美标（ASTM）规范下ARNAUD土坝填筑检测方法

摘 要：毛里求斯ARNAUD（阿诺德）土坝项目位于毛里求斯中部，坝体为均质土坝，对压实度和含水率要求高。由于施工现场降雨频繁，项目工期紧，填筑要求高，工程师要求严格，根据招标文件技术规范，试验检测采用美国标准（ASTM）为主，英国标准（BS）为辅，因此探讨在美标及英标条件下土坝填筑的压实度及含水率检测，对于指导土坝填筑施工具有较大的意义，同时也希望能为同行提供参考。

关键词：土坝；压实度；含水率，美标（ASTM）

1 概况

毛里求斯共和国为非洲东部一岛国，位于印度洋西南方，作为火山岛国，毛里求斯四周被珊瑚礁环绕，岛上地貌千姿百态，沿海是狭窄平原，中部是高原山地，有多座山脈和孤立的山峰。截至2013年，毛里求斯是非洲三个被人类发展指数被评为“高”级别的国家之一。是准高端的国际市场。

ARNAUD项目位于毛里求斯中部，工程项目主要包括： ARNAUD 土坝（大坝开挖与填筑、帷幕灌浆和监测仪器等）、引水进Mare Aux Vacoas（MAV）的新建明渠、泵站、Pradier渠道升级和Tatamaka 支渠升级改造等，项目所在区域从12月中旬至次年5月为主雨期，收海洋性气候的影响，全年下雨特别频繁。土坝填筑是本项目的关键，也是本工程的重点和难点。

在填筑过程中，土料借土场距离填筑现场约为25km，借土区域降雨量也较大，料场开挖深度为3m，所取的土样需在借土场进行晾晒，此时需对土样含水率进行快速控制，目的是送至填筑现场的土样能有较为合适的含水率，以利于压实。项目中后期时由于料场降雨过于频繁，在毛里求斯岛北部又设置一处晾晒场地，由于岛国海洋气候原因，此处降雨量大大减少，仍然需要在料场进行含水率检测，避免土样过于干燥，导致无法压实。为此，需对填筑过程中的含水率及压实度检测方法进行具体的研究，选取合适的方法，从而快速，准确的检测填筑过程中的含水率及压实度，对于加快填筑速度，降低施工成本，具有较强的现实意义。

2 土坝填筑的技术指标

本项目坝体为均质土坝，设计土坝长220m，高18m。根据招标规范要求，土坝填筑现场控制检测主要包含压实度检测和含水率检测，在工程师的见证下按照技术规范要求的频率进行检测，主要技术指标为：土料塑形指数（PI）大于12，液限为53，塑限为39，压实度要求为达到标准击实值的（MDD）98%，含水率为最优含水率（OMC）的-1%至+2%。较中国规范的同等级土坝要求高。

3 填筑土料含水量控制

由于料场土料含水量不均且大坝所在区域经常性下雨，导致本项目土料的含水率控制成为大坝填筑中关键控制项，因而，找出快速控制含水率的检测方法尤为重要。

本项目的技术规范对填筑时土料的含水率要求严格，同时大坝施工现场降雨较为频繁，因此要求土料在晒料场即达到规定的含水率，同时对现场堆放的土料也要每日进行检测，避免在填筑现场出现大量的含水率过高或者过低的现象，因此需引入快速而准确的检测方法，再使用烘箱法对其进行修正，用于指导现场施工，经过研究规范及比对，选取了ASTM D-4643的微波炉法用于现场施工。

3.1 微波炉法检测含水率

美标ASTM D-4643中提出可用微波炉进行快速的含水率检测，并给出相应的操作规程。根据ASTM D-4643，微波炉检测时第一次加热时间为3min，之后每次为1min，至质量变化很小时停止（小于0.1%），可认为要求。微波炉法在使用时需采集一定数量的具有代表性的土样，表1为ASTM D 4643内土样颗粒大小及取样检测重量之间的关系，由于在实际填筑过程当中填筑的土料留在2.0mm筛网的百分比小于%，故每个样本用于检测的质量为100g左右，检测时间大约为25分钟，质量变化可满足规范要求。

3.2 烘箱法与微波炉法的对比

2014年5月，项目部试验室会同监理工程师在料场试验段进行了烘箱法及微波炉法检测含水率的对比，在同一地点不同深度平行取样，分别在现场进行微波炉法检测及称量后送至试验室进行烘箱法检测，检测后对比结果见表1。

表1 烘箱法与微波炉法检测含水率对比表

点号 取样深度 微波炉检测含水率（%） 烘箱检测含水率（%） 差值（%） 备注

1 5cm 34.3 35.6 1.3

20cm 40.8 36.1 -4.7

2 5cm 35.3 35.4 0.1

20cm 36.0 36.2 0.2

3 5cm 34.8 34.6 -0.2

20cm 35.8 35.5 -0.3

4 5cm 33.4 33.8 0.4

20cm 34.2 34.5 0.3

5 5cm 34.8 34.5 -0.3

20cm 35.5 35.6 0.1

6 5cm 35.1 36.3 1.22

20cm 36.6 37.2 0.6

7 5cm 33.3 33.9 0.62

20cm 34.9 34.6 -0.32

8 5cm 31.6 32.1 0.47

20cm 33.8 35.6 1.76

9 5cm 33.7 34.2 0.5

20cm 34.7 35.7 0.95

微波炉及烘箱法线性关系见图1：

结合表1及图1可见，微波炉法检测含水率及烘箱法具有良好的线性关系。在现场实际操作中，微波炉法可快速得出较为准确的土样含水率。

3.3 填筑前土料含水率控制方法

由于核子密度仪在检测松土时存在较大额偏差，在晒料场和堆料场一℃即可进行收集并运送至大坝填筑现场，避免了依靠经验控制含水率容易出现的偏差。

4 大坝填筑现场检测

4.1 概述

根据规范要求，土坝填筑现场控制检测主要包含压实度检测和含水率检测。

4.2 现场密度检测

现场密度检测主要通过体积及质量确定压实后密度及含水率，最终确定干密度。检测方法有直接检测法及非直接检测法。直接检测法通过确定填筑面上开挖小洞所移除的土料质量及洞的体积确定湿密度，包含灌砂法及环刀法。通过在烘箱内110±5℃条件下加热，之后通过检测干土的质量确定水分损失，可以得出含水率。非直接法通过检测土样中某种物质的含量，通过一定的关系计算出土料的密度或者含水率，主要指核子密度仪法进行检测。

4.2.1 灌砂法

灌砂法采用的本地通用英国标准（BS1377-9）灌砂桶，检测深度小于150mm时，使用灌砂桶直径为100mm，检测深度大于150mm小于250m时，使用灌砂桶直径为200mm；在检测度时此法应用最为广泛，结果可靠，因此作为其他检测方式的基准， 用以校核标定其他检测方式。

4.2.2 环刀法

根据ASTM D-2937，环刀法可用于确定建筑物回填、公路填筑及土坝填筑现场压实后密度，所检测土样最大粒径为4.75mm，当此法用于控制性试验时，所用环刀体积不能小于850cm3，典型的环刀外径为101mm，内径为97mm，高度为127mm。

现场使用时，先清除压实土表面松土，获得平整的基础面，把环刀和堵头组装好放置于土样上面，均匀的击打环刀堵头，根据规范要求直至环刀上缘低于检测面13mm，若环刀进入过深，会导致环刀内土样的变形或者挤压，从而导致结果偏差。环刀进入一定深度之后，使用小铲或者其他工具挖出环刀，使用刮土刀修整两侧土样，一个良好的样本内不应该包含石头、植物根系或者其他材料。通过称量环刀净重及环刀与土样总重，已知环刀体积，即可得到土样湿密度。

4.2.3 核子密度仪法

（1）本项目采用美国Troxler生产的3440型核子密度湿度仪（简称核子密度仪），用来测量泥土、泥石聚集物、水泥和沥青地基、沥青表面等的湿度、密度和压实度。

Troxler 3440 核子密度仪内置有两种放射性物质，其中铯-137（cesium-137）位于探测杆端部，产生伽玛射线（Gamma emission）， 用于检测压实度。检测是共有两种检测模式：直射法与反射法，其中用于土坝填筑时许采用直射法。

采用直射法检测时，含有铯-137放射源的探杆降低到要求深度，会产生伽玛粒子，核子密度仪底板的探测器检测放射强度。伽玛粒子到达探测器前必须经过需检测材料，大量伽玛粒子会与需检测物质内电子碰撞并消失，探测器可以检测消失的粒子数量并据此计算出需检测材料的压实度。简而言之，到达探测器的粒子数量越少，则材料的压实度越高。由于所有到达探测器的粒子都来自于探杆端部放射源且全部穿过检测物质，因此所得到的密度就是探测器表面与探杆端部放射源之间的平均密度。

（2） 湿度检测Troxler 3440型核子密度仪采用40毫居里（mCi）镅241放射源，向土壤等被测材料放射高能中子射线，高能中子与氢原子碰撞后，迅速失去能量而变成低能中子，而其它任何种类的原子都不能象氢原子那样显著减少高能中子的能量。被测材料中的湿度越高，水分含量就越高，氢原子就越多，当中子射线穿过时，将产生更多的低能中子；同样的原因，当被测材料较干时，产生的低能中子数目就较少。Troxler仪器中内置的氦-3管对低能中子非常敏感而对高能中子不敏感。低能中子计数越高，表示被测材料的湿度越高；反之，低能中子计数越低，表示湿度越低。核子仪测量的是地表到地表以下10公分的材料的平均含水率。核子仪在进行密度和水分测量时，分别使用不同的放射源，不同的射线接受器，不同的数据计算系统，所以密度和水分两个检测系统相互独立，其检测数据也互不影响。

（3）因为放射源会衰变，为确认工作正常，每日应取标准计数。把参考件数放在干燥，平坦的表面上，至少离任何建筑物或结构2 米（6 尺），离任何其他放射源10米（30尺）。仪器放在参考件上，需保证参考件顶和仪器都清洁干净、平滑没有泥巴和任何其他物质妨碍良好的面对面接触，使仪器处于安全模式，即可进行标准计数。

仪器将自动地将这次新计数值和过去最后4 个标准计数的平均值进行比较，如果不超过（或不小于）湿度平均值的2%并（或）密度平均值的 1%，此新计数值将视为合格。在获取计数值之后，需把标准计数登记记录。

4.2.4 环刀法与灌砂法的比较及核子密度仪与灌砂法对比试验

（1）环刀法与灌砂法的比较。为了获得环刀法与灌砂法之間湿密度的关系，项目部试验室在监理工程师的见证下进行了两种方法的对比试验。灌砂法采用直径100mm灌砂桶，检测深度为150mm，环刀采用符合ASTM标准环刀，外径102mm，高度127mm，实验结果见表2.

表 2 环刀法与灌砂法湿密度比较

点号 湿密度（Kg/m3）

环刀法 灌砂法 备注

1 1886 1895 9

2 1919 1909 10

3 1852 1867 12

4 1883 1875 8

5 1895 1839 56

6 1903 1887 16

通过实验对比，找出湿密度线性关系，见图2。

图2可见环刀法及灌沙法试验结果比较接近，两种方法得到的均为现场实际湿密度，都可用于现场填筑压实度控制，但环刀法检测更加快捷，在土坝回填时，常使用环刀法可以快速得出碾压后土样的湿密度，比灌砂法节约大量时间。

（2） 核子密度仪与灌砂法对比试验。由美国工兵工程规范COE： EM_1110-2-1911 Construction Control for Earth and Rock-Fill Dams，核子密度仪在检测含水率高于40%的土样时出现非线性结果，因此在使用时需采取传统的方式对密度及含水率进行对比试验，修正核子密度仪的结果。

同时，根据本项目技术规范，在使用核子密度仪前需对核子密度仪与灌砂法进行对比试验，对比需每月进行一次。本工程在土方回填段进行对比试验，每个月进行一次比对试验，用以修整核子密度仪结果。在每次对比试验室选取已压实土坝填筑面，至少取5个点进行灌砂法检测，根据对比试验结果建立回归方程，并对核子密度仪的检测结果进行修正。

Y=a+bX（式中a、b为回归系数）

其中假设Y值为灌砂法实测结果，X为核子密度仪检测结果。现以2014年5月份在坝面实测结果建立一元线性方程，其中土样最大干密度为1381g/m3，最佳含水量为36.3%。根据实验对比，得出压实度线性方程为：y = 0.8992x + 108.09，相关系数为R2=0.87。根据以上结果，说明Troxler 3440压实度相关性接近于0.9，可以用于本项目试验检测。同时在进行土方检测以及沥青检测（反射法）同样进行对比试验，土方与碎石一样采用灌砂法检测检测结果对比，沥青进行对比试验时采用钻芯法检测实际压实度，即可得出相应的线性方程以及相关系数。

实际施工过程中，大坝分层填筑碾压完成后，现场采用核子密度仪对其进行压实度检测。并按照要求，定期进行对比试验，对核子密度仪进行修正。

4.3 含水率的控制和检测

由于本项目的特殊性，为了确保填筑料的含水率在可控范围内，往往在晒料场要求含水率低于要求的含水率，现场需要安装一个带有水表的洒水系统用于现场含水的控制，当开始摊铺下一层时，在接触面轻轻的均匀的碰洒少量的水；随着土料的摊铺，一般在整个工作面取8个土样，用于含水的测定。当所测含水低于最优含水的界定范围时，通过计算来确定现场所需加水量，公式如下：

Mw=M/（1+0.01W1）*0.01（W-W1）

式中：W为OMC；W1为现场实测含水；M为湿土重量；Mw为所需加水量。

确定所需加水量之后，在其表层均匀的喷洒定量的含水，待其沉浸30分钟。使用圆盘耙使其拌合均匀。之后开始按照碾压参数（一遍静碾，五遍振动）对其进行碾压，最终使用用灌砂法修订过的核子密度仪来检测其含水和压实度，用来确保工程的质量。

实际施工过程中，当大坝分层填筑碾压完成后，现场采用核子密度仪对其进行含水率检测。

5 结束语

在土坝填筑时，同时涉及到含水率及压实度的检测。为了方便快捷的检测碾压效果，引进核子密度仪进行检测，然而核子密度仪属于非直接法检测，在使用前需进行與传统的灌砂法或者环刀法进行比对试验，找出其中的关系，对偏差进行修正之后可用于控制性试验。

对含水率进行检测时，传统的烘箱法最为准确然而耗时最长，因此引入美标规范中的微波炉法进行快速检测，此法可用于料场含水率控制，在检测时料场主管及现场填筑技术人员均可参与，使之对土料含水率有更加直观的认识，有利于加快现场施工进度。

参考文献：

[1]ASTM D 6938-08 Standard Test Method for Density of Soil and Soil-Aggregate in Place by Nuclear Methods （Shallow Depth）[S].

[2]ASTM D 7759-12 Standard Guide for Nuclear Surface Moisture and Density Gauge Calibration[S].

作者简介：张波，男，贵州印江人，高级工程师，长期从事水利水电工程施工技术和管理。