快速貫入法測(cè)定細(xì)粒土密度的試驗(yàn)方法與應(yīng)用

(中國(guó)水電十一局有限公司中心試驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

在鄭州市賈魯河綜合治理工程中進(jìn)行了大量的細(xì)粒土回填施工作業(yè)，依照規(guī)范要求，采取環(huán)刀法或灌砂法檢測(cè)密實(shí)度對(duì)土方回填質(zhì)量進(jìn)行控制?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量的壓實(shí)土密度檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)土的密實(shí)度越大，土的貫入阻力也越大。在搜集大量的試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)土的密實(shí)度與貫入阻力假定關(guān)系，試對(duì)細(xì)粒土的貫入阻力與密度的相關(guān)性進(jìn)行分析研究。

土是由固體礦物質(zhì)、液體水和氣體組成的三相體系，固相物質(zhì)構(gòu)成土的骨架，骨架之間的孔隙中充填著液相的水和空氣。由于土的三相組成比例不是固定的，它隨外界環(huán)境的變化而變化，這對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)有著很大影響，含水率是其中重要的影響因素之一，在研究土的密度與貫入阻力相關(guān)性時(shí)，必須考慮到含水率的影響。

1 工程概況

賈魯河是淮河支流沙潁河的主要支流，也是鄭州市的主要排水河道，發(fā)源于新密、滎陽(yáng)兩市交界處，在周口市匯入沙潁河，全長(zhǎng)256km，流域面積5896km2。賈魯河綜合治理工程位于河南省鄭州市，治理河段自尖崗水庫(kù)至中牟縣大王莊彎道，治理長(zhǎng)度62.77km，其中河道綜合治理長(zhǎng)49.67km，河道疏浚長(zhǎng)度13.1km。共修建各類(lèi)配套建筑物71座，開(kāi)挖湖泊濕地3處，其中綜合治理工程中包含土方回填量約352萬(wàn)m3。

2 試驗(yàn)室室內(nèi)土工試驗(yàn)

在施工現(xiàn)場(chǎng)取有代表性的土樣，分組封存后送至試驗(yàn)室檢測(cè)。按照室內(nèi)土工擊實(shí)試驗(yàn)程序，對(duì)不同含水率的土樣進(jìn)行擊實(shí)后，檢測(cè)擊實(shí)土樣的密度和含水率，并測(cè)試貫入阻力。將室內(nèi)六種不同含水率土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)的35組檢測(cè)數(shù)據(jù)予以整理計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 細(xì)粒土室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)表1數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)貫入阻力、密度隨含水率增大有規(guī)律性的變化，深入對(duì)數(shù)據(jù)變化規(guī)律進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)其相關(guān)關(guān)系。以含水率為x軸，貫入阻力和干密度為y軸作圖，三者的相關(guān)關(guān)系如圖1所示：

圖1 土樣干密度、貫入阻力與含水關(guān)系

由室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及“細(xì)粒土干密度、貫入阻力與含水關(guān)系圖”可知，在最佳含水率±4%范圍內(nèi)，貫入阻力和干密度隨含水率變化趨勢(shì)基本一致。

3 基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析

為深入研究干密度、貫入阻力與含水率相關(guān)性，進(jìn)一步確定三者關(guān)系，對(duì)原室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)得到的35組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采取不同方法進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)處理和回歸分析。

3.1 對(duì)數(shù)回歸分析法

當(dāng)土樣含水率在最佳含水率±4%以?xún)?nèi)時(shí)，相關(guān)性較好，對(duì)該范圍數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后統(tǒng)計(jì)分析，得出干密度推算值與貫入阻力實(shí)測(cè)值的相關(guān)對(duì)數(shù)方程如下：

ρdt1=0.1198×ln(f)+1.1375

(1)

式中ρdt1——干密度推算值,g/cm3；

f——實(shí)測(cè)貫入阻力值,N。

上述回歸方程相關(guān)系數(shù)(Correlation coefficient)：r=0.9101，判定為高度相關(guān)。計(jì)算檢驗(yàn)絕對(duì)誤差最大值0.083，相對(duì)誤差最大值4.59%。

3.2 線(xiàn)性回歸分析法

綜合分析室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及對(duì)數(shù)回歸分析法的結(jié)果可知，含水率是對(duì)數(shù)回歸公式精度的關(guān)鍵影響因素。含水率在最佳含水率±4%范圍內(nèi)，土樣干密度主要受貫入阻力影響；當(dāng)含水率超出最佳含水率±4%范圍后，由于土體對(duì)貫入阻力的異常變化致使含水率成為顯著因素。為了提高干密度、貫入阻力的擬合度，將含水率影響因素考慮在內(nèi)，通過(guò)多元線(xiàn)性回歸的方式分析數(shù)據(jù)，推算干密度公式如下：

ρdt=(43.7×f+324.5×w)×10-5+1.583

(2)

式中ρdt——干密度推算值,g/cm3；

f——實(shí)測(cè)貫入阻力值,N；

w——含水率,%。

上述回歸方程相關(guān)系數(shù)(Correlation coefficient)：r=0.9176，可判定為高度相關(guān)。經(jīng)計(jì)算檢驗(yàn)，絕對(duì)誤差最大值0.105，相對(duì)誤差最大值5.82%。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證和應(yīng)用誤差分析

4.1 以灌砂法為基準(zhǔn)對(duì)比驗(yàn)證

根據(jù)以上室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析結(jié)果，在選定試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行隨機(jī)對(duì)比檢測(cè)，并驗(yàn)證相關(guān)關(guān)系的適用性和準(zhǔn)確性。按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》分別進(jìn)行灌砂法試驗(yàn)、環(huán)刀法試驗(yàn)和快速貫入法試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)。三種方法檢測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)某段填方壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果 (單位：g/cm3)

注1.快速法1是指利用公式1推算出的結(jié)果；

2.快速法2是指利用公式2推算出的結(jié)果；

3.兩個(gè)誤差是以灌砂法為基準(zhǔn)，計(jì)算快速法和環(huán)刀法的差值。

根據(jù)上表數(shù)據(jù)，可初步推斷采用灌砂法、環(huán)刀法、快速貫入法測(cè)定土密度結(jié)果基本一致，且快速貫入法檢測(cè)結(jié)果與灌砂法更接近，采用快速貫入法能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)土工壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)要求。

4.2 以環(huán)刀法為基準(zhǔn)對(duì)比驗(yàn)證

以賈魯河綜合治理工程三標(biāo)土方回填質(zhì)量檢測(cè)為例，在現(xiàn)場(chǎng)選定驗(yàn)證點(diǎn)后，首先按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，采用環(huán)刀法檢測(cè)壓實(shí)土密度；同時(shí)在檢測(cè)點(diǎn)附近進(jìn)行快速貫入法測(cè)試，推算干密度。將標(biāo)準(zhǔn)方法(環(huán)刀法)和快速貫入法檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，兩者結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

續(xù)表

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，將對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理，對(duì)兩組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析，其中對(duì)數(shù)回歸法公式的誤差分析結(jié)果整理如圖2和圖3。

圖2 對(duì)數(shù)回歸法絕對(duì)誤差值分布

圖3 對(duì)數(shù)回歸法相對(duì)誤差值分布

若不考慮剔除異常值，線(xiàn)性回歸公式計(jì)算絕對(duì)誤差最大值0.15，相對(duì)誤差最大值10.1%。

剔除異常值后，計(jì)算指數(shù)回歸公式計(jì)算絕對(duì)誤差最大值0.08，相對(duì)誤差最大值5.0%。

根據(jù)賈魯河綜合治理工程三標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)有代表性的約100組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取了20組數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和誤差分析后結(jié)果表明，采用標(biāo)準(zhǔn)方法(環(huán)刀法)檢測(cè)土工壓實(shí)質(zhì)量所得出結(jié)果與快速貫入法結(jié)果相比差別較小，20組檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的最大誤差僅為0.15，完全能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)土工回填施工質(zhì)量控制要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用檢測(cè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果和上述誤差分析，可以得出：

a.勻質(zhì)細(xì)粒土的密度與貫入阻力、含水率存在明確的相關(guān)關(guān)系，該規(guī)律性關(guān)系可以通過(guò)一系列的室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理后推算得出。

b.經(jīng)過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證，快速貫入法可廣泛應(yīng)用于同類(lèi)細(xì)粒土的現(xiàn)場(chǎng)密度測(cè)定，作為標(biāo)準(zhǔn)方法的補(bǔ)充。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)方法，快速貫入法能快速得出現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度，提高工作效率，能達(dá)到隨時(shí)檢測(cè)、安全便捷地控制現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量的目的。

賈魯河綜合治理工程土方回填施工質(zhì)量控制按照水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，現(xiàn)場(chǎng)可采取環(huán)刀法檢測(cè)土工回填壓實(shí)度，每100～150m2取樣檢測(cè)1點(diǎn)，每次取樣不少于3點(diǎn)。根據(jù)計(jì)算工程量應(yīng)取樣約67000點(diǎn)，采用標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)耗時(shí)費(fèi)工，將占用大量的人力、物力，為此回填土壓實(shí)度檢測(cè)采用快速貫入法也有較好的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用意義。由于采用快速貫入法檢測(cè)土工壓實(shí)質(zhì)量，在賈魯河綜合治理工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中驗(yàn)證效果較好，得到了監(jiān)理單位的認(rèn)可和支持，在土方回填檢測(cè)中得以應(yīng)用。

本文根據(jù)現(xiàn)有工程實(shí)例，僅對(duì)細(xì)粒土的密度測(cè)定方法進(jìn)行了探索試驗(yàn)，還存在一定的局限性，對(duì)于其他類(lèi)回填土的質(zhì)量檢測(cè)可參考應(yīng)用?？焖儇炄敕z測(cè)回填土壓實(shí)質(zhì)量有待更進(jìn)一步的深入研究和分析，在今后的工作實(shí)踐中有推廣應(yīng)用的價(jià)值。