CN103759966B - 检测干密度的静压取土设备及沙土压实度的质量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于取土取样和取土设备领域，具体涉及一种检测干密度的静压取土设备及沙土压实度的质量控制方法。目前，在工程中为了反映沙的密实程度，采用示相对密度或固体体积率来衡量沙基的密实程度。由于固体体积率试验的操作比较繁琐,在大面积施工的过程中,检测频率较大,所有的测点都用固体体积率来检测不但工作量巨大,而且影响工期。本发明提出一种新的风积沙路基压实度质量控制指标即K＝ρ_d/ρ_dmax，检测时间大大缩短；同时，又提出了一种能够提高测量精度、减小测量误差的现场取样检测干密度的静压取土设备。适用于大面积推广与广泛应用。

Description

检测干密度的静压取土设备及沙土压实度的质量控制方法

技术领域

本发明属于取土取样和取土设备领域，具体涉及一种检测干密度的静压取土设备及沙土压实度的质量控制方法。

背景技术

中国是一个多沙漠地区，沙漠总面积达63.7×104km2。由于风积沙具有水稳定性好、沉降均匀以及受不利季节影响小等特点，并且分布广泛、储量丰富、取材方便，因此在沙漠地区修筑公路，首选用风积沙作为路基填料.以风积沙作为路基填料是沙漠地区筑路的新技术,面临着许多技术难题.其中风积沙路基压实度的检测方法一直是施工中的难点,因为风积沙颗粒松散,检测时容易发生扰动,改变原有状态,使检测精度受到一定影响.目前，在工程中为了反映沙的密实程度，采用示相对密度或固体体积率来衡量沙基的密实程度。但是，存在着一些不足之处，分别从定义入手进行阐述。

目前实际工程中，常用相对密度或固体体积率来衡量沙土路基的压实程度。理论上讲，采用相对密度或固体体积率与含水量没有直接关系，采用相对密度或固体体积率作为路基压实质量的控制指标，就不存在室内试验与现场状态不对应的矛盾。因为风积沙相对密度的定义为：

$D_r=\frac{e_{\max }-e}{e_{\max }-e_{\min }}---(4-1)$

式中：D_r—风积沙的相对密度；

e、e_max、e_min—风积沙在实际状态、最松散、最密实状态的空隙比。

风积沙固体体积率的定义为：

$G=\frac{V_s}{V}=\frac{1}{1+e}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_d}{{\mathrm{\ρ}}_s}---(4-2)$

式中，G—固体体积率；

ρ_d、ρ_s—风积沙的干密度和固体颗粒密度；

V、V_s—风积沙在实际状态下的总体积和固体颗粒体积；

由于孔隙比的定义为孔隙体积V_v与固体颗粒体积V_s之比，即因此，相对密实度和固体体积率仅与体积有关。但实质上，孔隙比是一个换算指标，为了计算孔隙比，仍需测定土的天然密度、含水量和固体颗粒密度，其计算公式为：

$e=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s(1+w)}{\mathrm{\ρ}}-1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s}{{\mathrm{\ρ}}_d}-1---(4-3)$

对同一种风积沙材料，固体颗粒密度ρ_s是一个常量。由式（4－2）得，干密度为ρ_d＝ρ_s×G。若设风积沙达到最大干密度ρ_dmax时对应的固体体积率为G_max，则压实度K与固体体积率G的关系为：

$K=\frac{{\mathrm{\ρ}}_d}{{\mathrm{\ρ}}_{d\max }}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s\×G}{{\mathrm{\ρ}}_s{\×G}_{\max }}=\frac{G}{G_{\max }}---(4-4)$

由式（4－2）和（4－4）可见，压实度和固体体积率之间存在对应关系，两个指标之间没有本质的区别，采用固体体积率反而增加了计算过程。并且由于固体体积率试验的操作比较繁琐,在大面积施工的过程中,检测频率较大,所有的测点都用固体体积率来检测不但工作量巨大,而且影响工期。对于相对密实度，不仅需换算得到孔隙比e，且需要通过试验测定最大和最小孔隙比，其试验项目多且相对误差较大。

风积沙路基的施工采用压实度作为质量控制指标时，必须准确的确定风积沙路基最大干密度及现场干密度的检测方法，以便有效的控制风积沙路基的压实效果，确保路基的整体承载能力和稳定性。

风积沙最大干密度试验方法不同所得到的风积沙最大干密度值也不同，也较大的影响了压实度的检测结果。若确定的最大干密度值偏大，施工中在一定机械组合情况下压实度难以达到规定的压实标准，一方面造成大量机械台班和人力、物力的浪费，另一方面，所得到的压实度值表面上偏小，达不到规范规定值，监理人员、建设单位管理人员心理不踏实，非常担心在不满足规范规定压实度条件下，能否保证路基稳定，在使用过程中能否保证不出现路基病害，给正常建设管理、工程验收工作带来许多不便；若最大干密度值确定的偏小，利用较小的压实功就可达到要求的压实标准，给工程管理工作也会带来许多麻烦，甚至在道路正常运营过程中出现路基下沉、路面开裂、松散等病害，直接影响到道路的养护质量和服务水平。在路基施工过程中，利用推土机运送和摊平过程中，相当于用推土机进行了稳压，用标准击实法所确定的最大干密度值来衡量压实度，一般可达到90％左右，甚至更高，对于压实标准较低的低等级公路来说已达到规定值，显然，路基并没有压实，这种压实只是表面现象。另一方面，如果利用压路机分层压实，压实度大于100％的点数偏多，也说明压实标准偏低。因而，合理的确定风积沙最大干密度值对于沙漠公路来所至关重要，也是非常必要的。

在沙漠路基施工时，路基压实度是衡量施工质量的重要指标之一，也是保证道路有足够的强度和稳定性，以及较长使用寿命的关键。风积沙作为路基填料，其路基的压实与一般粘土路基一样同等重要，压实度确定准确合理，一方面避免大量机械台班和人力、物力的浪费；另一方面监理人员、建设单位管理人员心理踏实，也保证了路基稳定，在使用过程中不出现路基病害，给正常建设管理、工程验收工作带来很大方便。因而，合理的确定风积沙路基压实度对于沙漠公路来所至关重要，也是非常必要的。在沙漠路基施工时，路基压实度是衡量施工质量的重要指标之一，也是保证道路有足够的强度和稳定性，以及较长使用寿命的关键。风积沙作为路基填料，其路基的压实与一般粘土路基一样同等重要，压实度确定准确合理，一方面避免大量机械台班和人力、物力的浪费；另一方面监理人员、建设单位管理人员心理踏实，也保证了路基稳定，在使用过程中不出现路基病害，给正常建设管理、工程验收工作带来很大方便。因而，合理的确定风积沙路基压实度对于沙漠公路来所至关重要，也是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺点，提供一种相对误差小，精度高的检测干密度的静压取土设备及沙土压实度的质量控制方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：包括固定于砂基中的底座和固定设置于底座上的主固定支架和主动液压缸，且主固定支架上固定有一端与主动液压缸相连通的液压油管道，液压油管道的另一端与主固定支架内的进给液压缸相连通，进给液压缸下方依次设置有平衡压板和返程辅助压板，且返程辅助压板通过定位导向杆固定，定位导向杆的另一端固定于底座中，返程辅助压板的下方依次紧密设置有压力传筒和环刀，且环刀穿过底座嵌入砂基中，且压力传筒和环刀的侧壁上设置有可调式定位导向套筒；

所述的主动液压缸上设置有脚踏板。

所述的主动液压缸与进给液压缸通过螺栓固定在主固定支架上，液压油管道为刚性管道，且通过管道卡固定在主固定支架上。

所述的定位导向杆与底座采用螺纹连接，且导向杆的直径为20mm，导向杆为两个，且对称设置于压力传筒的两侧。

所述的返程辅助压板与定位导向杆之间和压力传筒与调式定位导向套筒之间，均为间隙配合；且所述的返程辅助压板与压力传筒连接方式为焊接；进给液压缸与平衡压板之间为销接。

所述的脚踏板与主动液压缸采用螺纹连接，且脚踏板和主动液压缸个数为两个，对称设置于主固定支架的两侧。

沙土压实度的质量控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）确定实验用沙土，并取样；

2）进行若干次重型标准击实实验，得到干密度；

3）根据步骤2）实验所得到的的结果绘制风积沙压实曲线，得到最大干密度ρ_dmax；

4）现场干密度检测：使用现场取样检测干密度的静压取土设备取沙土，通过液压传动将环刀贯入沙基内，并称取环刀沙样的质量；

5）测定步骤4）得到的沙样的天然密度及含水率；

6）根据步骤5）测定的天然密度及含水率，计算得到沙土的密度ρ_d；

7）根据K＝ρ_d/ρ_dmax，计算最终得到压实度K。

所述的步骤1）中的取样为在试验段内分3-5点取样。

所述的步骤2）中重型标准击实实验为采用五次填料，每层击数27次，击实功2687.0kJ/m³。

所述的步骤4）中取环刀沙样时采用：用括刀括去环刀顶面多余的试样，然后翻转环刀，将底面多余试样括掉，用500g-1000g天平，称取环刀沙样。

本发明具有以下的有益效果：相比较现有技术，检测干密度的静压取土设备通过采用在底座上设置的通过踏板控制的主动液压缸，控制进给液压缸中的油量，进而控制换刀的取土，由于踏板上施加的力固定，从而保证了取土的平稳，避免了扰动的发生，提高了取土测量的准确性和可靠性，且装置结构简单，易于操作。且所取的沙样更接近原装，测量精度更高。

相比较现有技术，沙土压实度的质量控制方法，针对现场干密度的检测方法，本方法通过利用现场取样检测干密度的静压取土设备对风积沙路基进行取样检测，现场取样检测干密度的静压取土设备采用液压传动方式使环刀贯入沙基中，这样既防治了使用铁锤的冲击作用将环刀打入压实沙层的过程中，锤击产生振动作用，使环刀内沙样产生裂纹，沙样发生的扰动。利用液压传动使环刀入土更加平稳，所取沙样更加接近原状，测量精度更高。提出一种新的风积沙路基压实度质量控制指标即K＝ρ_d/ρ_dmax，其中干密度ρ_d采用环刀法通过现场取样测定,环刀法设备简单,操作方便,测量精度较高,且为规范规定方法,人们容易接受.通过使用微波炉测试含水量,检测时间大大缩短。

进一步的，由于底座由定位钢针固定，保证了装置运行的稳定性和可靠性。

进一步的，由于定位导向杆与底座采用螺纹连接，从而保证了装置运行的稳定性。

进一步的，由于均为间隙配合，使得两者可实现内滑动。

进一步的，由于多次取样，保证了结果的准确性。

附图说明

图1是风积沙击实曲线；

图2检测干密度的静压取土设备结构示意图。

图中：底座，2：主动液压缸，3：踏板，4：返程辅助弹簧，5：液压油管道，6：进给液压缸，7：主固定支架，8：平衡压板，9：返程辅助压板，10：定位导向杆，11：可调式定位导向套筒，12：定位钢针，13：环刀，14：压力传筒。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

参见图1，检测干密度的静压取土设备包括经定位钢针12固定于砂基中的底座1和固定设置于底座1上的主固定支架7和主动液压缸2，且主固定支架7上固定有一端与主动液压缸2相连通的刚性液压油管道5，液压油管道5的另一端与主固定支架7内的进给液压缸6相连通，主动液压缸2与进给液压缸6通过螺栓固定在主固定支架7上，且螺栓型号为M10，液压油管道5通过管道卡固定在主固定支架7上，进给液压缸6下方依次设置有之间为销接的平衡压板8和返程辅助压板9，且返程辅助压板9通过定位导向杆10固定，为间隙配合，定位导向杆10的另一端采用螺纹连接固定于底座1中，返程辅助压板9的下方依次紧密设置有压力传筒14和环刀13，且环刀13穿过底座1嵌入砂基中，且压力传筒14和环刀13的侧壁上设置有可调式定位导向套筒11，且压力传筒14与可调式定位导向套筒11之间为间隙配合；主动液压缸2个数为两个，对称设置于主固定支架7的两侧，其上设置有采用螺纹连接的脚踏板3；返程辅助压板9与压力传筒14连接方式为焊接。

利用人体重量作为环刀13入土的贯入主动力，利用液压缸通过液压油将人体重力传递给环刀13。操作人员单脚踩在脚踏板3上，通过主动液压缸2将人体的重量传递到进给液压缸6，此时主动液压缸2中的液压油通过液压油管道5流入进给液压缸6。进给液压缸6向下运动，通过平衡压板8，推动压力传筒14沿着可调式定位导向套筒11向下运动，推动环刀13贯入沙基。由于利用液压油这一介质传递人体重力，使得进给机构平缓运动，保证了环刀13平稳入土，不发生振动，所取土样不发生扰动，更加接近原状土。环刀13贯入沙基后，返程辅助弹簧4储能，当操作员撤去重力后，返程辅助弹簧4通过返程辅助压板9推动压力传筒14与进给液压缸6返程。此时，液压油由进给液压缸6流入主动液压缸2,进而完成取土全过程。

在移动和运输过程中，除由液压缸、液压管道、液压油组成的液压系统之外都可以拆卸，在到达现场之后现场组装。液压系统中个组成部件严禁拆卸，防止液压装置损坏及其相对位置发生变化带来的机构配合不良，进而导致取样失败。

沙土压实度的质量控制方法的具体步骤：

（一）通过室内试验确定风积沙沙样压实度

1、确定试验用沙（现场待研究沙样）

（1）因为不同级配风积沙最大干密度值不同，本试验对风积沙(沙样级配为0.3～0.15㎜、0.15～0.074㎜、小于0.074㎜的质量百分含量分别为45.1%、46.79%、9.11%)进行试验研究。

（2）在工程实际中，应该在施工现场选取有代表性的沙样。

2、标准击实试验测定最大干密度ρ_dmax

（1）依据《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）规定的方法，重型标准击实试验仪器包括击锤、试筒以及其它附属设备。其中击锤锤底直径5㎝、击锤质量4.5㎏、落高45㎝；试筒直径10㎝、高12.7㎝、容积997㎝3。试验时采用五次填料，每层击数27次，击实功2687.0kJ/m³

（2）试验步骤严格按照《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）中规定的试验步骤进行。

（3）根据试验结果见表1，绘制风积沙压实曲线见图1，得到最大干密度ρ_dmax。

表1准击实试验结果

由图1可知，风积沙的击实曲线有别于一般粘性土的标准击实曲线，它在含水量为零时出现峰值，随着含水量的变化形成了双驼峰曲线，含水量的不同将击实曲线划分为明显的四个阶段：当含水量介于0～2％之间，随着含水量的增加干密度降低;当含水量大于2％时，随着含水量的增加干密度值随之增加，干密度呈上升趋势;当含水量大于12％时，随着含水量的增加干密度值有下降趋势。这种规律与其它沙漠公路相关课题研究成果所得结论一致，可以得到标准击实法测得最佳含水量为12.11%，最大干密度的值为1.712g/㎝³。

3、现场干密度检测

（1）本试验模拟风积沙路基室外形成规律，于室内土工试验槽内完成。

（2）试验利用现场取样检测干密度的静压取土设备，通过液压传动将环刀贯入沙基内，根据试验数据测定沙样天然密度及含水率，计算沙样干密度。见表2

表2HGH-4型静压取土器试验结果及压实度计算值

4、压实度的计算

根据以上试验所得数据，利用公式K＝ρ_d/ρ_dmax计算沙基压实度K见表2。根据表2计算得到平均压实度

（二）室内标定箱试验

1、试验目的：

为研究现场取样检测干密度的静压取土设备取土试验的准确性，现采用锤击厚壁环刀取土和现场取样检测干密度的静压取土设备取土为参照做室内标定箱对比试验。

2、试验过程：

将风积沙采用分层填筑的方法装入一个尺寸为150*100*30cm³的标定箱,采用人工夯实结合表面振动压实的方法压实，通过称量与计算得到标定箱中沙的确切密度,然后分别采用锤击厚壁环刀取土、HGH-3型、H现场取样检测干密度的静压取土设备取土试验,再将测得的密度与上述计算的密度作比较来确定两种方法的精度.

3、试验结果及分析：见表3、表4

表3室内试验环刀取样检测数据对照表（室内标定箱试验）

表4室内试验环刀取样检测数据分析表（室内标定箱试验）

采用锤击厚壁环刀取土，与已知标准密度对比，准确率在96.5-98.2%之间；

采用HGH-3型静压取土器取土，与已知标准密度对比，准确度在97.3-99.1%之间；

采用现场取样检测干密度的静压取土设备取土，与已知标准密度对比，准确度在99.1-99.8%之间。

准确度与沙基含水量有关，含水量增加的准确度提高；含水量减少，检测的准确度明显下降。现场取样检测干密度的静压取土设备取土比HGH-3型静压取土器取土准确度平均提高1.2%；与采用锤击厚壁环刀取土比准确度平均提高2.2%。

（三）以上两组试验结论的分析

1、根据试验二数据，利用公式K＝ρ_d/ρ_dmax计算各组压实度。

2、由于要研究压实度准确度，准确度大小为比值，因此最大干密度具体数值不影响计算结果，为计算方便设ρ_dmax=1，绘制表5

表5平均压实度准确度对比情况表（室内标定箱试验）

3、根据表5可知，实际工程中，采用现场取样检测干密度的静压取土设备取样检测压实度准确度比HGH-3型取土器取样检测压实度准确度提高1.2%，比采用锤击换刀取土检测准确度提高2.1%。

Claims (5)

1.检测干密度的静压取土设备，其特征在于：包括固定于砂基中的底座(1)和固定设置于底座(1)上的主固定支架(7)和主动液压缸(2)，且主固定支架(7)上固定有一端与主动液压缸(2)相连通的液压油管道(5)，液压油管道(5)的另一端与主固定支架(7)内的进给液压缸(6)相连通，进给液压缸(6)下方依次设置有平衡压板(8)和返程辅助压板(9)，且返程辅助压板(9)通过定位导向杆(10)固定，定位导向杆(10)的另一端固定于底座(1)中，返程辅助压板(9)的下方依次紧密设置有压力传筒(14)和环刀(13)，且环刀(13)穿过底座(1)嵌入砂基中，且压力传筒(14)和环刀(13)的侧壁上设置有可调式定位导向套筒(11)；所述的主动液压缸(2)上设置有脚踏板(3)。

2.根据权利要求1所述的检测干密度的静压取土设备，其特征在于：所述的主动液压缸(2)与进给液压缸(6)通过螺栓固定在主固定支架(7)上，液压油管道(5)为刚性管道，且通过管道卡固定在主固定支架(7)上。

3.根据权利要求1所述的检测干密度的静压取土设备，其特征在于：所述的定位导向杆(10)与底座(1)采用螺纹连接，且导向杆(10)的直径为20mm，导向杆(10)为两个，且对称设置于压力传筒(14)的两侧。

4.根据权利要求1所述的检测干密度的静压取土设备，其特征在于：所述的返程辅助压板(9)与定位导向杆(10)之间和压力传筒(14)与调式定位导向套筒(11)之间，均为间隙配合；且所述的返程辅助压板(9)与压力传筒(14)连接方式为焊接；进给液压缸(6)与平衡压板(8)之间为销接。

5.根据权利要求1所述的检测干密度的静压取土设备，其特征在于：所述的脚踏板(3)与主动液压缸(2)采用螺纹连接，且脚踏板(3)和主动液压缸(2)个数为两个，对称设置于主固定支架(7)的两侧。