陳康軍， 徐有為

(湖南聚創(chuàng)建筑科技有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410205)

0 引言

壓實(shí)度檢測(cè)是控制公路路基壓實(shí)質(zhì)量的重要手段。目前路基現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)方法主要有：灌砂法、核子密度儀法、環(huán)刀法、水袋法等[1-3]。由于規(guī)范中規(guī)定核子密度儀檢測(cè)方法只適用于施工現(xiàn)場(chǎng)的快速評(píng)定，不宜用作仲裁試驗(yàn)或評(píng)定驗(yàn)收的依據(jù);同時(shí)核子密度儀法的有射源對(duì)人體存在一定的輻射，使得核子密度法的應(yīng)用得不到廣泛推廣[4-7]。環(huán)刀法、水袋法受適用性和試驗(yàn)時(shí)間影響采用較少，因而灌砂法檢測(cè)壓實(shí)度是目前公路工程路基壓實(shí)度檢測(cè)的主要方法?；趯?duì)壓實(shí)度質(zhì)量的嚴(yán)格控制，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)壓實(shí)度檢測(cè)的頻次要求較高，工程中壓實(shí)度檢測(cè)過(guò)程中往往試驗(yàn)檢測(cè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度很大。路基施工的高峰季節(jié)常需要大批試驗(yàn)人員駐現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)人工挖孔、灌砂、稱量、測(cè)定含水率的工作繁瑣而費(fèi)時(shí)，同時(shí)檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)性與檢測(cè)人員的技術(shù)水平及責(zé)任心有很大關(guān)系；在檢測(cè)人員數(shù)量不足的情況下，為滿足檢測(cè)頻次要求，數(shù)據(jù)作假的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，這給掌握現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)壓實(shí)質(zhì)量增加了不確定因素，導(dǎo)致一些壓實(shí)度不合格的路段可能進(jìn)入下一道工序，在后續(xù)的施工過(guò)程或運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)質(zhì)量問題，對(duì)此采取的補(bǔ)救措施成本很高，且會(huì)造成不良的社會(huì)影響?；诖耍O(shè)計(jì)出一種全自動(dòng)灌砂法快速檢測(cè)壓實(shí)度設(shè)備非常有必要。

1 智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

灌砂法壓實(shí)度智能檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖1所示，該系統(tǒng)以《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)、《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG 3450—2019)和《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80—2017)相關(guān)灌砂法壓實(shí)度及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試隨機(jī)選點(diǎn)方法等條文為理論基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)程序完成隨機(jī)取樣和相關(guān)計(jì)算；通過(guò)可編程邏輯控制器控制步進(jìn)電機(jī)完成取樣孔的快速開挖及灌砂孔位與鉆孔孔位的位置切換，控制模擬量電動(dòng)閥門實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量灌砂；采用高頻加熱技術(shù)快速均勻地對(duì)試樣進(jìn)行烘干。挖孔、灌砂過(guò)程嚴(yán)格遵循規(guī)范的精度和操作要求，并以機(jī)械智能控制取代人工操作。高頻加熱

圖1 灌砂法壓實(shí)度智能檢測(cè)系統(tǒng)原理

以烘干原理為基礎(chǔ)，溫度控制在與酒精燃燒法加熱相同的溫度，提高了烘干效率。

2 智能檢測(cè)系統(tǒng)組成

2.1 中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)主要由平板電腦與可編程邏輯控制器PLC組成?？删幊踢壿嬁刂破鱌LC可接受和發(fā)送模擬量信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)，并與平板電腦通過(guò)MODBUS485串口連接，開關(guān)量信號(hào)包括控制電子元器件的啟動(dòng)和停止，模擬量信號(hào)包括控制電動(dòng)閥門的開合度等。通過(guò)平板電腦人機(jī)交互界面操作指令和接受反饋顯示數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各個(gè)元器件的控制與反饋接受，是檢測(cè)系統(tǒng)智能化的核心。

2.2 鉆孔換位控制

切割取芯鉆孔會(huì)對(duì)檢測(cè)孔壁形成擠壓，導(dǎo)致檢測(cè)孔的體積發(fā)生變化從而影響檢測(cè)精度，采用旋挖方式可在減少對(duì)側(cè)壁擠壓的同時(shí)，通過(guò)螺旋葉片將打碎的土樣自孔底傳輸上來(lái)。在鉆孔與灌砂筒之間設(shè)置有換位機(jī)構(gòu)，可自動(dòng)進(jìn)行位置切換，保證鉆孔與灌砂筒下落位置的誤差<1 mm。旋挖鉆孔將土體傳送至地面的土體收集箱內(nèi)，少量細(xì)碎土樣可通過(guò)設(shè)備上的吸塵器吸取后置于土樣收集箱內(nèi)。

2.3 灌砂智能控制

灌砂系統(tǒng)由砂箱、電動(dòng)閥門、灌砂筒、稱重傳感器等組成。首先進(jìn)行灌砂筒標(biāo)定，灌砂時(shí)將其懸掛在稱重傳感器上，根據(jù)檢測(cè)要求由中央控制系統(tǒng)控制灌砂筒中加入標(biāo)準(zhǔn)砂。精準(zhǔn)控制加砂量程序：電動(dòng)閥門全部打開，加入標(biāo)準(zhǔn)砂→標(biāo)準(zhǔn)砂加入質(zhì)量超過(guò)預(yù)設(shè)質(zhì)量50%→自動(dòng)控制電動(dòng)閥門開度為50%→繼續(xù)往灌砂筒中加入標(biāo)準(zhǔn)砂→灌砂筒中標(biāo)準(zhǔn)砂質(zhì)量達(dá)到預(yù)設(shè)值80%→自動(dòng)控制電動(dòng)閥門開度為15%左右→繼續(xù)往灌砂筒中加入標(biāo)準(zhǔn)砂至95%→自動(dòng)控制電動(dòng)閥門開度為5%→加砂到預(yù)設(shè)質(zhì)量。在此過(guò)程，通過(guò)加砂質(zhì)量的實(shí)時(shí)反饋，及時(shí)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)砂的加入速度，實(shí)現(xiàn)精確加量。加砂完成后，系統(tǒng)等待30 s，待灌砂筒穩(wěn)定平衡后緩緩就位檢測(cè)孔，灌砂筒閥門自動(dòng)打開，持續(xù)120 s自動(dòng)關(guān)閉并稱量灌砂筒質(zhì)量，即得到灌入標(biāo)準(zhǔn)砂的質(zhì)量，減去之前標(biāo)定的三角錐質(zhì)量，得到檢測(cè)孔灌入標(biāo)準(zhǔn)砂的質(zhì)量并換算得到檢測(cè)孔體積。

2.4 高頻加熱系統(tǒng)

高頻加熱系統(tǒng)分為2組，每組設(shè)有200 g容量的坩堝1個(gè)(容量根據(jù)土的粒徑選擇)，內(nèi)置石墨導(dǎo)熱網(wǎng)篩1個(gè)(網(wǎng)狀更適合于熱量的均勻擴(kuò)散)，往坩堝加入約200 g土樣至加熱銅質(zhì)線圈內(nèi)，通過(guò)高頻加熱(700 ℃～900 ℃)約8 min，將土樣充分烘干。再次稱量樣品質(zhì)量計(jì)算得到土體含水率并取平均值。

2.5 稱量系統(tǒng)

灌砂法檢測(cè)壓實(shí)度稱量過(guò)程包含：標(biāo)準(zhǔn)砂稱重、取土稱重以及含水率樣品稱重。根據(jù)稱量的質(zhì)量不同，選擇3套不同的質(zhì)量傳感器，其中：土樣及標(biāo)準(zhǔn)砂稱重采用精度1 g、量程10 kg的傳感器；含水率樣品稱重選擇精度0.01 g、量程1000 g的稱重傳感器。所有傳感器均與可編程邏輯控制器相連，并可直接通過(guò)平板電腦操作進(jìn)行質(zhì)量顯示。

3 系統(tǒng)適用范圍

灌砂法壓實(shí)度智能檢測(cè)系統(tǒng)適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定基層、底基層、砂石路面及路基土等各種壓實(shí)層的密度和壓實(shí)度，集料粒徑需≤31.5mm。不適用于填石路堤等有大孔洞或大孔隙的材料壓實(shí)度檢測(cè)。

4 含水率高頻加熱檢測(cè)與人工檢測(cè)對(duì)比分析

選擇從同一檢測(cè)孔內(nèi)提取土樣，封存后分別以高頻加熱、酒精燃燒、烘箱烘干(105 ℃、6 h)3種方式檢測(cè)土樣的含水率。其中高頻加熱檢測(cè)選取最高溫度700 ℃，將加熱時(shí)間6.5 min與加熱時(shí)間7 min的土樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果如表1～表4所示。

表1 酒精燃燒法含水率檢測(cè)結(jié)果盒+濕土質(zhì)量/g土樣質(zhì)量/g盒+干土質(zhì)量/g含水率/%平均含水率/%321.52200.00291.3615.08324.51200.00294.2315.1415.11320.62200.00290.3815.12

表2 烘箱烘干檢測(cè)結(jié)果盒+濕土質(zhì)量/g土樣質(zhì)量/g盒+干土質(zhì)量/g含水率/%平均含水率/%351.52200.00321.1215.2015.31350.54200.00319.7115.42

表3 高頻加熱檢測(cè)結(jié)果(6.5 mim)坩堝+濕土質(zhì)量/g土樣質(zhì)量/g坩堝+干土質(zhì)量/g含水率/%平均含水率/%353.21200.00 522.6115.30 15.20353.42200.00 523.2215.10 351.71200.00 521.22 15.25 15.18351.82200.00 521.63 15.10 351.33200.00 521.07 15.13 15.30351.81200.00 520.90 15.46

表4 高頻加熱檢測(cè)結(jié)果(7 mim)坩堝+濕土質(zhì)量/g土樣質(zhì)量/g坩堝+干土質(zhì)量/g含水率/%平均含水率/%352.32200.00523.2214.5514.66353.12200.00523.6114.76

通過(guò)表1～表4對(duì)比分析，現(xiàn)場(chǎng)酒精燃燒法檢測(cè)含水率與試驗(yàn)室烘箱含水率檢測(cè)相差為0.21%(含土樣的離散)。高頻加熱6.5 min與高頻加熱7 min含水率相差0.64%，高頻加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致部分土樣燒結(jié)，部分元素也會(huì)在高溫下氣化，導(dǎo)致含水率降低，偏離實(shí)際結(jié)果。高頻加熱6.5 min與酒精燃燒、烘箱烘干比較，分別相差0.09%與最多0.15%。以試驗(yàn)室烘箱含水率數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在高頻溫度與時(shí)間控制精確的情況下,其檢測(cè)結(jié)果偏差較小，與現(xiàn)場(chǎng)酒精燃燒法含水率檢測(cè)偏差相當(dāng)，在現(xiàn)場(chǎng)可以替代酒精燃燒法進(jìn)行含水率快速檢測(cè)。

5 壓實(shí)度智能與人工檢測(cè)結(jié)果及效率對(duì)比分析

5.1 壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

灌砂法壓實(shí)度智能檢測(cè)系統(tǒng)在湖南常祁高速公路上與人工檢測(cè)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，在某一路段選擇10個(gè)檢測(cè)點(diǎn)以人工方式進(jìn)行檢測(cè)，并在人工檢測(cè)點(diǎn)40 cm范圍內(nèi)使用智能系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)(在40 cm范圍內(nèi)認(rèn)為壓實(shí)度差異較小)。

通過(guò)人工與智能檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可知(見表5、表6)，在同一位置，兩種方法檢測(cè)出的壓實(shí)度數(shù)據(jù)差異很小，最大相差為0.7%，酒精燃燒法含水率檢測(cè)與高頻加熱含水率檢測(cè)的結(jié)果最大相差0.4%。

表5 傳統(tǒng)人工壓實(shí)度檢測(cè)數(shù)據(jù)表測(cè)點(diǎn)樁號(hào)濕密度/(g·cm-3)平均含水率/%干密度/(g·cm-3)最大干密度/(g·cm-3)壓實(shí)度/%K0+0501.83 10.52 1.66 1.72 96.4 K0+0781.84 10.78 1.66 1.72 96.3K0+0801.83 10.22 1.66 1.72 96.6 K0+0881.80 10.85 1.62 1.72 94.3K0+0951.82 10.21 1.65 1.72 96.0K0+1021.85 10.45 1.67 1.72 97.3 K0+1051.78 10.06 1.62 1.72 94.0 K0+1101.81 11.21 1.63 1.72 94.7K0+1141.80 11.56 1.62 1.72 93.9 K0+1191.83 12.861.63 1.72 94.5

表6 智能檢測(cè)系統(tǒng)壓實(shí)度檢測(cè)數(shù)據(jù)表測(cè)點(diǎn)樁號(hào)濕密度/(g·cm-3)平均含水率/%干密度/(g·cm-3)最大干密度/(g·cm-3)壓實(shí)度/%K0+0501.8310.721.651.7295.9K0+0781.8310.551.661.7296.3K0+0801.8310.361.661.7296.3K0+0881.7910.451.621.7294.1K0+0951.8210.451.651.7296.1K0+1021.8310.331.661.7296.6K0+1051.7910.281.621.7294.4K0+1101.8111.011.631.7294.8K0+1141.8011.221.621.7294.3K0+1191.8312.561.631.7294.6

5.2 壓實(shí)度檢測(cè)效率對(duì)比分析

常規(guī)人工進(jìn)行灌砂法壓實(shí)度檢測(cè)，以2人為1組完成1個(gè)孔位的壓實(shí)度檢測(cè)(現(xiàn)場(chǎng)采用酒精燃燒法快速測(cè)定含水率)耗費(fèi)約1 h，一天工作8 h,平均可完成8個(gè)孔位的壓實(shí)度檢測(cè)。采用智能系統(tǒng)進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)平均耗時(shí)約10 min，一天工作8 h,平均可完成48個(gè)孔位的壓實(shí)度檢測(cè)；系統(tǒng)由2人操作，檢測(cè)效率提高6倍，且人工僅需完成輔助性工作，勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。

以1 a為期限(適合路基填方壓實(shí)的氣候天數(shù)約為180 d)，完成相同的檢測(cè)任務(wù)。智能檢測(cè)需要人工費(fèi)用：2人×6000元/月×6月=72000元，能耗費(fèi)用：100 元/d×180 d=18000元，總計(jì)費(fèi)用90000元。人工檢測(cè)人工費(fèi)用：2人×6000元/月×6月×6=432000元。1 a內(nèi)可節(jié)省

費(fèi)用342000元，節(jié)省79.2%。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了灌砂法壓實(shí)度智能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、各主要組成部分，并就高頻加熱含水率這一現(xiàn)場(chǎng)含水率快速檢測(cè)方法與傳統(tǒng)方式進(jìn)行了數(shù)據(jù)對(duì)比分析，同時(shí)就智能檢測(cè)的檢測(cè)精度、檢測(cè)效率與傳統(tǒng)方式進(jìn)行了研究,得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 通過(guò)計(jì)算機(jī)程序完成隨機(jī)取樣和相關(guān)計(jì)算，提高了隨機(jī)選點(diǎn)效率，規(guī)范了測(cè)試位置，保證了測(cè)點(diǎn)的代表性。

2) 高頻加熱法含水率檢測(cè)與試驗(yàn)室烘箱烘干、現(xiàn)場(chǎng)酒精燃燒法檢測(cè)精確度相當(dāng)，可以替代酒精燃燒法進(jìn)行含水率快速檢測(cè)。

3) 灌砂法壓實(shí)度智能檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確度滿足試驗(yàn)檢測(cè)要求，檢測(cè)效率相比較人工檢測(cè)可提高6倍，大大降低了檢測(cè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

該系統(tǒng)符合《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80—2017)，是一種精度高、效率高的快速檢測(cè)方法，具有很好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。