灌砂法路基压实度快速成孔检测技术研究

胡桂海

广州市恒盛建设集团有限公司 广东 广州 510000

1 前言

压实度检测是控制市政、公路路基压实质量的通用手段。而灌砂法压实度检测是目前市政道路工程路基路面压实度检测的主要方法之一，其使用最为广泛。基于对压实度质量的严格控制和减少后期沉降，现行规范对压实度检测的频次要求较高，工程实践中压实度检测往往是试验检测人员劳动强度很大的一个项目。路基、路面施工的高峰季节往往需要大批的试验人员驻现场进行检测，现场人工挖孔、灌砂、称量、测定含水率的工作繁琐而费时，往往两人配合完成一个孔的全部检测最后得到测点的压实度需要最少1个多小时的时间，效率很低，同时检测结果真实性与检测人员的技术水平与责任性有很大关系，在检测人员数量不足的的情况下，为满足检测频次要求，检测数据作假的现象经常性出现。这为真实掌握现场压实质量增加了很大的难度，一些压实度不合格的路段可能进入下一道工序，在后续的施工过程或运营后出现质量问题被发现，此时采取补救措施成本很高，而且会造成很大的社会不良影响[1-2]。

市政道路路基灌砂法压实度检测首选需要在检测路基上人工凿除一个直径15cm、深度15cm的试验孔并收集里面的土样进行称重，再以标准砂填充检测孔用以换算试验孔的体积，通过称量得到试验孔土样的重量与换算的体积计算得到土样的湿密度，在检测得到含水率即可计算得到该检测点的压实度[3-4]。根据现场的情况反馈，在灌砂法压实度检测过程中最耗费人力的步骤是人工挖孔的步骤，两个检测人员配合完成一个检测孔钻孔取土的时间不少于10min，这导致用灌砂法检测的效率很低，在填土压实的高峰季节为满足压实度的检测往往需要配置大量的试验人员完成此行工作，检测效率低、劳动强度大。因此设计一种机械自动式快速钻孔取土机，用于替代灌砂法压实度人工成孔检测具有很大实用价值。

2 旋切式取孔机技术原理与工艺流程

2.1 技术原理

旋切式钻孔机为灌砂法压实度检测钻孔取土机（结构如下图1所示、实物如下图2所示），其包含外壁光滑的圆柱形左立杆1余右立杆2，在左立杆余右立杆上装有固定限位装置4、顶端装有横杆18，在左立杆与右立杆后装有斜杆3，在左立杆、右立杆、斜杆下装有底架21，底架上装置前轮16与后轮17，在固定限位装置上方装有移动限位装置5，移动限位装置的左侧装有汽油发电机6，发电机底部装有转子7，在移动限位装置的右侧装有轴承件10，轴承件的下方装有转动轮9，转动轮与转子通过皮带8连接，在转动轮的下方装有钻杆12，钻杆上焊接有螺旋刀片13，钻杆通过固定限位装置上的限位预留孔11上下升降。在移动限位装置上安装有升降杆20，升降杆上装有手动轮盘19，通过手动轮盘可以操作移动限位装置及其附着在其上的各个部件同时升降。在钻杆的下方为检测孔15，在检测孔上方设置有可移动的土样收集盒14，土样收集盒在钻孔位置预留出钻杆升降的位置。在钻杆的顶端焊有专用硬质合金刀片。

图1 旋切式取孔机结构图

图2 旋切式取孔机现场使用图

图3 旋切式取孔机工艺流程

图4 自动成孔（旋切式）与人工成孔的湿密度比较

2.2 旋切式取孔机关键技术及优势

（1）硬质合金刀头。旋切式取孔机的关键部位为硬件合金刀头，刀头材质为含钨合成高速钢，具备高硬度与耐磨性两大特征；刀头扁平，横向长度为148mm，略小于设计成孔尺寸的150mm，试验检测点石子直径小于20mm可通过切削方式打碎（检测孔含有尺寸超过20mm的石子时更换试验孔），试验测试刀片使用次数在2000次以上。

（2）螺旋刀片。螺旋刀片的设计主要作用为两方面，一方面通过旋切的方式实现钻孔的同时将土样通过螺旋刀片自下而上输送至地面取土盒内，同时完成钻孔与取土两个步骤；二是修整检测孔的孔壁，使得最终的检测孔尺寸为标准的150mm直径、150mm高度。

（3）检测效率提升：旋切式取孔机平均成孔效率为60s，并设计了150mm的限位装置，达到取孔深度后立即限位。相比人工挖孔检测平均每个检测孔钻孔取土至少10min相比，极大提高检测效率，减低劳动强度，实现极大的人工节省。

2.3 旋切式取孔机工艺流程

（1）确定检测点

路基填土压实完成以后，通过随机取样的方式确定好检测位置（里程桩号、离中桩的距离等），核实检测位置平整度是否达到要求，旋切式取孔机移动到指定位置并固定好。

（2）钻孔准备

在钻杆及螺旋单片、刀头位置均匀涂抹凡士林，以免土样切割后粘连在刀片等工具上；开启发电机，发电机转子通过皮带带动转动轮转动，此时钻孔、螺旋单片、刀头开始旋转（三者为刚性焊接）。

（3）钻孔取土

手动操作手动轮盘缓慢向下转动，移动限位装置及其附着的发电机、转子、皮带、转动轮、轴承盒、钻杆及螺旋单片、刀头均向下移动；钻杆及刀片通过固定限位装置上的预留孔、土样收集盒的预留孔位置达到地面处；刀头在检测孔顶面切割土体，并由螺旋单片将土体自下而上传输甩出到土样收集盒内完成钻孔取土的过程；手动控制手动轮盘移动到限位装置底面通过立杆向下滑动到固定限位装置的顶面上时钻孔深度达到检测要求的150mm即可停止下钻，此时仍保持开机状态。

（4）完成检测成孔

控制手动轮盘向上转动提升移动限位装置，附着在移动限位装置的发电机、转子、皮带、转动轮、轴承盒、钻杆及螺旋单片向上移动；钻孔底面高于土体收集盒顶面后，关闭发电机，并停止向上提升；毛刷清理粘贴在钻杆及螺旋单片上的土样，移开土样收集盒，手动收集残留在检测孔内的少量土样倒入土样收集盒内；对土样收集盒内土样进行称重，得到该检测孔湿土重量值。

3 旋切式取孔机与人工挖孔比对试验研究

3.1 试验设计

在某一路段（200m以内）填土厚度、土质、碾压时间、碾压遍数均相同的条件下随机选择10个检测点，分别用人工挖与旋切机取孔两种方式进行挖孔，而后采用人工灌砂的方式进行湿密度的检测，主要比较旋切式取孔机与人工挖孔取土两者对灌砂法压实度湿密度检测结果的影响（挖孔方式直接影响湿密度从而影响压实度，而与土样含水率并无直接影响）[5]。

3.2 对比试验数据

表1 人工挖孔灌砂法湿密度检测数据

表2 机械自动成孔湿密度检测数据

根据上表与上图的数据分析得到，采用人工取土与旋切式机器取土两者在同一检测位置得到的湿密度存在差别，最大误差为0.04g/cm3，超过规定要求的平行检测差值不得大于0.03g/cm3的要求，但仅为极个别数据，大部分数据均在规范要求的范围内，两者湿密度检测数据存在差别的主要原因分析有：人工挖孔孔经往往越往下越少，实际到了测试孔的底部孔径没有15cm（现场试验人员按照以往的经验现场检测，为保证人工检测压实度的真实情况，未对此进行干入），因此人工挖孔取出的土体重量明显小于机器挖孔取土的重量。这也是检测湿密度时存在的差异所在，但以旋切式方法来替代人工挖孔在精确度上（平行检测小于0.03g/cm3）保证率在90%以上。

为进一步验证旋切式取孔的准确性，为此扩大了检测样本数量，再次进行了50个点位的检测，此次检测只针对湿密度进行，灌砂方式全部采用人工进行。经统计50组数据仅有2组的差值超过0.04g/cm3，其余各组的差值均在0.03g/cm3之内，满足规范要求，说明在样本容量扩大后旋切式取孔方式的准确性更为温定，说明机械稳定性的稳定性高，重复性精度高。

4 结论

本文研究了一种灌砂法路基压实度快速成孔检测的自动化装置，具有60s快速完成检测成孔且自动完成土样收集的功能，较之人工挖孔检测效率可提高10倍左右，而且劳动强度得到了很大程度的降低。

为验证旋切式取孔机的适用性，现场与传统的人工挖土检测方式进行了准确度比对试验。通过对60组对比试验得到的湿密度数据比较分析表明：两种不同的成孔方式平行检测试验得到的湿密度差别超过0.03g/cm3的情况约小于5%（60组中仅为2例），说明采用旋切式取孔方式代替人工挖孔的方式是完全可行的，准确度的保证率在95%以上。