纳米比亚某沙漠公路路基压实度检测技术的探讨

李洪周,黄成友,王 宣

(1.中国十九冶集团有限公司 ，四川成都610031;2.中冶交通工程技术有限公司，北京100028)

1 工程概况及特点

1.1 工程概况

MR125公路为纳米比亚公路局投资升级沥青道路，总长208 km,分两期组织实施。一期长115.2 km，有179座涵洞，自KONGOLA至LINANTI；二期长92.8 km，有82座涵洞，自LINANTI至KATIMA,连接B8公路。公路位于南非高原西部纳米比亚境内，北至赞比亚，处于热带旱季地区，早晚温差较大。填筑料土质类型：低塑性或无塑性的砂类土。以填筑路基为主，少量需挖方。填筑料来源于周边50多处取土场，需采用推土机及挖掘机剥离后挖运至路基进行填筑。主要检测试验有土工试验、混凝土抗压试验、集料试验等。

1.2 工程特点

(1)MR125公路工程路线长、工期短，地方道路法对填筑压实度要求较高，路基填筑质量严格执行南非COLTO标准。MR125公路工程路基填筑要求详见表1。

表1 物料及压实度要求

(2)本工程填筑料土质类型属于低塑性或无塑性的砂类土。主要土工试验分室外和室内，室外：现场密度及湿度检测，动态圆锥贯入检测；室内：土类筛分及液塑性指数、线性收缩，取土坑及填筑段的填料做击实试验确定最大干密度及最佳含水率，CBR值确定土的性质。

(3)根据纳米比亚MR125公路施工法：本项目填方路基现场压实度检测采用核子密度仪，因此及时掌控路基填筑料的压实情况有利于提高施工进度。试验规程遵从《南非试验规程》及南非COLTO标准。

2 最大密度干密度及最佳含水量的确定

在压实过程中,土颗粒间的引力和斥力的相对大小决定了压实土的结构。当土样的含水量较小时,土粒间引力较大,在一定的外部压实功能作用下,还不能有效地克服引力而使土颗粒相对移动,这时压实效果较差;增大含水量后,结合水膜逐渐增厚,引力减小,土颗粒在相同功能条件下易于移动而挤密,所以压实效果较好;当含水量增大到一定程度后,孔隙中已出现了自由水,结合水膜的扩大作用不再显著,因而引力的减少也不是十分显著,同时自由水填充在孔隙中阻止土颗粒移动的作用却随着含水量的增加而渐渐显著起来,所以此时压实效果反而下降。所以,通过检测土壤的干密度能有效评判路基压实度的质量。

2.1 标准密度(最大干密度)和最佳含水量的确定方法

由于筑路材料结构层次等因素的不同,确定室内标准密度的方法也多样化,有些方法需在实践中进一步完善。最大干密度是指通过标准击实试验，利用双曲线图确定最大干密度值,该值对应的含水量即为最佳含水量。

2.1.1 标准定义

(1)最大密度：特定压实作用力下，材料的最大密度是在不同含水量水平下进行压实后取得的最高密度。

(2)最佳含水量：特定压实作用力下，材料的最佳含水量系指获得最大密度条件下的含水量。

2.1.2 试验主要仪器

(1)一个直径为152.4±0.5 mm的模子，152.4±1 mm高，配有可拆卸轴环、底板及一块25.4±1 mm厚的隔板。按规定，将隔板放入模具后，模子的有效深度应为127±1 mm。隔板应牢牢固定在底板上。压实底板应用螺栓固定在一块至少150 mm厚、200 kg重的混凝土砌块上。

(2)一只4.536 kg±20 g捣锤，表面直径为50.8±1.0 mm，带一个护套，下落距离为457.2±2 mm。

(3)钢尺一把(约300 mm长),沉砂槽一个, 称重15 kg的天平一台,称重2 kg的天平一台，精确至0.1 g。

(4)一个钢制捣固机或一个小型试验室粉碎机。筛网：19.0 mm及4.75 mm，符合SABS197的规定。

(5)铁研钵及研杵一套，橡胶嘴杵一只，抹刀一把。

(6)1 000 g材料以测定含水量的适宜容器。

(7)恒温控制的干燥炉一台，能将温度保持在105～110℃。

(8)量筒，容量分别为1 000 ml和500 ml，喷水器或洒水器一个，周长150 mm的滤纸。

(9)一部样品挤压机，适用于将压实试样从模具内压出的千斤顶、杠杆、框架或其他装置(可选择)。

2.1.3 试验步骤

(1) 样品制备:足量风干样本用一个19.0 mm的筛子筛分。留在19.0 mm筛上的集料用一个钢制捣固机(或试验室粉碎机)轻轻碾碎以通过一个19.0 mm的筛子后再加进已过筛的部分。应注意不要将集料过度粉碎。如果材料含有土壤集料，则集料应采用一套研钵和研杵尽可能的碾细。

(2)四分法:每一份再分成四份，以获得五盆完全相似的材料。最好是用一个沉砂槽将样本分成16等份，用其中三份(即样本的3/16)来确定湿度—密度关系曲线上的一点。多余的一份可以丢弃。五个盆子中的材料质量都应在6～7 kg之间，质量较大的应用于相对密度较高的材料。为了方便起见，五个盆子中的质量应相等。

(3)搅拌(均匀配制):测量每个盆子中的样本，精确度达到5 g，然后转移到混合盆中。喷水器或洒水器中加入一定体积的水，然后缓慢加入盆中的材料中。加水时，应用铲子不断搅拌材料，加水直至操作员认为达到最佳含水量，应持续搅拌湿料长达几分钟。测量喷水器或洒水器中剩余的水量以求得实际添加的水量，此数量然后表达为风干材料的一个百分比。现在湿料应覆盖有防止蒸发的潮湿包层，并静置半个小时，使水分均匀分布。静止半个小时，可在水搅拌进后立即开始压实。

(4)击实试验:现在再次搅拌湿料，称出约1 000 g材料并转移到模具里。通过压实和轻微夯实，将土壤表层手工平整，并使用一个4.536 kg重的捣锤从457.2 mm处下落夯砸55次。夯砸应均匀分布在整个层面，分五轮，每轮11次。每一轮夯砸中，八次砸在圆周外侧，三次砸在中心周围。提升起捣锤后，操作员应确保导鞘位于土壤上，而捣锤落下前位于鞘的正上方。捣锤的下落应无任何外力作用。操作人员还应注意捣锤的夯砸面保持清洁，且材料不会结成块粘在夯砸面上。夯砸过第一层后，测量模具顶部下的夯砸材料表层深度，不含轴环，该深度应在96 mm～99 mm之间。如果深度不正确，下一层称出的湿料的质量应适当增加或减少。应按照完全相同的方式再夯砸四层材料，每层厚度应稍微超出25 mm，但不得超过30 mm。模具顶部到压实层表面的深度最好应在下列范围之间：第一层：96～99 mm；第二层：68～71 mm；第三层：43～46 mm；第四层：15～20 mm。

压实第五层后，材料表面应高于模具顶部以上5～15 mm，不含轴环，人工再用抹刀抹平。

(5)烘干法确定含水量:压实第二层后，从盆子的材料中取出一份具有代表性的样本，置于一个合适的容器内以测定其含水量。样品应在500～1 000 g之间。材料越粗糙，样品越大。湿样本应立刻称重，精确度达0.1 g，然后在105～110℃的干燥箱中烘干至恒定质量。测定的含水量精确到0.1 %。结果记录在表格A7/1上或类似表格中。

(6)确定湿度—密度关系曲线的其他点:上文说明的是对湿度—密度关系曲线上一点的确定，但仍需获得其他几点。因此，需对其它四个盆子中制备好的材料(不同含水量)实施上述操作。第二次压实后，用一个假设含水量来计算两次压实的近似干密度，该假设含水量是所加水分的百分比加上风干样本的估计含水量。按假设含水量绘制近似干燥密度，则两点的相对位置将表明第三点应添加的水量。标出第三点后，曲线形状将表明剩余点的最佳含水量。如果可能，则应在湿度—密度曲线任何一侧的峰值处至少求得含水量相差1%的两点，而最后一点应尽可能靠近峰值，除非之前已在该点附近求得一点。

2.1.4 计算

(1)计算公式。

式中:d为以干土百分比表示的含水量；a为容器及湿材料的质量；b为容器及干材料的质量；c为容器本身的质量。

(2)按如下公式计算每一点的干密度，精确度达 1 kg/ m3。

式中:D为干密度(kg/m3)；W为湿材料质量(g)；V为模具体积(ml)。

模具体积(V)是常量，上述公式可简化为下列公式：

式中:F(模具因子)=(100/V)×1 000。

2.1.5 湿度—密度关系

完成计算后，根据各干密度将含水量绘制成图，曲线峰值表明材料在此压实作用力下的最佳含水量和最大干密度(图1)。

图1 湿度—密度曲线

2.1.6 修正系数

(1)为了测定模具的容积，模具两端及隔板周边都涂抹润滑油，且模具、隔板及底板应组装在一起。模具和隔板之间可挤出的多余润滑脂应进行清除。为组装好的模具和180 mm的方形玻璃板一起称重。往模具中灌满水，轻轻的将玻璃板滑至模具顶部。在玻璃板完全盖住模具前，用吸液管滴入水。玻璃板完全覆盖容器时，玻璃下方不应有气泡。将盛水的模具和玻璃板一起称重，计算模具中水的质量。此测定过程应进行至少两次。测量水温，并按照如下公式求得模具的容积(V)及因数(F)：

表2 温度水的相对密度

(2)试验期间，应尽最大可能维持下列变量不变：材料分级；水分的统一混合；压实前的静置时间；试验期间水分蒸发量；捣锤的下落高度；捣锤的自由下落；夯实的分布；连续层的厚度；最后一层超出模具顶部5～15 mm；完成顶部表面。

(3)虽然没有必要每次试验都测定模具的容积和质量，但应定期对此进行检查。

3 现场密度试验检测方法

现场密度检测用核子湿度密度仪法： 核子法测定土壤和砾石内部密度与含水量的试用方法。

定义：材料内部的干密度即该材料每单位体积的干质量(kg/m3)；内部含水量(m/v)即材料每单位体积水的质量(kg/m3)；本方法中的含水量适用本定义。

主要试验仪器：HS-5001核子密度仪。

3.1 检测试验前检查(参数修正)

将设备移入现场前，在主实验室预先选定的参考点检查参考装置上的设备。必须按制造商推荐的次数进行参考标准的读数。如果超出标定范围读数数量超出了规定的数量，则再次进行读数。如果超出标定范围读数数量仍超出了规定的数量，则应将仪器退回制造商。

参考装置的读数记录应永久保存。

3.2 检测数据校准

在现场选择一个固定参考点，进行两次读数，且读数应在制造商设定的现场标定范围内。如果一次读数超出范围，则必须进行第二次读数。如果第二次仍在范围外，则必须选择另一个现场参考点。应确保附近(至少10 m远)没有其他物体，如车辆、墙或其他核仪器等。

3.3 现场检测

现场检测路基的密度/含水量采用核子密度仪直接透射测量法。将钻杆穿过底板引导物后钻入地下，钻入深度应比欲测量深度至少深50 mm。取出钻杆时注意不要破坏钻洞。

(1)将仪器置于准备好的测试点上，将直接透射探头直接放于钻孔上。

(2)将探头降至孔中测量密度所需深度。

(3)为减小核源与检测器间的气隙，必须轻轻拉住测量器使之固定住探头并防止探头触碰孔壁。

(4)然后进行一次测量，取得读数，保持中心位置不变，旋转180°再进行第二次测量，记录读数，再将仪器在原位转90°测第三次，记录读数，然后将这三次读数的平均值作为核子仪湿密度与含水量的测得值，计算干密度。

(5)在进行密度计数读数后，为避免损坏探头，必须先将探头收回，再将仪器移出测试点。

(6)仪器移出测试点后，及时对该点进行含水量测定取足够的试样，其结果与核子仪检测的含水量比对。

4 压实度确定

4.1 压实度

是指土被压实后的干容重与土的最大干密度之比。

通过室内试验确定填筑材料最大干密度Dmax,现场通过核子仪确定土压实后密度D。

压实度=D/Dmax×100 %

4.2 压实路段数据分析

(1)k5+150-k5+525路段Fill层压实密度检测，压实标准93 %(表3)。

表3 压实密度检测

(2)对K5+150-K5+525路段填料取样，通过室内击实试验求得该段填料最大干密度1 859 kg/ m3，最佳含水量11.1 %。

(3)压实度结果统计见表4。

表4 压实度结果统计

(4)结论：K5+150-K5+525平均压实度95.6 %，符合规范要求。

5 结束语

路基压实质量是道路治理最重要的指标之一,为保证路基、路面的强度,必须对路基路面结构层进行充分压实。对沥青道路来说,通过对路基土、路面基层材料最大干密度、最佳含水量及沥青混合料标准密度的测定,根据道路特点实际需要,灵活运用灌砂法、核子湿度密度仪法进行现场密度检测,获得准确的检测数据,准确评价道路路基压实度的质量,确保道路使用安全。

[1] 南非试验规程及南非COLTO标准[S]

[2] JTG E60-2008公路路基路面现场测试规程[S]