SDG密度仪测定无粘性土密实度试验探究

李 真，王正君，熊奥运，姜荣辉

（黑龙江大学水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

0 引言

近年，随着经济的快速发展，我国对工程建设的投入不断加大。工程填土的质量普遍用压实度指标进行控制，不同土质的压实性能有很大的区别。通常认为，无粘性土的压实效果较好。相较于粘性土、粉质土等分散性土来说，无粘性土呈密实状态时，结构稳定，压缩性小，强度大，可作为良好的天然地基，具有较大的研究意义和利用价值。

工程上在压实填土施工中，填土密实度测试是填土压实质量控制的重中之重。目前，理论上可以用于无粘性土密实度检测的方法主要有破损法（环刀法、灌砂法和灌水法）[1~3]以及无损法（核子密度仪法）。但由于无粘性土的粘性较差且呈松散状态，使用环刀法及灌砂法进行检测时，土样不易成型，操作难度大，检测数据准确性较差。无损检测方法不是一种直接检测填土压实度的方法，此类方法不仅能够保持被测土体的完整性，减少对压实路基和压实堤坝的破坏，而且可以较好地避免外界因素的干扰，很大程度地提高了检测效率。但核子密度仪法的使用过程较为复杂，并且存在核辐射的危险，这些因素导致其在工程建设领域的发展受到很大限制。因此，迫切需要一种能够无损、安全、快速、准确检测无粘性土密实度的方法。本文使用SDG无核密度仪测定无粘性土的密实度，并用传统破损法灌水法[4]检测值作为对照试验，探究该仪器测定无粘性土密实度的稳定性与可靠性。

1 测试原理及仪器简介

SDG无核土壤密度仪是近年来推出的一款用于土壤密实度测试的无损检测仪器。它采用电化学阻抗图谱技术，在对电磁场测量时可以将土壤密度与含水率区分开，其压实度是通过电磁感应场对材料基质电化学阻抗的变化响应来达到无损检测的目的[5]。由于空气的介电常数比土壤中的其他材料的介电常数低得多，当压实度提高时，土壤中空气减少，导致综合介电常数升高，SDG土壤密度仪通过内置数据处理器将测试得到的数据，经计算得到的压实填土的密度、压实度及土体含水率，实现对现场填土密度的实时快速无损检测。SDG相较于各种传统的有损测量方法以及其它的无损测量方法，展现了很好的优越性，是当前较为先进的土壤密度检测仪器。

试验所用的仪器为美国交通运输公司研发生产的SDG200无核密度仪，仪器基本技术指标见表1。

表1 SDG200无核密度仪基本技术指标

2 试验方法

2.1 前置参数设置

在进行SDG无粘性土密实度检测试验之前，首先要将被测土体的前置参数输入仪器中，这是仪器操作的重要步骤[6]。试验所用土样为黑龙江省通河县的天然砂土，根据《土工试验方法标准》试验得到的基本参数。表中最大干密度与最优含水率的获取方式与粘性土区别很大，这也是使用SDG密度仪检测无粘性土密实度的一个难点。通过先行研究可知粘性土的最大干密度与最优含水率通过击实试验即可获得，而无粘性土的这两个参数需通过振动法[7]先得出最大干密度，再利用最大干密度与最优含水率的转换关系式得到最优含水率。无粘性土不同于粘性土，没有液限和塑限，因此在进行无粘性土的密实度检测时，将以上两个参数设置为0即可。砂土基本参数见表2。

表2 砂土基本参数

2.2 制备土样及试验过程

由于SDG密度仪是通过电磁感应场对材料基质化学阻抗的变化得到的测试结果，因此使用该仪器在实验室内进行检测时，需要提前制备一个木制模具[8]，采用木制材料不仅能够避免外界因素对仪器的干扰、又可节约成本。试验制备的模具见图1，考虑到仪器测量的深度和直径以及边界效应的影响，故模具的尺寸为90 cm×90 cm×30 cm。

图1 土样制备

使用SDG密度仪在室内检测无粘性压实填土的前期准备。

1）土样筛分：用筛分器对原样砂土进行大致筛分，只需将其中的大粒径石块以及其他杂质去除即可，以求充分保证土样的级配良好。

2）土样制备：由于模具的体积以及砂土的最大干密度已知，然后将预期的压实度设置为90%，即可求出需要制备的干土质量。

式中：m干土为干土质量；V模具为模具体积；ρdmax为最大干密度；m湿为湿土质量；ω0为土样真实含水率。

通过酒精燃烧法可以测得土样的真实含水率。

式中：m水为土样中加水的质量。

为了保证土样的含水率均匀，不能直接将土一次性倒入模具中，而是需要采取定量多次的方式向模具中添加相同且搅拌均匀的土样，然后分3次进行充分压实。制备好的土样必须要盖上塑料薄膜放置一夜，目的是使其含水率均匀并且不发生变化。

进行SDG试验时，首先要将待测土样表面刮平，按一定比例间隔选择测试点。在测试点处选择5个固定点，然后按照图2所示位置进行测试，一次完整的检测需要经过5个步骤。当开始读数时切记不要触摸仪器，否则测试结果将会出现较大误差。5次读数过后仪器将自动计算其平均值到数据文件中。准备测试前，一定要使仪器处于稳定状态，远离电线、电源等通电设备。然后打开SDG密度仪，查看仪器各项功能能否正常操作，当仪器信号接收稳定后，开始测试。由于目前SDG土壤密度仪能够保存数据的最大容量值为30个，因此，一旦超过最大容量值，仪器就会自动将之前测得的数据隐藏，只保留最新数据。各点的检测用时大概在120 s~180 s之间，检测完成后，仪器会通过自动内置的数据处理器对检测数据进行计算得到各项测试指标，每个点的实时检测数据都要及时记录下来，以防丢失[9~10]。为了判定SDG密度仪测试的稳定性，本试验制备了含水率不同的三种土样作为参照。检测完成后，继续用原土样做灌水法试验，得到压实土体的真实密度，衡量该仪器的可靠性。SDG密度仪测试见图3。

图2 SDG密度仪测试步骤

图3 SDG仪测试

3 结果与分析

3.1 SDG密度仪检测结果稳定性分析

表3 SDG土样一各点的检测值

图4 土样1数据图

表4 SDG土样二各点的检测值

图5 土样2数据图

表5 SDG土样三各点的检测值

图6 土样3数据图

各土样各监测点检测得到的数据见表3~表5、图4~图6，由图可知，SDG密度仪展现了较好的性能，该仪器测得的无粘性填土压实度均接近于预计值90%，稳定性较高，可以用于对无粘性土密实度的检测。

3.2 SDG密度仪检测结果准确性分析

表6 灌水法检测数据值

通过对相同条件的压实土样用SDG密度仪和灌水法进行对比试验，探究两种不同方法检测数据见表6、表7，数据拟合图见图7。

表7 SDG检测数据值

图7 SDG与灌水法数据拟合图

通过以上图表数据可知，SDG密度仪与灌水法检测出的无粘性填土压实度值具有较好的拟合度，两条折线相关性密切。通过SDG值与灌水法值的拟合，可以得到R平方值为0.8063，两组数据之间的拟合算式为：y=-0.0136x2+0.3712x+83.493。在工程填土中，灌水法的检测值具有代表性，可以较为准确地反映填土的压实情况。因此，从以上论证可以得出，该仪器具有较好的准确性，值得在工程领域推广使用。

4 结论

1）使用SDG密度仪检测无粘性土的密实度时，前置参数的获取方式与粘性土有很大不同。无粘性土的最大干密度与最优含水率需要通过振动法试验以及二者的转换关系得到，而粘性土则必须通过击实试验获取。

2）运用SDG密度仪检测多组无粘性土的密实度后，通过对比分析数据，可以得出该仪器测试结果的波动范围较小，具有良好的稳定性。

3）将传统有损方法灌水法作为对照试验，把二者测得的土壤密实度数据拟合之后，发现SDG土壤密度仪检测结果与灌水法检测值具有一定的相似性，都与预期的压实度相近，准确性较高。

4）根据实验室检测数据可知，SDG土壤密度仪测定的无粘性土干密度值与真实值较为接近，误差较小。而通过其测得的含水率值却普遍大于真实值，存在较大误差，不能如实地反映无粘性土的含水状况。此误差产生的主要原因是该仪器测试含水率的原理与传统的灌水法检测有很大不同。