核子密度儀檢測路基干密度可靠性分析

高順峰，馬定樂

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

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核子密度儀檢測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)計研究院，太原 030001；2. 廣東交通實業(yè)投資有限公司， 廣州 514000)

以西寶公路某改建工程實例，對不同壓實區(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，對檢測試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計方法分析了兩種檢測結(jié)果之間的相關(guān)性，同時進(jìn)行了試驗結(jié)果的盒形圖分析。分析結(jié)果表明，核子密度儀檢測結(jié)果與灌砂法檢測結(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)分布的對稱性略有差別；核子密度儀與灌砂法兩種測試結(jié)果的中值、內(nèi)距、極差接近，數(shù)據(jù)特征一致，中位數(shù)、對稱性等的微小的差異不會影響干密度的評價結(jié)果?？傮w而言，用核子密度儀檢測路基能滿足工程要求，其檢測結(jié)果與灌砂法檢測結(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

隨著我國公路建設(shè)的發(fā)展，高等級公路的修建日益增加。因此高等級公路的施工工藝、檢測技術(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度檢測中起了重要的作用。路基工程機(jī)械化程度高、工期緊，灌砂法檢測干密度費(fèi)時費(fèi)力，有時會影響工程進(jìn)度[1-2]。用核子密度儀檢測路基干密度是當(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。它操作簡單，測定迅速，使用便捷，可用于檢測各種壓實土的干密度，特別適合于配合大面積的路基填土施工，其檢測效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的方法。但部分技術(shù)人員對核子密度儀法檢測結(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]。王朝東通過工程實例的試驗數(shù)據(jù)對比指出，核子密度儀法檢測結(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)量檢測中的應(yīng)用[7～11]。但上述研究是針對同一種工況采用多種檢測手段對比分析，缺乏不同工況之間的對比研究。

1 場地條件及工程質(zhì)量要求

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

試驗地點為西寶公路改建工程，試驗時間為2010年8月。試驗時在確定的測點先采用核子密度儀法檢測干密度，再用灌砂法檢測同一測點的干密度。現(xiàn)場取得93區(qū)、94區(qū)和96區(qū)素土路基檢測數(shù)據(jù)各20組，4%、7%和12%灰土路基檢測數(shù)據(jù)各20組，總計120組檢測數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果與分析2.1 灰土路基干密度檢測試驗結(jié)果分析

本文選取的三個試驗段石灰含量分別為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，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 灰土路基干密度檢測試驗結(jié)果

分析現(xiàn)場干密度試驗數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過標(biāo)定合格的核子密度儀檢測結(jié)果與灌砂法檢測結(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的干密度比灌砂法檢測的小，大約小0.01g/cm3，這個誤差可以滿足規(guī)范要求；以核子密度儀法測定干密度作為X軸，灌砂法測定干密度作為Y軸，兩者關(guān)系如圖1所示。圖中擬合直線反映兩種測量方法所測數(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，則表明兩種檢測方法檢測結(jié)果越一致[7,13]。石灰含量為4%，7%和12%的3組檢測數(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，表明兩種檢測方法在灰土路基中的檢測結(jié)果具有較好的相關(guān)性，同時檢測數(shù)據(jù)表明高含灰量路基核子密度儀法的檢測數(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試驗結(jié)果與分析

93區(qū)、94區(qū)和96區(qū)干密度試驗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)行不同壓實區(qū)域壓實度檢測，測量結(jié)果如表2所示。

分析現(xiàn)場干密度試驗數(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結(jié)果與灌砂法檢測結(jié)果非常接近。不同壓實區(qū)域的3組數(shù)據(jù)均是核子密度儀法檢測的干密度比灌砂法檢測的干密度小，其差值不超過0.015g/cm3，這個誤差可以滿足規(guī)范要求(圖2)，表明兩種檢測方法在素土路基中的檢測結(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 試驗結(jié)果的盒形圖分析

圖3及圖4分別為灰土與素土場地共6種工況下測試結(jié)果的盒形圖。圖中橫坐標(biāo)標(biāo)識的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試結(jié)果。盒子的上、 下底分別25%、75%分位數(shù)對應(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。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，共有3個，本文數(shù)據(jù)分析時采用四分位數(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試驗結(jié)果

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

圖4 素土場地測試結(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，其對應(yīng)的值即為中位數(shù)；如果n為偶數(shù)，中間位置有2個，即n/2及(n/2+1)，中位數(shù)為其對應(yīng)的兩個數(shù)的平均值。

“須線”即盒子上、下的虛線是測試數(shù)據(jù)的范圍，如果有顯著測試誤差的數(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，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”相對略長，即灌砂法離散性相對略大，四分位間距也略大于核子密度計法。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。兩種測試的結(jié)果相比，雖然其范圍、四分位間距、“須線”長度略有差異，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，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，整個數(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；兩種測試方法中值較為接近，灌砂法略大。

素土場地的基本特征也是無異常值，四分位間距、“須線”、極差相對于灰土場地均較大，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)、對稱性略有差別，灌砂法數(shù)據(jù)分布范圍略大；兩種測試方法中值較為接近，灌砂法略大，這一特征與灰土場地相同。

3 結(jié)論

(1)本文采用灌砂法和核子密度儀法對壓實灰土與素土路基各進(jìn)行了3組現(xiàn)場干密度檢測，對兩種檢測結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)分析與回歸分析。結(jié)果表明，核子密度儀檢測結(jié)果與灌砂法檢測結(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黃土路基干密度的數(shù)據(jù)可靠。

(2)干密度測試數(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)分布的對稱性略有差別。核子密度儀與灌砂法兩種測試結(jié)果的中值、內(nèi)距、極差接近，數(shù)據(jù)特征一致，中位數(shù)、對稱性等的微小的差異不會影響干密度的評價結(jié)果。

(3)對于路基應(yīng)用核子密度儀檢測其壓實度具有較高的可靠性，相對于傳統(tǒng)方法核子密度儀的成本較低，是一種無破損快速檢測方法，尤其是大型工程項目，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，降低試驗檢測人員的工作強(qiáng)度，提高效率，節(jié)省費(fèi)用。拓寬核子密度儀的使用范圍，必將會加速我國公路建設(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，教授級高級工程師，主要從事巖土工程勘察設(shè)計工作，研究方向為邊坡工程、基坑支護(hù)及地基處理等。

2016-12-26

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

責(zé)任編輯：樊小舟