SDG密度儀填土壓實度檢測試驗

顧歡達，杜智亮，薛國強，胡 舜

(1.蘇州科技學院土木工程學院，江蘇蘇州215011;2.常熟市住建局，江蘇蘇州215500;3.常熟市工程質量檢測中心，江蘇蘇州215500)

0 引言

在道路、堤壩及人工地基等工程領域，通過壓實填土形成地基或構筑物是常用的方式。為了保證壓實填土或構筑物的穩(wěn)定性及減小變形，控制壓實填土的密實度是關鍵。在壓實填土施工中，填土密實度測試是填土壓實質量控制的一項重要內容。目前，工程上填土密度測試常用的方法主要是體積質量方法，包括灌砂法、環(huán)刀法等，此類方法的特點是現(xiàn)場測試填土的體積與質量，再結合室內試驗確定被測填土的干密度。傳統(tǒng)方法操作簡單、結果可靠，但也有實時性差、效率低、測點分布密度小，測試數(shù)據(jù)代表性不高等缺點，開發(fā)具有實時性、能快速可靠進行現(xiàn)場填土密度測試的方法是目前研究開發(fā)的主要方向，較早提出應用的無損快速檢測技術如核子密度儀［1-3］，其主要問題是操作的安全性問題，李少波等研究了剪切波測試技術［4］，李青山、劉長發(fā)等考察了基于瑞雷波原理的壓實度測試方法［5-6］，盛安連、顧炳其等則對振動檢測技術進行了研究［7-8］。但是，以上技術由于技術要求高、操作過程復雜或者安全性要求高等原因，在實際工程中并沒有得到比較普遍的應用。SDG密度儀是一種基于電磁學原理開發(fā)的填土密度檢測儀，通過電磁感應場對材料基質電化學阻抗的變化響應來達到無損密度檢測目的。事實上，由于空氣的介電常數(shù)比土體中固體顆粒的介電常數(shù)低，土體壓實度提高后，土體中孔隙體積減小，也就伴隨著土體中空氣體積縮小，導致測試到的綜合介電常數(shù)提高。SDG密度儀通過內置數(shù)據(jù)處理器將測試數(shù)據(jù)經(jīng)計算得到填土的密度、壓實度及土體含水率等指標，以實現(xiàn)對現(xiàn)場填土密度的實時快速無損檢測，利用檢測實時性及時反映填土的壓實質量，為填土質量實時控制提供必要的條件;同時利用其無損性提高檢測效率。

SDG密度儀作為填土密度無損檢測新技術，除了具有實時、快速、安全性高等特點以外，還有攜帶操作簡便、數(shù)據(jù)存儲容量大及可重復測試等優(yōu)點，對于提高諸如路基、堤壩及其他填土工程的壓實度檢測效率及現(xiàn)場質量控制水平是十分有利的。但是，目前存在的問題主要有以下3方面:①SDG密度儀填土壓實度檢測技術的開發(fā)及國內引進時間都比較短，目前為止尚未有比較多的工程使用積累及經(jīng)驗［9］;②對密度測試儀本身的性能及適用性了解不深;③尚未建立能用于工程質量檢測的技術標準及要求。由于上述原因，限制了該項技術在工程中的實際應用。為此，需要通過大量的基礎研究及數(shù)據(jù)積累，掌握測試儀本身的性能及適用性，同時進行合理科學的效果評價，為進一步建立現(xiàn)場測試技術標準和方法確立必要的理論和技術依據(jù)。在此，主要是以技術應用為目的，結合常熟市長江路耿涇塘橋改造工程的路基壓實度檢測項目，通過現(xiàn)場與室內模擬試驗相結合的方法，對SDG密度儀填土壓實度測試的適用性進行研究。

1 SDG密度儀簡介及前置參數(shù)

SDG密度儀基于電磁學原理采用電化學阻抗圖譜技術，通過電磁感應場對材料基質電化學阻抗的變化響應達到填土無損檢測目的。測試儀本身主要由傳感器及顯示存儲處理器等兩個部分組成。測試時將其置于被測壓實填土上，對于每一個測試點，為了提高測試數(shù)據(jù)的準確性及可靠性，按一定順序改變測試位置并分別進行測試(圖1)，5次測試完成后數(shù)據(jù)處理器自動計算并顯示該測試點的填土壓實度數(shù)據(jù)。根據(jù)密度儀的性能，測試儀可以測試深度30 cm，直徑28 cm范圍內的壓實填土密度等。

圖1 SDG密度儀測試步驟Fig.1 Testing steps of soil density gauge

為了滿足實時性要求，測試前需要預先輸入被測土體的前置參數(shù)，主要包括最大干密度、最優(yōu)含水量、土的塑液限指標、土的顆粒分布參數(shù)等。本次試驗包括室內模擬壓實試驗及現(xiàn)場試驗，其中室內試驗為素土，現(xiàn)場壓實填土分別為7%灰土及10%灰土，依據(jù)JTG E 40—2007《公路土工試驗規(guī)程》對試驗用土實施預備試驗，得到不同土類的前置參數(shù)見表1，不同土類的顆粒分布曲線見圖2。根據(jù)預備試驗結果可知，3種土的塑性指數(shù)IP均大于10，顆粒分布以粒徑小于0.075 mm的細粒土為主，因此，室內試驗用土及現(xiàn)場壓實填土均屬于黏性土類。

表1 試驗中不同土類的前置參數(shù)Table 1 Preset parameters of different kinds of soil in tests

圖2 土的顆粒分布曲線Fig.2 Soil grain gradation curves

2 試驗方法

SDG密度儀填土壓實度試驗內容主要包括現(xiàn)場及室內模擬試驗兩部分?，F(xiàn)場試驗選擇正在施工中的路基填土分別用SDG密度儀及灌砂法進行對比試驗，其中7%灰土路基選擇6個測點，10%灰土路基選擇15個測點分別實施密度測試。在用SDG密度儀進行測試過程中，每個測試點實施不少于3次的重復測試，取其平均值作為測試值。圖3為SDG密度儀現(xiàn)場測試情況。

圖3 SDG密度儀的現(xiàn)場測試Fig.3 Site testing of soil density gauge

室內試驗主要是利用土槽模擬壓實填土條件，在不同條件下用SDG密度儀測試填土密度，同時用環(huán)刀法測試填土密度進行對比。土槽尺寸45 cm×45 cm×30 cm(圖4)，試驗過程中為了控制模擬壓實填土的密度及含水率，先按設定含水率制備土樣，然后按設定的密度條件分3層將一定量的制備土樣用擊錘通過夯擊的方式填入土槽，嚴格控制每層填土的體積，以控制填土密度滿足設定的密度條件。

圖4 SDG密度儀室內試驗土槽Fig.4 Lab testing of soil density gauge

3 試驗結果與分析

3.1 填土密度測試的對比分析

為了檢驗SDG密度儀作為填土壓實度檢測的可靠性與穩(wěn)定性，利用室內模擬壓實填土試驗及現(xiàn)場測試，對SDG密度儀測試結果與常規(guī)測試法所得到的結果進行對比分析。在室內模擬填土試驗中，先按干密度1.55 g/cm3、含水率17%在土槽中形成模擬壓實填土，然后分別用SDG密度儀及環(huán)刀進行填土的密度測試。為了檢驗SDG密度儀的可靠性，在同樣條件下用SDG密度儀對模擬壓實填土進行多次重復測試，用環(huán)刀測試填土密度時，為確保測試值的準確性，分別按上中下3層測試填土的密度，然后取其平均值作為模擬壓實填土的密度值。根據(jù)圖5顯示的測試結果，SDG密度儀測試的模擬壓實填土干密度均值為1.597 g/cm3，環(huán)刀測試干密度為1.554 g/cm3，SDG密度儀測試均值略大于環(huán)刀測試值，兩者的相對偏差率為2.8%(相對偏差率定義為兩者的差值與環(huán)刀測試值之比)，從各次測試的離散情況看，大部分SDG密度儀測試值與均值之間的偏差率小于3%，而SDG測試值與環(huán)刀測試值之間的偏差率基本上都小于5%。以上重復測試結果說明，在室內模擬壓實填土條件下，SDG密度儀測試干密度值與填土實際干密度比較接近，多次重復測試值也基本上位于均值附近，離散性不明顯。

圖5 室內模擬壓實填土密度測試值Fig.5 Compacting embankment density in lab tests

為了更進一步說明問題，在改變模擬填土條件下重新進行測試，此時模擬填土設計干密度1.62 g/cm3，設計含水率19%，經(jīng)重復14次測試的模擬填土干密度情況見圖6。密度儀測試均值為1.629 g/cm3，環(huán)刀測試值為 1.616 g/cm3，偏差率為0.8%，SDG測試值與均值或環(huán)刀測試值之間的偏差率基本上小于3%。以上室內模擬試驗結果顯示，在實驗室模擬壓實填土條件下，利用SDG密度儀進行壓實填土的密度測試，具有比較好的可靠性與準確性，SDG密度儀體現(xiàn)出填土密度測試的實時性、準確性及快速性等特點。

圖6 室內模擬壓實填土密度測試值Fig.6 Compacting embankment density in lab tests

為檢驗SDG密度儀在不同條件下測試結果的可靠性，在室內模擬壓實填土試驗基礎上，進一步進行了現(xiàn)場壓實填土的SDG密度儀測試?，F(xiàn)場選擇已完成施工的道路基層進行測試，填土條件分別為7%及10%灰土，各項土質參數(shù)見表1。作為對比試驗，現(xiàn)場同時進行灌砂法試驗。圖7顯示為10%灰土層的SDG測試及灌砂法測試結果，根據(jù)15個測點的對比試驗，密度儀測得的干密度均值為1.504 g/cm3，灌砂法測到的干密度均值為1.497 g/cm3，偏差率0.47%。兩種方法測試得的均值很接近，SDG密度儀測得的干密度值比較可靠地反映了灰土層的實際壓實情況。從各測點的離散情況看，密度儀測得的各測點測試值與均值之間的偏差率基本上小于5%，平均絕對偏差率為1.63%，而灌砂法各測點測試值與均值之間的偏差率除個別測點外基本上小于5%，平均絕對偏差率為3.29%，可以認為兩種測試方法其測試值的離散程度也是比較接近的。

圖7 現(xiàn)場10%灰土壓實填土密度測試值Fig.7 Compacting embankment of 10%lime soil in site tests

圖8顯示7%灰土層的對比試驗結果?？梢钥闯?，密度儀測試干密度均值1.745 g/cm3，灌砂法測試干密度均值1.426 g/cm3，兩者出現(xiàn)比較明顯的差異，偏差率達到22.4%，而觀察密度儀法及灌砂法密度測試值的離散情況，與各自均值相對應的平均絕對偏差率均未超過3%，各測點的測試值比較接近，可以認為兩種方法所反映出來的測試數(shù)據(jù)差異是由于SDG密度儀本身的系統(tǒng)性誤差引起的。

圖8 現(xiàn)場7%灰土壓實填土密度測試值Fig.8 Compacting embankment density of 7%lime soil in site tests

綜上所述，在適合的條件下，SDG密度儀填土密度測試值具有比較好的可靠性及準確性，但是，若填土條件出現(xiàn)超出其適用范圍，則密度儀密度測試值會出現(xiàn)比較明顯偏差。

3.2 SDG密度儀的適用性探討

根據(jù)室內及現(xiàn)場對比試驗結果，可以認為在用SDG密度儀進行填土密度測試時，存在一定的適用條件或范圍，在滿足條件或適用范圍的情況下，密度儀能獲得比較好的測試效果，否則會出現(xiàn)比較明顯的誤差而難以反映填土的實際密度狀態(tài)。結合室內模擬試驗結果考察填土的SDG密度儀測試密度與實測密度之間的關系(圖9)，可以看出室內模擬壓實填土及現(xiàn)場10%灰土測試值基本上處于對角線附近，而現(xiàn)場7%灰土測試值明顯位于對角線上方。說明前者兩種方法得到的測試值比較接近，而后者密度儀測試值明顯大于實測值。

圖9 實測干密度與SDG測試干密度Fig.9 Measured dry density versus SDG measured dry density

進一步考察室內模擬填土及現(xiàn)場填土的測試條件，主要有兩個方面值得注意:①對于室內模擬填土及現(xiàn)場10%灰土層，其實測干密度均值為1.531 g/cm3，而現(xiàn)場7%灰土層的實測干密度均值為1.43 g/cm3，前者明顯大于后者，即前者填土的密實程度要高于后者。說明SDG密度儀填土密度測試對填土本身的密實程度具有一定的依存性;②用密度儀進行測試的過程中可同時測試填土的含水率。根據(jù)密度儀測試的填土含水率數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)當密度儀測得的填土密度與實測填土密度出現(xiàn)較大偏差時，密度儀測試的填土含水率與填土實測含水率也會出現(xiàn)比較明顯的偏差(圖10)。

圖10 實測含水率與SDG測試含水率Fig.10 Measured water content versus SDG measured water content

從圖10中可以看出，現(xiàn)場10%灰土層及室內模擬填土的含水率數(shù)據(jù)點基本上位于對角線附近，而現(xiàn)場7%灰土層的數(shù)據(jù)點明顯偏離對角線且位于其上方，說明引起密度儀干密度測試值與填土實測干密度之間差異的主要原因是密度儀測試的填土含水率與實際填土含水率存在偏差。

根據(jù)室內及現(xiàn)場SDG密度儀填土密度測試數(shù)據(jù)分析，在密度儀測試的含水率比較接近于填土實際含水率時，則密度儀測到的填土干密度與填土實際干密度比較接近;反之，當密度儀測的填土含水率與填土實際含水率之間出現(xiàn)明顯偏差時，密度儀測得的填土干密度與填土實際干密度之間也會出現(xiàn)比較明顯的偏差。圖11反映了密度儀測得的填土干密度偏差率與含水率偏差率之間的相關關系。可以看出，SDG密度儀測試干密度偏差率與測試的含水率偏差率之間基本上是正相關的關系，即在用密度儀進行填土干密度測試時其測試含水率的偏差與測試填土干密度偏差是密切相關的。另外，從圖11中可以看出，所有數(shù)據(jù)點基本位于對角線下方，說明在一般情況下SDG密度儀測的填土干密度偏差程度要低于其含水率偏差程度。

圖11 干密度偏差率與含水率偏差率Fig.11 Dry density deviation ratio versus water content deviation ratio

基于SDG密度儀密度測試原理，主要是利用不同介質中的介電常數(shù)變化反映填土孔隙特征并據(jù)此換算密度指標。根據(jù)壓實填土狀態(tài)，一般處于不飽和狀態(tài)，即填土孔隙中同時存在空氣與水，其中水的含量與填土本身調整含水率有關。由于填土的不飽和性質，實際上填土含水率變化與填土孔隙體積變化并不存在對應關系，填土含水率僅反映填土的飽和程度。在SDG密度儀密度測試過程中，對于填土密度較小，即填土中孔隙體積占比較大且飽和度不高的情況下，依據(jù)介電常數(shù)的變化及電阻抗反應譜的概念用SDG密度儀測得的填土含水率要明顯高于填土實際含水率，且由此換算出的填土濕密度也相應增大。從圖12可以看出，SDG密度儀測得填土濕密度與其測得填土含水率基本上存在線性比例關系，說明密度儀測得填土含水率高，即意味著其測得填土濕密度也相應提高，而實際填土由于密度小，土體內部孔隙體積明顯增大引起的介電常數(shù)發(fā)生明顯變化，并不意味著填土含水率提高或濕密度的增加。這就導致SDG密度儀測試干密度與填土實際干密度產生了比較明顯的差異。以上結果說明，用SDG密度儀測試填土壓實度具有一定的適用范圍，根據(jù)現(xiàn)有的試驗結果，室內模擬填土及現(xiàn)場10%灰土層的實測平均干密度為1.531 g/cm3，而現(xiàn)場7%灰土層的實測平均干密度為1.43 g/cm3，因此，可以認為當填土實際干密度大于1.5 g/cm3時(圖9)，SDG密度儀的干密度測試值與填土實際干密度比較接近。在實際應用過程中需要進一步累積測試數(shù)據(jù)，對由此所產生的系統(tǒng)誤差考慮適當?shù)男拚椒ㄒ蕴岣逽DG密度儀的測試精度及可靠性。

圖12 SDG測試含水率與SDG測試濕密度Fig.12 SDG measured water content versus SDG measured moisture density

為了考察SDG密度儀對于不同土類的適用性，在密度儀輸入前置參數(shù)中調整土的輸入塑液限指標從而調整土的塑性指數(shù)。在土的分類原則中常用土的塑性指數(shù)IP作為黏性土的分類標準，若細粒土的塑性指數(shù)IP＞10，常將其定義為黏性土。因此，在室內模擬填土試驗中，通過調整輸入的塑液限值來調整土的塑性指數(shù)并用SDG密度儀進行填土的密度測試。圖13為SDG密度儀輸出的填土含水率隨塑性指數(shù)的變化情況，圖中虛線所指的是土的實測塑液限值。

圖13 SDG測試含水率與輸入塑液限指標Fig.13 SDG measured water content versus input plastic limit and liquid limit

根據(jù)圖13測試結果可以觀察到，無論是固定塑限值同時增大液限值還是固定液限值同時減小塑限值，只要滿足根據(jù)塑液限值所確定的塑性指數(shù)IP大于土的實際塑性指數(shù)值條件，輸入塑液限值的大小對填土含水率的輸出結果沒有影響。由此同樣可以得到如圖14的結果，即在滿足上述條件的情況下，SDG密度儀輸出的填土干密度值幾乎不變，與輸入塑液限的取值無關。

圖14 SDG測試密度與輸入塑液限指標Fig.14 SDG measured density versus input plastic limit and liquid limit

若以塑性指數(shù)為橫坐標，進一步考察SDG密度儀輸出的填土含水率值及干密度值隨塑性指數(shù)的變化情況(圖15、圖16)，則可以觀察到，只要輸入的塑性指數(shù)IP值滿足大于10的條件，則SDG密度儀輸出的填土含水率值與干密度值與輸入的塑性指數(shù)無關，而當由塑液限值確定的塑性指數(shù)小于10時，SDG密度儀輸出的含水率值與干密度值將出現(xiàn)明顯的差異。

圖15 SDG測試含水率與輸入塑性指數(shù)Fig.15 SDG measured water content versus input plasticity index

圖16 SDG測試密度與輸入塑性指數(shù)Fig.16 SDG measured density versus input plasticity index

根據(jù)以上的考察，可以認為SDG密度儀適合于由黏性土構成的壓實填土的密度測試，而對于塑性指數(shù)小于10的非黏性土填土，SDG密度儀的使用將會受到限制。

4 結語

根據(jù)室內模擬填土及現(xiàn)場填土試驗，對SDG密度儀用于填土壓實度測試的適用性及可靠性進行了研究，研究結果主要有以下幾方面:

1)SDG密度儀在用于壓實填土的密度或壓實度測試時，能滿足現(xiàn)場快速、實時、無損檢測的目的，SDG密度儀本身具有比較良好的穩(wěn)定性，在同樣條件下所得測試值的離散性比較小、重復測試時的再現(xiàn)性比較好，可以滿足填土壓實度測試的可靠性及穩(wěn)定性要求。

2)壓實填土自身的密度條件對SDG密度儀密度測試值的準確性會產生影響，若填土密度過小，尤其是當填土干密度明顯小于1.5 g/cm3時，SDG密度儀的干密度測試值與填土實際干密度之間會產生比較明顯的差異，其原因主要是由于SDG測試的填土含水率與填土的實際含水率之間存在明顯的差異，當填土干密度接近或大于1.5 g/cm3時，SDG密度儀填土干密度測試值與填土實際干密度值比較接近，具有比較好的準確性。

3)根據(jù)試驗結果分析，SDG密度儀填土壓實度測試基本上適合于塑性指數(shù)大于10的黏性填土條件，對于不滿足塑性指數(shù)大于10的非黏性填土，SDG密度儀的填土干密度測試值與實際填土干密度相比較會出現(xiàn)明顯的差異。

［1］ 楊怡，陳夢成.核子密度儀在高速公路中的應用［J］.公路與汽運，2005(5):95-96.

Yang Yi，Chen Mengcheng.Application of nuclear density and moisture gauge in highway engineering［J］.Highways＆ Automotive Applications，2005(5):95-96.

［2］ 聶翔.核子密度濕度儀在公路工程質量控制中的應用［J］.福建建設科技，2010，3(2):78-79.

Nie Xiang.Application of nuclear density and moisture gauge in highway engineering quality control［J］.Fujian Construction Science＆ Technology，2010，3(2):78-79.

［3］ Veenstra M W，Schaefer V R，White D J.Synthesis of nondestructive testing technologies for geometrical applications［J］.Center for Transportation Research and Education，2005，8(4):78-79.

［4］ 李少波，張獻名，智勝英.路基壓實度剪切波測試新技術［J］.公路交通科技，2008，3(3):32-37.

Li Shaobo，Zhang Xianmin，Zhi Shengying.Detecting subgrade compactness by direct shear wave method［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2008，3(3):32-37.

［5］ 李青山，張獻民，李紅英.路基壓實度的瞬態(tài)瑞雷波檢測法［J］.河北工業(yè)大學學報，2003，3(2):27-30.

Li Qingshan，Zhang Xianmin，Li Hongying.The method of transient Reyleigh wave applied in roadbed compaction degree test［J］.Journal of Hebei University of Technology，2003，3(2):27-30.

［6］ 劉長發(fā)，趙明階，汪魁.土石混填路基壓實度波動計算模型研究［J］.重慶交通大學學報:自然科學版，2011，30(3):415-418，513.

Liu Changfa，Zhao Mingjie，Wang Kui.Calculation model for soilstone mixture foundation’s compaction degree according to wave propagation velocity［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2011，30(3):415-418，513.

［7］ 盛安連，顧炳其.路基壓實度快速測定瞬態(tài)沖擊法［J］.土木工程學報，1998，2(1):67-71.

Sheng Anlian，Gu Bingqi.Instantaneous impulsion method for rapid measurement of subgrade compactness［J］.China Civil Engineering Journal，1998，2(1):67-71.

［8］ 顧炳其，馬榮貴.路基壓實度快速測定的瞬態(tài)沖擊頻譜分析法［J］.西安公路交通大學學報，1997，17(4):37-41.

Gu Bingqi，Ma Ronggui.A method of shock frequency analysis in subgrade compaction measurement［J］.Journal of Xi'an Highway University，1997，17(4):37-41.

［9］ 王志強，孫巖，錢光磊.用無核土壤密度儀測定壓實度［J］.油氣田地面工程，2010(12):84-85.

Wang Zhiqiang，Sun Yan，Qian Guanlei.Compaction measurement with soil density gauge ［J］.Oil-Gasfield Surface Engineering，2010(12):84-85.