常规方法与核子密度仪法比较及其相关性分析[1]

常规方法与核子密度仪法比较及其相关性分析

李　刚

(怀化市公路勘察设计院,湖南怀化　418000)

摘　要:核子密度仪在路基的压实度检测中,受到施工技术人员的广泛重视。文中通过工程实例,对采用常规方法与核子密度仪对比试验中的试验成果进行了对比分析与处理,并运用数理

统计原理和方法得出了两者间的对应关系,为公路工程施工现场的压实度检测结果的真实性和可

靠性提供了科学的依据。同时对核子密度仪的使用和减少误差的方法提出了一些建议。

关键词:公路;路基;压实度;常规方法;核子密度仪

中图分类号:U416.16 文献标识码:B 文章编号:1671-2668(2005)05-0092-03

随着我国公路建设的发展,高等级公路的修建日益增加。因此高等级公路的施工技术、检测技术和设备都必须得到相应的发展才能适应公路建设的需要。传统的灌砂法或环刀法在公路路基压实度检测中起了重要的作用。但由于灌砂法测定压实度时,须先测定土的含水量,才能计算出填土的压实度,从试验到结果需要的时间长,难以适应工程进度的要求,这与当前机械化程度高,工期紧的路基工程常常发生矛盾,影响工程进度。用核子密度仪测定路基的压实度是当前较为先进的一种方法,现已广泛应用到铁路、公路等施工中。它操作简单,测定迅速,使用便捷,可用于测定各种压实土的容重和含水量。特别适合于配合大面积的路基填土施工,其检测效率远远高于传统的方法,受到普遍欢迎。

但此方法使用中必须要先与灌砂法或环刀法作对比试验,做相应的换算。因此,作者认为,为了减少检测数据的误差,在测定之前,必须对不同路基填料用核子密度仪与灌砂法进行对比,根据分别测定的数值,进行同归分析,求出相关系数加以修正,从而得出精确数据。

1　路基填土压实度检测方法

1.1　常规试验方法

路基填土压实度通常用压实系数K这一指标来衡量,压实系数

K=ρd/ρd max

式中:ρd为干密度(kN/m3);ρd max为最大干密度(kN/m3)。

施工中通常采用灌砂法或环刀法测出干密度,通过击实试验测出最大干密度和最佳含水量,其原理是土体压得越密实,干密度越大。

1.1.1　灌砂法

所谓灌砂法是将密度仪置放于欲测点表面上,掘取孔洞下土壤放入容器内,并称其重量W m,然后将装满干砂及称重之仪器倒置于已挖好的洞孔口上,打开仪器的砂筒孔口,干砂便流入洞内。待砂子装满孔坑时,关闭砂筒孔口,再将洞中砂取出,称其重W S。由于砂的密度为已知,因此可求得洞坑容积V m,即可求得实验点的填土湿密度

γ

m

=W m/V m

另一方面,将放入容器内的土进行干燥,称出土重W S,计算失水量W w,即可得出其含水量w (%),最后求得填土的实验室干密度γd:

w=W w/W S×100%

γ

d

=γm(1+w)

该方法的优点是每次使用时,储砂筒内砂的数量不变,砂的下落高度和砂的下落速度不变,完全不受风的影响。

1.1.2　环刀法

环刀法用的环刀容积为200cm3,环刀高度通常约50cm,环刀法只能适用不含砾石颗粒的细粘土的容重测定。用灌砂法或核子密度仪法测得的密度,一般都是整个碾压层厚度的平均密度,而用环刀法测得的容重只是环刀内土样所在某一深度层中的平均密度,它不能代表整个碾压层的平均密度。由于碾压后,土的密实度从上到下逐渐减少,若环刀所取的是表层范围的土样,则所测密度值将偏大;若是底层范围的土,则所测密度将偏小。就检查压实度而言,需要的是整个碾压层的平均压实度,而不是层中某一部分的压实度。因此,在试验时,应将表面层

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第5期

2005年10月

土铲去,用环刀取其中部5～10cm的土样,尽量使所测密度值能代表整个碾压层的平均密度。这样所测得结果才能与灌砂法和核子密度仪法的测定结果大致相同,才有比较意义。

1.2　核子密度仪法

1.2.1　核子密度仪的工作原理

核子密度仪内部有两种放射源(铯137γ源,镅241中子源),测量密度时,铯137γ源发出的γ射线进入被测材料,如果材料密度越大,就会有越多的γ射线穿过它并被装在仪器内的盖草-密勒计数管检测到,单位时间内计到的数目就越大;反之,就越小。微处理器根据检测管的接收数目就可以测出其密度。测量含水量时,中子源放射出的中子进入被测材料,被测材料水分子中的氢原子与高能中子相撞,使之减速,慢中子被探测管所接收,含水量越大,被接收的慢中子数越多;反之,就越少。

1.2.2　核子密度仪使用的条件和范围

现行的部颁标准J TJ033-95《公路路基施工技术规范》及J TJ059-95《公路路基路面现场测试规程》中均已明确规定了路基路面压实度的检测可以使用核子密度仪,并采用透射法作为施工质量的现场快速评定方法。但是使用前应与灌砂法进行对比试验,然后按照数理统计方法找出两种试验结果间的相关性和关系式,计算出相关系数并在仪器中输入有关参数的修正值后方可使用。此时核子密度仪检测得到的试验结果即为换算成灌砂法所得到的相应试验数值。

根据多年来进行施工检测的经验及体会,核子密度仪的应用有一定限制和使用范围,它不适宜于任何类型的土质和结构。在均质材料如细粒土、砂、粉媒灰、白灰土、二灰土等结构层施工中使用核子密度仪,检测效果较好;而在非均质材料如砂砾、水泥稳定碎(砾)石、二灰稳定碎(砾)石等结构层施工中,其检测效果较差。主要原因在于非均质材料的颗粒粒径范围变化较大,容易影响核子密度仪对γ射线及中子的有效接收。对于此类型结构层压实度的检测,则应采用灌砂法或其它有效的方法来进行,而不能简单地套用核子密度仪来进行检测,否则检测出的压实度数值离散性较大,对施工现场控制及质量检测毫无意义。

2　回归方程的建立

将灌砂法和核子密度仪法分别测得的数据进行数据处理,利用方程y=b+ax进行回归计算,得出b、a值和相关系数γ,γ越接近1,说明误差越小。然后将b、a值代入回归方程,即y灌=b+ax核(式中:b、a为回归常数;x核为核子密度仪的实测干密度;y灌为灌砂法的实测干密度;γ为相关系数),从而得到核子密度仪与灌砂法的对比值。

从方程式中可以看出:随着x核的改变,y灌的值也随之改变,在实际检测中,只需得到核子密度仪测定的干密度,即可得出该填料的实际干密度。

值得注意的是:推算回归方程时,应计算出对比数据的相关系数。相关系数越接近1.0,说明对比数据的相关性越好,反之,说明对比数据的相关性差。当相关系数小于0.9时,说明对比数据的相关性较差,对比试验失败。

3　核子密度仪与灌砂法的对比试验

在某高速公路的路基施工中,使用美国CPN公司生产的MC-3型核子密度仪进行了压实度检测。按照数理统计学原理中有关小样本评定的规定,最小统计样本的数量不小于35组。J TJ033-95《公路路基施工技术规范》中规定对比试验数量为10组以上,与统计学中有关要求相比样本数量偏少,不足以反映散点的变化趋势,应予以修改和更正。

首先对核子密度仪进行标定,使仪器在有效期内能够正常操作,以保证检测数值的可靠性。现以粘性土、砂性土、石灰土等为例将二者实测数据用线性关系整理,列于表1。

根据回归方程y=b+ax:

a=

6x・6y-n6xy

6x2-n6x2=

32.70×32.23-16×65.92

32.702-16×66.88

=1.01 b=

6xy・6x-6y・6x2

6x2-n6x2=

65.92×32.70-32.23×66.88

32.702-16×66.88

=-0.05 即y灌=-0.05+1.01x核。将核子密度仪检测的每点压实度值代入此式,即可得出灌砂法的标准压实密度。相关系数

γ=

n6xy-6x・6y

n6x2-6x2・n6y2-6y2

=

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