2) 在壓實4遍的情形下，壓實質量在85%～90%左右，落球檢測和傳統(tǒng)密度檢測的壓實度、干密度的相關系數(shù)都在0.90以上，相對于壓實2遍的情況，相關系數(shù)都有所降低；由壓實度和干密度的雙折線圖可以看出，落球檢測與傳統(tǒng)檢測方法(環(huán)刀法)測得的數(shù)據(jù)交替變化，但是總體的變化趨勢是一致的，同時從相關性圖中，不論是對壓實度的檢測還是對干密度的檢測，落球檢測方法和傳統(tǒng)密度檢測方法都是呈正相關性。

(3) 在壓實6遍的情形下，壓實質量在90%以上，可以看出落球檢測壓實度與傳統(tǒng)檢測壓實度的相關系數(shù)較壓實2遍和4遍的情形都有所下降，落球檢測干密度和傳統(tǒng)密度檢測干密度的相關系數(shù)也有所下降，但依然保持在一條直線上。在壓實度雙折線圖中，可能存在一段差距較大的測試值，這可能是由于落球檢測在這幾個點測試時，測點表面存在浮土，造成落球檢測壓實度較傳統(tǒng)檢測方法偏低。

圖5 渾南國際醫(yī)院1號地壓實2、4、6遍試驗結果對比分析圖

2.2 渾河南北兩岸濱河路維修改造項目

2.2.1 研究方案

渾河堤岸道路改造工程是中鐵大橋局的一個施工項目，需要在原有道路的基礎上鋪設瀝青。而渾河堤岸道路在沒有鋪設瀝青之前是沿著堤岸的一條混凝土路面和一部分砂石路面。我們測試的對象就是砂石路面。這條砂石路面我們分2個測試區(qū)域進行檢測，分別為測區(qū)2、測區(qū)3，每個測試區(qū)域各10個測點(見圖6)。經(jīng)檢測可以反映這段道路的壓實情況，是否需要再次進行碾壓，是否可以直接鋪設混凝土路面等。

圖6 10測點排布圖(單位:mm)

2.2.2 落球檢測與傳統(tǒng)密度檢測指標對比分析

如圖7所示，該圖為渾河南北兩岸濱河路維修改造工程6-22-01、6-22-02試驗對比分析圖。由圖7可以了解到，落球檢測壓實度與傳統(tǒng)密度檢測壓實度的相關系數(shù)為0.978 8和0.960 4，相關性很好。落球檢測干密度和傳統(tǒng)密度檢測干密度的相關系數(shù)為0.969 8和0.966 1，相關性也極好。由圖7(a)與圖7(b)看到，各測點走勢大致趨于相同，局部測點存在較小偏差，圖形整體趨勢相同。同時從相關性圖中，不論是對壓實度的檢測還是對干密度的檢測，落球檢測方法和傳統(tǒng)密度檢測方法都是呈正相關性。

2.3 沈陽建筑大學園區(qū)內檢測項目試驗方案

2.3.1 研究方案

為了進一步反映落球檢測和傳統(tǒng)試驗方法的差異性和相關性，我們采取就近原則在在沈陽建筑大學校園里選擇了1個具有代表性的區(qū)域進行研究測試，這兩個測試區(qū)域分為測區(qū)4、測區(qū)5。測區(qū)4和測區(qū)5是高德建筑研究中心對面的一塊空地，土質為硬質砂石，由于空地比較大，分為2個測區(qū)能比較準確，方便的進行試驗。園區(qū)內的這兩個測試地點都十分符合試驗測試的要求，既滿足試驗研究，又能節(jié)省大量時間、人力、物力等(見圖4、圖6)。

2.3.2 落球檢測與傳統(tǒng)密度檢測指標對比分析

如圖8所示，圖為沈陽建筑大學校園園區(qū)內7-5-01和7-5-02試驗結果對比分析圖，從圖8可以知道，落球檢測壓實度與傳統(tǒng)密度檢測壓實度的相關系數(shù)為0.962 1和0.992 1，落球檢測干密度與傳統(tǒng)密度檢測干密度的相關系數(shù)為0.980 1和0.985 5，兩種檢測方法的相關性都很好，各測點幾乎在一條直線上。從圖8(a)與圖8(b)中可以看到雙折線圖幾乎就要重合到一起，表明相關性確實很好。

圖7 濱河路維修改造工程6-22-01、6-22-02對比分析圖

圖8 沈陽建筑大學園區(qū)內7-5-01、7-5-02試驗結果對比分析圖

3 落球與傳統(tǒng)密度檢測法測試變形模量與干密度曲線對比分析

圖9為兩個工程項目的落球檢測與傳統(tǒng)密度檢測法測試變形模量與干密度曲線。從圖9我們可以知道，變形模量和落球檢測與傳統(tǒng)密度檢測的干密度之間的關系都呈正相關性。相關系數(shù)基本上都在0.95以上，其中圖9(c)和圖9(d)可能存在個別點的跳躍，導致相關性較低。從圖9可以看出落球對于越堅硬的巖土材料比傳統(tǒng)密度檢測法測得的相關越高。

圖9 變形模量與干密度曲線

4 落球檢測與K30對比試驗分析

圖10—圖11為兩個工程項目的落球檢測與傳統(tǒng)檢測法測試K30曲線。從圖10—圖11可以知道，落球檢測與傳統(tǒng)檢測的K30之間的關系都呈正相關性。相關系數(shù)都在0.90以上，其中圖10落球檢測與傳統(tǒng)檢測的K30隨著壓實遍數(shù)的增加相關性降低。傳統(tǒng)檢測K30值大多數(shù)比落球高一點；圖11和沈陽建筑大學內落球檢測與傳統(tǒng)檢測的K30值相差不大。

5 結 論

(1) 針對中國醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院渾南國際醫(yī)院項目落球和傳統(tǒng)檢測壓實度、干密度和K30的對比分析，可以得出，對于同一種軟弱的填筑材料，隨著壓實遍數(shù)的增加，壓實質量的提高，壓實度和K30相關性都逐漸降低；干密度相關性會有所降低，但不會一直降低；但總體來說都具有較好的相關性，相關性系數(shù)大部分都大于0.90。

(2) 針對三個工程項目落球和傳統(tǒng)檢測壓實度、干密度和K30的對比分析，可以得出，對于不同的填筑材料，壓實度、干密度和K30都具有很好的相關性，相關性系數(shù)都大于0.90，這三種測試指標均可以由所得到的擬合關系式進行轉換，可以互為評價標準。

(3) 針對三個工程項目變形模量與落球和傳統(tǒng)檢測干密度的對比分析，可以得出，對于不同的填筑材料，具有很好的相關性，相關性系數(shù)都大于0.90。但對于越堅硬的巖土材料，相關性越好，相關性系數(shù)都大于0.95，所以對于越堅硬的巖土材料采用落球檢測技術更適合。

圖10 渾南國際醫(yī)院1號地壓實2、4、6遍試驗結果對比分析圖

圖11 濱河路維修改造工程6-22-01、6-22-02對比分析圖

(4) 測試結果存在個別測點跳躍性較大的現(xiàn)象，這可能是由于表層砂礫分布不均勻，砂礫的顆粒大小也不一樣，會造成局部受壓過大或過小的現(xiàn)象，產(chǎn)生應力集中。