土石混合填料压实质量检测方法探讨

罗雪贵，武富强，崔 科

（河南省航空物探遥感中心，郑州 450053）

1 传统检测方法

传统检测方法首先要获得最优含水量对应的最大干密度，由于超径颗粒的存在，室内马歇尔击实仪不满足试验要求。目前，工程界主要用自行研制的大型击实仪、表面振动仪。表面振动仪由于工作机理仅适用于无黏性粗粒土。各行业都相继提出了针对土石混合填料的大型击实仪尺寸，《铁路工程土工试验规程》（TB10102-2010）、《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）提出直径为10 cm 和15.2 cm 两种型号的击实仪，《水电水利工程粗粒土试验规程》（DLT5356-2006）提出了直径为30 cm 的击实仪[1]。按照可试验填料最大粒径dmax=D/5 的基本原则，可试验填料的最大粒径为60 mm。但是，目前大范围填方工程的填料最大粒径都超过60 mm，较难获取真实的最大干密度。规范建议，对于特大的超径颗粒，采用剔除法、等量代换法和相似级配法来近似得到最大干密度值，但这三种方法都改变了原有填料的颗粒级配，得到的最大干密度值偏小，使检测评定结果不合理。

传统检测方法第二步是测取现场填料的湿密度和含水量，计算得到干密度，目前主要用灌沙法、灌水法和气囊法测取湿密度。灌水法仅适用于填料表面水平的情况，而灌沙法和气囊法还可适用于表面倾斜的条件，三种方法均属有损检测，要求在现场掏挖试坑，由于混合填料中粒径大小不一，所要求掏挖的试坑尺寸应由填料中的最大颗粒径控制。现场试坑的直径是填料最大粒径的4 ～5 倍，深度是填料最大粒径的5 ～6 倍，开挖量较大，较费时费力。

采用掏挖出的试样、选取有代表性的填料进行含水量测定，主要采用烘干法、酒精燃烧法两种方法。对于细料填料来说，同一试坑内土样含水量相对均匀，但是土石混合料中由于石块的存在，选取的试样代表性较差，应多选代表样测取其平均值。

传统检测方法在土石混合填料质量控制方面有以下优点：原理简单明了，以最优含水量对应的最大干密度作为基准进行比较；技术成熟；认可度高。不足之处：最大干密度不易获取；检测时有“一坑之见”的缺陷，为了提高检测的可信度，需要加大检测比例；现场掏挖量大，费时费力。

2 间接参数方法

传统检测方法在实施时检测速度慢，难以大面积应用于土石混填地基压实检测，有些学者期望采用其他参数，而非干密度来评价土石混填地基的压实度。

2.1 空隙率

有学者们认为，压实后的填料一般由固态颗粒、水和空间三相组成，当干密度一定时，含水量大，气体所占体积小，反之气体所占体积大。采用干密度得出的压实度来评价质量，当含水量小于最优含水量时，所得空隙率偏大，结果不安全，而当含水量大于最优含水量时，评价结果才是正确的。

土石混合填料的空隙率计算公式为：

式中，ρd为土石混合料的干密度；γw为水的容重；ω为土石混合料的含水量；Gs和Gg分别为细集料和粗集料的视比重；P为粗集料的百分含量。

现场空隙率作为现场压实控制的指标，比用压实度控制更严格，当现场含水量小于最优含水量时，采用压实度检测是合格的，而采用空隙率控制则不合格。这就是土石混合料填筑的过程中填料易偏湿不易偏干的主要原因之一。空隙率作为现场压实控制的指标，从根本上控制土石混填料中的空气体积比重，当混合料中含水量过高时，式（1）中得到的空隙率很小，实际上孔隙中大部分充填水分，基本饱和。这种情况下形成所谓的“像皮土”，力学和变形参数都不满足工程要求。

2.2 固体体积率

考虑到土石混合填料在填筑工程的不同部位存在极端非均匀性，采用压实度指标则要求提出不同的最大干密度与之对应，这对于大面积填方工程是很难实现的。有学者有针对性地使用固体体积率解决了这一困难。固体体积率在计算时需要将粗细颗粒分开，其分界阀值为5 mm。粗颗粒的体积为：

式中，VG为粗集料似体积（包含实体体积和闭口孔隙的体积），m3；mG为粗集料的湿质量，kg/m3；ωG粗集料的含水量；m'G为粗集料的浮质量，kg；ρw为水的密度，kg/m3。

细料的体积为：

式中，ms为细集料的湿质量，kg/m3；ωs为集料的含水量；ρd,max为细集料的最大干密度，kg/m3。

固体体积率为：

式中，K为固体体积率；V为掏挖的试坑体积，m3。

从上述计算公式中可见，计算固体体积率时，人们需要考虑混合料质量、试坑体积、粗细料质量和含水量、粗集料浮质量、细料击实干密度等参数。

固体体积率实质上将固体物质分为粗集料和细集料两部分，在计算体积时分别赋予了其最佳压实状态。粗集料最佳压实状态为体积压缩至实体体积和闭口裂隙体之和，细料最佳压实状态为压缩到室内击实时最优含水量对应的最佳击实状态。

固体体积率从填料成分出发，现场可动态地调整参考标准，解决采用压实度指标无法规避的最大干密度取值问题。在现场操作比压实度检测多了粗细料筛分试验（仅用5 mm 筛）、粗集料浮质量两项，试验花费的时间略多一点，但是精度和现场可操作性大大优于压实度指标。

2.3 表面沉降差

无论采用强夯还是分层碾压，压实最终目的都是使填筑体有足够的强度和稳定性，只要填筑体实体强度达到一定标准，它在承受一标准荷重时的变形量和残余变形量将小于某值，沉降差检测正是基于这样的理论。目前大量运用到公路工程的弯沉法检测正是沉降差检测的进一步延伸。

表面沉降差与干密度的推导思路为，在土石混合料摊铺后压实前的初始湿密度为：

式中，W为土石混合料的质量，kg，A0为摊铺后的平面面积，m2；t0为初始厚度，m。

经过n遍压实后，假设厚度变为tn，湿密度变为：

在碾压过程中，土石混合料的质量和平面面积基本没有变化，压缩主要是竖向，即沉降。计n遍后的沉降为Sn，湿密度可表示为：

通过式（7），湿密度就转化为沉降值，压实度控制也就转化为沉降差控制。

但是，沉降差检测方法从头至尾都未涉及含水量问题，若土石混合料中细料成分为黏性土，在含水量较高的情况下，碾压作用下极易出现“橡皮土”的现象，前后两次的沉降值相差很小，但压实状况不合格。所以，要想采用沉降差检测方法，必须限定填料含水量的合理范围。

2.4 工艺参数法

依据工程经验，在施工前进行现场碾压试验，确定现场碾压的几个控制参数：摊铺厚度、碾压速度、碾压遍数、洒水量。目前，公路在填石路堤上大量推广工艺参数法。这种方法必须保证填料的岩性、级配、含水量变化不大。它本质是一种施工质量控制手段，不能称为一种质量检测方法，因为根本没有检测的工艺，直接采用“一刀切”的方法判定施工合格与否。

3 物探检测方法

3.1 γ 射线法

在传播的过程中，因填料对γ 射线产生吸收作用，γ 射线发生能量衰减，同时衰减后的射线又成一定角度散射出去。在密度小的填料中，散射作用占优势，在密度大的填料中，以光电吸收为主，测试仪器探头的计数率随密度的增加而减少。

目前大量运用于填方工程的γ 射线仪器为核子密度/湿度仪，与灌沙法、灌水法等方法相比有以下优势：无损检测，只需钻一个直径为20 mm 的检测孔；检测速度快，一次检测的全部过程耗时不到5 min；可重复性高，人为干扰少；实时反馈，2 min 左右即可出检测结论。

但是，笔者通过大量的现场核子密度仪检测发现，将核子密度仪运用于土石混合填料压实质量检测有以下难以克服的问题。

一是平行误差较大，《铁路工程土工试验规程》（TB10102-2010）规定，在同一测点，记录初始读数后，将仪器绕测孔旋转180°后记录第二次读数，两次读数中含水量平行误差超过2%，要以90°旋转记读4次读数取平均值。笔者在现场做了大量试验发现，即使测取4 次，平行误差还是不可忽视。二是人体伤害性，γ 射线对人体具辐射，长期使用，会对人体产生伤害。三是无法精确选取最大干密度作为参照，由于无损检测，无法获取测点的含石量，难以确定采用何种含石量对应的最大干密度与之对应，此种情况下，即使现场干密度测试精确，由于最大干密度是一个模糊值，得到的压实度指标争议也较大。四是测试孔无法成形，在测取前，采用直径为20 mm 的小钎杆成孔，但是由于土石混合填料中存在大量块石，小钎杆在敲入过程极易遇到块石，无法击入，特别在硬质岩土石混合填料中。

3.2 瑞利面波法

瑞利波探测主要是利用瑞利波的两种特性，一是瑞利波在分层介质中传播时的频散性；二是瑞利波传播速度与介质的物理力学特性高度关联性。

在非均质弹性介质中，不同频率的振动按不同的速度传播，当瑞利波在传播过程中，遇到空洞、松散破碎带界面以及波阻抗界面时，其频散曲线将会产生畸变，检波器会检测到不同的波速。

具体施工前，需要通过现场碾压试验建立起波速与压实度之间的关系模型。施工时直接采用波速评价压实度，速度较快，可在填筑体表面随机选点进行检测，可重复性高。无需掏挖或打测试孔，真正做到无损检测。

但是，瑞利面波用于土石混合填料有如下不足：检测得到的结果是一个波速，无法揭示含水量的影响，压实不到位有可能是含水量不合理和压实遍数不足两方面原因造成的；精度主要受控于前期碾压试验建立的关系模型、后期施工的土料和石料成分，含石量、级配、含水量等必须和现场碾压试验的对应值差别不大，才能保证测试精度。

3.3 附加质量法

附加质量法采用由附加质量-承压板-地基地组成的振动体系，用重锤击振体系使其振动，借助仪器测出体相应的自振频率f，测出地基动刚度D，D=1/(2πf)2，采用不同的附加质量Δm，得到D-Δm曲线，曲线与m坐标轴交点与坐标原点的距离为参振质量m。在测点处布置检波点，接收锤击所激发的弹性波，测得直达波段曲线反斜率Vp，代入λ=Vp/f，得介质由地面向深部传播的纵波波长λ。然后，测点现场采用传统方法测得密度值ρ，将m、ρ、λ代入式（8）：

式中，A为承压板面积，标定得率定系数K。

率定至少10 次，可通过线性回归得可信度较高的K值，后期施工随机选点，测点的自振频率f，纵波波速Vp，代入式（8）即可得测点处的湿密度。

本方法优点和瑞利面波法基本一样，同时也存在以下缺陷：前期率定工作量大，至少要10 次率定；测试结果最终还是换算回湿密度，但是附加质量法无法获取含水量，需要采用烘干法或酒精燃烧法进行含水量测试，才能计算干密度；即使得出干密度，为了结果评价的客观性，还得附加筛分试验，才能准确得到与含石量相对应的最大干密度。