黃能高

(江西省撫州市臨川區(qū)撫河河道堤防維護(hù)中心，江西 撫州 344000)

堤防填土工程的壓實(shí)質(zhì)量對(duì)整個(gè)工程的質(zhì)量和安全具有決定性作用，一旦堤防填土工程質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，很可能引發(fā)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壓實(shí)特性和沉降特性，為了提升堤防填土工程的施工質(zhì)量，必須對(duì)施工過(guò)程中的壓實(shí)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果做出壓實(shí)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整[7-12]。傳統(tǒng)檢測(cè)壓實(shí)質(zhì)量的方法存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、檢測(cè)精度低等問(wèn)題，而且一些檢測(cè)方法對(duì)原有結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致工程質(zhì)量降低，精確、快速、無(wú)損、直觀、實(shí)時(shí)的壓實(shí)指標(biāo)檢測(cè)方法顯得格外重要[13]。便攜式落錘彎沉儀(PFWD)是一種新型壓實(shí)度檢測(cè)儀器，在國(guó)外已經(jīng)普及應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)仍處于初步探索應(yīng)用階段，且基本集中于公路工程方面，在堤防填土工程壓實(shí)度檢測(cè)中應(yīng)用還比較鮮見(jiàn)[14-15]。

本文利用便攜式落錘彎沉儀對(duì)堤防填土工程的壓實(shí)指標(biāo)進(jìn)行快速檢測(cè)，建立壓實(shí)指標(biāo)與檢測(cè)指標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可為堤防填土工程施工質(zhì)量控制提供方法和借鑒。

1 工程概況

中洲堤位于臨川區(qū)撫河中游，為一環(huán)形圩堤，被撫河干流及從千金坡分叉的支流所包圍，圩區(qū)東面為從千金坡分叉的支流，西面為撫河干流，形成一環(huán)形圩堤，圩區(qū)為撫河沖積平原，地勢(shì)平坦，地面高程一般為35m左右。中洲堤工程級(jí)別為4級(jí)，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，總長(zhǎng)31.12km，橋東防洪墻長(zhǎng)1.54km，圩堤保護(hù)面積24.77km2，耕地2.75萬(wàn)畝，人口5.35萬(wàn)人。本文對(duì)取自該堤防填土工程的粘性土和砂性土兩種土樣進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)分析，兩類填土的物理參數(shù)見(jiàn)表1。

2 PFWD快速檢測(cè)法

2.1 檢測(cè)方法選取

在堤防填土工程壓實(shí)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，常用的有灌砂法、環(huán)刀法、鉆芯法、無(wú)核密度儀測(cè)定法、FBT法、PFWD法以及SDG法等。灌砂法檢測(cè)一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間需要20～30min，環(huán)刀法檢測(cè)一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間需要10～15min，而鉆芯法檢測(cè)一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間需要1h，這三種方法檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，不適合快速大型工程現(xiàn)場(chǎng)的快速高效檢測(cè)。無(wú)核密度儀測(cè)定法和SDG 法的檢測(cè)裝置更加輕便，但是在檢測(cè)之前需要做必要的準(zhǔn)備工作，一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)時(shí)間一般需要2～3min；FBT檢測(cè)法操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)一個(gè)點(diǎn)僅需1min，但不能對(duì)同一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，檢測(cè)精度有待提升；PFWD 檢測(cè)法試驗(yàn)裝置體積小、組裝方便，可適用于狹窄場(chǎng)所，受外界干擾小，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)施工和檢測(cè)，做到堤防工程壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，檢測(cè)一點(diǎn)僅需1min，可在不影響工程進(jìn)度和質(zhì)量前提下實(shí)現(xiàn)快速大面積的檢測(cè)，因此工程選用PFWD法對(duì)堤防填土工程壓實(shí)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 PFWD檢測(cè)原理

PFWD是便攜式落錘彎沉儀的簡(jiǎn)稱，便攜式落錘彎沉儀主要包括兩個(gè)部分，一是動(dòng)力加載系統(tǒng)，主要由鎖定桿、滑桿、落錘、緩沖裝置、承載板等結(jié)構(gòu)組成；二是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要由操作界面和打印機(jī)組成，如圖1所示。本文選用ZFG3000型便攜式落錘彎沉儀對(duì)撫河河道堤防填土工程壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)分析，該型號(hào)PFWD 主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。PFWD檢測(cè)過(guò)程如下：①將落錘提起并將鎖定桿上部鎖定；②松開(kāi)鎖定裝置，使落錘自由下落；③落錘最終落在承載板上，對(duì)承載板產(chǎn)生一個(gè)自由落體沖擊力；④承載板受到?jīng)_擊力后產(chǎn)生位移變形；⑤數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集位移和速度參數(shù)并存儲(chǔ)在采集系統(tǒng)中，同時(shí)可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)打印出來(lái)。

表2 ZFG3000型便攜式落錘彎沉儀性能參數(shù)

圖1 ZFG3000型便攜式落錘彎沉儀

3 PFWD檢測(cè)影響因素分析

3.1 填土厚度的影響

不同填土厚度下PFWD檢測(cè)回彈模量的變化特征如圖2所示。從圖中可以看到：即使是同一類型土的碾壓施工，其動(dòng)態(tài)彈性模量的波動(dòng)也比較大，這可能與局部存在欠壓現(xiàn)象有關(guān)；填土厚度越大，彈性模量越小，但24cm厚度和36cm厚度下的彈性模量相差不大，填土厚度越薄，單位體積填土的壓實(shí)功越大，填土越密實(shí)，因而動(dòng)彈性模量越大，但是填土厚度太薄，又會(huì)影響碾壓施工效率，造成施工周期延長(zhǎng)，因此，填土厚度應(yīng)適中。

圖2 填土厚度對(duì)檢測(cè)效果的影響

3.2 落錘次數(shù)的影響

不同錘擊次數(shù)下測(cè)得的填土彎沉值如圖3所示。相同點(diǎn)位下，當(dāng)落錘次數(shù)為1時(shí)，彎沉值較大，當(dāng)落錘次數(shù)大于1時(shí)，彎沉值較第一次錘擊時(shí)有較大幅度降低，且呈緩慢減小的變化趨勢(shì)，最終趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值，這主要是因?yàn)槁溴N質(zhì)量為10kg，當(dāng)?shù)谝淮温溴N時(shí)，會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生較大的沖擊，使得彎沉值較大，在實(shí)際操作過(guò)程中，應(yīng)盡量使落錘預(yù)砸三次后，再記錄彎沉數(shù)值。

圖3 落錘次數(shù)對(duì)檢測(cè)效果的影響

3.3 重錘下落高度的影響

不同重錘下落高度下PFWD檢測(cè)回彈模量的變化特征如圖4所示。隨著落錘高度的增加，回彈模量逐漸減小，這主要是因?yàn)槁溴N高度越大，所獲得的重力勢(shì)能越大，重力勢(shì)能最終轉(zhuǎn)化為沖擊動(dòng)能，迫使承載板產(chǎn)生位移。因此，為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，在每次測(cè)試時(shí)，應(yīng)根據(jù)土壤物理力學(xué)性質(zhì)，設(shè)定統(tǒng)一合理的高度，并在測(cè)試過(guò)程中，盡量保持導(dǎo)桿垂直，以減小落錘下降過(guò)程中摩擦阻力所帶來(lái)的能量損失。

圖4 重錘下落高度對(duì)檢測(cè)效果的影響

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

壓實(shí)度是堤防填土工程最重要的質(zhì)量控制指標(biāo)，PFWD檢測(cè)法在測(cè)試過(guò)程中主要記錄落錘時(shí)間、速度、彎沉值以及回彈模量值，為使測(cè)試精度更高，通常一個(gè)點(diǎn)測(cè)試三次，取三次測(cè)試彎沉值(落錘高度均為70cm)的平均值計(jì)算回彈模量值，通過(guò)回彈模量值來(lái)判斷壓實(shí)度是否合格，因此需要確定回彈模量與壓實(shí)度之間的關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中粘性土壓實(shí)度采用環(huán)刀法進(jìn)行檢測(cè)，砂性土壓實(shí)度采用灌砂法進(jìn)行檢測(cè)，建立回彈模量與壓實(shí)度關(guān)系如圖5所示。壓實(shí)度與回彈模量之間呈良好的冪函數(shù)關(guān)系，回彈模量越高，壓實(shí)度越大；粘性土的壓實(shí)度與回彈模量關(guān)系為：K=77.782E0.0362(K表示壓實(shí)度，E表示回彈模量)，相關(guān)系數(shù)R2為0.8196，砂性土的壓實(shí)度與回彈模量關(guān)系為：K=36.025E0.2413，相關(guān)系數(shù)R2為0.8469。

圖5 回彈模量與壓實(shí)度關(guān)系

通過(guò)上文分析可知：PFWD快速檢測(cè)法能對(duì)粘性土、砂性土等不同類型堤防填土工程壓實(shí)度進(jìn)行較為準(zhǔn)確地測(cè)試，PFWD快速檢測(cè)法測(cè)試得到的回彈模量與填土工程壓實(shí)度之間呈良好的冪函數(shù)關(guān)系。通過(guò)PFWD快速檢測(cè)法得到的回彈模量，將其代入對(duì)應(yīng)類型填土材料的關(guān)系式中，可以獲得堤防填土工程的壓實(shí)度，實(shí)現(xiàn)堤防填土工程壓實(shí)指標(biāo)的快速檢測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)PFWD 檢測(cè)法試驗(yàn)裝置體積小，組裝方便，受外界環(huán)境干擾小，檢測(cè)時(shí)間短，可用于狹窄場(chǎng)地，可在不影響工程進(jìn)度和質(zhì)量前提下實(shí)現(xiàn)快速大面積檢測(cè)。

(2)隨著填土厚度的增加，動(dòng)彈性模量逐漸減小，填土工程厚度應(yīng)適中；為不影響檢測(cè)精度，應(yīng)盡量使落錘預(yù)砸三次后，再記錄彎沉數(shù)值；落錘高度對(duì)檢測(cè)回彈模量有重要影響，每次檢測(cè)的落錘高度應(yīng)盡量保持統(tǒng)一。

(3)PFWD快速檢測(cè)法所測(cè)回彈模量與堤防填土工程材料的壓實(shí)度呈良好的冪函數(shù)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)PFWD對(duì)堤防填土工程壓實(shí)指標(biāo)進(jìn)行快速檢測(cè)。

(4)本文僅對(duì)粘性和砂性堤防填土工程的壓實(shí)度進(jìn)行快速檢測(cè)分析，關(guān)于其他填筑材料的壓實(shí)度檢測(cè)還需在今后做進(jìn)一步研究。