改進三點擊實法在填土壓實度檢測中的應用分析

吳佳佳 唐浚文 周 珂 劉金鑫

(1.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；2.三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

土方填筑壓實質(zhì)量采用壓實度進行控制，即采用標準擊實試驗，測得土體壓實后的干密度與同一土料的最大干密度，用二者的比值來反映壓實的效果。常見的傳統(tǒng)快速測定土料最大干密度的方法有相關(guān)資料統(tǒng)計法、多點移動平均值法、三點快速擊實法（以下簡稱“三點擊實法”）等。其中，三點擊實法為規(guī)范推薦的選擇，該方法能夠較好地考慮土料壓實性的變化，且操作方便，不需要測定土料含水率[1]。

三點擊實法被廣泛應用于土石壩等工程的填土干密度檢測[2，3]，但在使用三點擊實法進行工程現(xiàn)場干密度檢測試驗時，需要利用圖解法[4]進行三點擊實控制圖的畫線定點，其準備工作較繁瑣；此外，在經(jīng)過多次豎、橫向的畫線定點后，累計誤差較大，精度較差。

為了提高傳統(tǒng)三點擊實法的計算精度與計算效率，筆者利用MATLAB軟件進行編程，采用自編程序?qū)θc擊實法進行優(yōu)化改進，并結(jié)合工程實例開展改進三點擊實法的應用研究，將試驗結(jié)果與標準擊實試驗結(jié)果進行對比，分析該方法對土方填筑壓實度檢測的適用性。

1 三點擊實法概述

1.1 基本原理

三點擊實試驗法的原理及計算方法[5]為：采用三點擊實法進行現(xiàn)場土方填筑壓實度檢測時，不需要測定填土的含水量，僅在現(xiàn)場測定土的濕密度后，用測定密度試驗的土樣開展3種含水量的擊實試驗，分別測得3個擊實濕密度，就可確定填土的壓實度、最優(yōu)含水量及現(xiàn)場填土含水量的差值。

填土壓實度又稱夯實度，指填土干密度與標準最大干密度之比，其計算公式為：

式中：

ρdf——填土的干密度，g/cm3；

ρdfmax——室內(nèi)擊實試驗最大干密度，g/cm3；

wf——填土的含水量，%；

ρf——現(xiàn)場濕密度，g/cm3。

由式（1）可知，只要求出室內(nèi)擊實試驗最大干密度ρdfmax和現(xiàn)場濕密度ρf即可確定壓實度D。

式中：

w——任意含水量；

ws——原土樣干質(zhì)量。

可以理解Z的物理意義是原土樣濕質(zhì)量百分數(shù)表示的加水量，任意含水量土樣的濕密度除以（1+Z）得：

式中：

ρd(1+w)——變換后的濕密度。

1.2 試驗步驟

三點擊實法現(xiàn)場確定填土壓實度流程如下：

（1）首先在檢測點取樣確定填土濕密度；

（2）在同一位置取三份土樣，每份約3kg，分別加入不同重量的水，測得相應的濕密度ρd（1+w），分別除以得到變換后的濕密度ρd（1+wf），并以Z為橫坐標，ρd（1+wf）為縱坐標繪制三點擊實圖，如圖1所示；

圖1 三點擊實圖

（3）通過這三個有適當間距的點可以擬合出一條拋物線，然后用數(shù)學方法或圖解法確定拋物線頂點，或借助計算機工具直接成圖得出頂點縱坐標值，即ρdfmax（1+wf）。則壓實度D由ρf/ρdfmax（1+wf）求得。

2 基于程序計算的三點法優(yōu)化改進

采用三點擊實法進行現(xiàn)場檢測應用時，主要存在兩個問題：一是需要提前準備繁瑣的三點擊實控制圖，整個工作耗時、費事；二是求解變換后的最大濕密度時采用的是作圖法，需多次畫線定點，易出現(xiàn)累計誤差，精度較差。

針對傳統(tǒng)三點擊實法存在的問題，采取MATLAB軟件編程對擊實試驗數(shù)據(jù)進行處理，可直接繪制出三點擊實圖，并直接讀出頂點縱坐標值即ρdfmax（1+wf），從而得到可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，具體程序計算方法如下：

clc

clear

x=input(′請輸入三點加減水量(%)：′);%樣例[0 2 4]

y=input(′請輸入三點對應濕密度(g/cm^3)：′);%樣例[2.14 2.1667 2.0096]

plot(x,y,′.′,′markersize′,15);

hold on

p=polyfit(x,y,2);

xi=[0∶0.01:max(x)];

yi=polyval(p,xi);

z=find(yi==max(yi));

plot(xi,yi,xi(z),yi(z),′*′,′markersize′,15);

text(xi(z),yi(z),′(xi(max),yi(max))′,′EdgeColor′,′red′,′VerticalAlignment′,′bottom′);

set(gca,′XLim′,[-1.5 4.5]);

set(gca,′YLim′,[1.9 2.3]);

set(gca,′XTick′,[-1.0∶1:4.0]);

set(gca,′YTick′,[1.9∶0.1∶2.3]);

disp(([′變 換 后 最 大 濕 密 度(g/cm^3)：′num2str(max(yi))]));

disp(([′填土壓實度(%)：′num2str(y(1)/max(yi))]));

disp(([′最優(yōu)含水量與含水量的差值(%)：′num2str(xi(z))]));

輸入數(shù)據(jù)：

（1）F、H、I：三點擊實加減水量占加水前濕土重的百分比（%）。一般為方便起見，可取F=0。

（2）R、S、T：三點擊實濕密度（g/cm3）。

輸出數(shù)據(jù)：

（1）Y：ρdfmax（1+wf），即變換后的最大濕密度（g/cm3）。

（2）D：填土壓實度（%）。

（3）Q：最優(yōu)含水量與含水量的差值（%）。

3 工程實例應用分析

3.1 工程背景

以白鶴灘庫區(qū)某市政類總承包項目的高回填造地工程填方3區(qū)第41層填筑K0+000~K0+280作為試驗段，該工程現(xiàn)場試驗段填土測得樣土濕密度為2.140g/cm3。將此土樣分成3份，每份3kg，分別加入不同重量的水，w1=0，w2=60mL，w3=120mL。測得擊實后的濕密度分別為2.140g/cm3、2.167g/cm3、2.010g/cm3。

此時程序輸入數(shù)據(jù)為：F=0，H=2，I=4，R=2.140，S=2.167，T=2.010。程序輸出數(shù)據(jù)為：Y=2.178，D=98.3，Q=1.3，程序計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 程序計算結(jié)果

該法相對于圖解法、克萊姆法則等方法具有方便快捷的優(yōu)點，可將三個點的ρd（1+wf）連成光滑曲線，如圖3所示，直接讀取頂點縱坐標，即ρdfmax（1+wf）?，F(xiàn)場測定已知填土濕密度ρf，由作圖求出ρdfmax（1+wf），則可求得壓實度D。無需現(xiàn)場測定標準擊實最大干密度，縮短了填筑工程的循環(huán)時間。

圖3 頂點坐標圖

3.2 檢測結(jié)果對比分析

伴隨著施工進度的推進，采用現(xiàn)場壓實度對填方區(qū)的每一層進行壓實度檢測。干密度檢測內(nèi)容以試驗段的10個測點為例，對比改進的三點快速檢測方法試驗結(jié)果與標準擊實試驗結(jié)果。檢測填筑料均為土石混合料，干密度檢測點數(shù)據(jù)見表1，其中帶*的為采用改進三點快速檢測方法得到的數(shù)據(jù)。

表1 現(xiàn)場干密度檢測點數(shù)據(jù)

由表1可知，采用改進的三點快速檢測方法進行檢測的結(jié)果可以滿足試驗規(guī)定的誤差要求。

采用傳統(tǒng)方法做一次試驗得到結(jié)果平均用時為1h左右，而采用改進三點法從輸入數(shù)據(jù)到得出計算結(jié)果僅需10s，與傳統(tǒng)方法相比，該方法操作性強且方便快捷，可以使得工作段壓實質(zhì)量檢測工序時間控制在工期限制范圍之內(nèi)。

在全部操作熟練后，利用該方法進行檢測工作，極大縮短了土方填筑的循環(huán)作業(yè)時間，實現(xiàn)了填筑快速施工。

4 結(jié)束語

（1）利用MATLAB軟件編程對三點擊實法進行優(yōu)化改進。相對于圖解法，該法具有方便快捷的優(yōu)點，避免了圖解法處理數(shù)據(jù)時精度不足和準備工作繁瑣的問題。

（2）由改進的三點快速檢測方法試驗結(jié)果與標準擊實試驗結(jié)果對比可知，改進的快速檢測方法可以滿足試驗規(guī)定的誤差要求，縮短了土方填筑的循環(huán)作業(yè)時間，在保證填筑施工質(zhì)量的條件下，實現(xiàn)了填筑快速施工。

（3）該方法可以為類似土方填筑工程的壓實度快速檢測提供指導和借鑒。