路基壓實度灌砂法自動檢測設備的設計與關鍵技術

陳康軍， 徐有為

(湖南聚創(chuàng)建筑科技有限公司, 湖南 長沙 410205)

0 引言

壓實度檢測是控制公路路基壓實質量的重要手段。目前路基現(xiàn)場壓實度檢測方法主要有：灌砂法、核子密度儀法、環(huán)刀法、水袋法等[1-3]。由于規(guī)范中規(guī)定核子密度儀檢測方法只適用于施工現(xiàn)場的快速評定，不宜用作仲裁試驗或評定驗收的依據(jù);同時核子密度儀法的有射源對人體存在一定的輻射，使得核子密度法的應用得不到廣泛推廣[4-7]。環(huán)刀法、水袋法受適用性和試驗時間影響采用較少，因而灌砂法檢測壓實度是目前公路工程路基壓實度檢測的主要方法。基于對壓實度質量的嚴格控制，現(xiàn)行規(guī)范對壓實度檢測的頻次要求較高，工程中壓實度檢測過程中往往試驗檢測人員勞動強度很大。路基施工的高峰季節(jié)常需要大批試驗人員駐現(xiàn)場進行檢測，現(xiàn)場人工挖孔、灌砂、稱量、測定含水率的工作繁瑣而費時，同時檢測結果的真實性與檢測人員的技術水平及責任心有很大關系；在檢測人員數(shù)量不足的情況下，為滿足檢測頻次要求，數(shù)據(jù)作假的現(xiàn)象時有發(fā)生，這給掌握現(xiàn)場真實壓實質量增加了不確定因素，導致一些壓實度不合格的路段可能進入下一道工序，在后續(xù)的施工過程或運營后出現(xiàn)質量問題，對此采取的補救措施成本很高，且會造成不良的社會影響?；诖耍O計出一種全自動灌砂法快速檢測壓實度設備非常有必要。

1 智能檢測系統(tǒng)設計原理

灌砂法壓實度智能檢測系統(tǒng)原理如圖1所示，該系統(tǒng)以《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)、《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG 3450—2019)和《公路工程質量檢驗評定標準》(JTG F80—2017)相關灌砂法壓實度及現(xiàn)場測試隨機選點方法等條文為理論基礎。計算機程序完成隨機取樣和相關計算；通過可編程邏輯控制器控制步進電機完成取樣孔的快速開挖及灌砂孔位與鉆孔孔位的位置切換，控制模擬量電動閥門實現(xiàn)精確計量灌砂；采用高頻加熱技術快速均勻地對試樣進行烘干。挖孔、灌砂過程嚴格遵循規(guī)范的精度和操作要求，并以機械智能控制取代人工操作。高頻加熱

圖1 灌砂法壓實度智能檢測系統(tǒng)原理

以烘干原理為基礎，溫度控制在與酒精燃燒法加熱相同的溫度，提高了烘干效率。

2 智能檢測系統(tǒng)組成

2.1 中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)主要由平板電腦與可編程邏輯控制器PLC組成?？删幊踢壿嬁刂破鱌LC可接受和發(fā)送模擬量信號、開關量信號，并與平板電腦通過MODBUS485串口連接，開關量信號包括控制電子元器件的啟動和停止，模擬量信號包括控制電動閥門的開合度等。通過平板電腦人機交互界面操作指令和接受反饋顯示數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了系統(tǒng)各個元器件的控制與反饋接受，是檢測系統(tǒng)智能化的核心。

2.2 鉆孔換位控制

切割取芯鉆孔會對檢測孔壁形成擠壓，導致檢測孔的體積發(fā)生變化從而影響檢測精度，采用旋挖方式可在減少對側壁擠壓的同時，通過螺旋葉片將打碎的土樣自孔底傳輸上來。在鉆孔與灌砂筒之間設置有換位機構，可自動進行位置切換，保證鉆孔與灌砂筒下落位置的誤差<1 mm。旋挖鉆孔將土體傳送至地面的土體收集箱內，少量細碎土樣可通過設備上的吸塵器吸取后置于土樣收集箱內。

2.3 灌砂智能控制

灌砂系統(tǒng)由砂箱、電動閥門、灌砂筒、稱重傳感器等組成。首先進行灌砂筒標定，灌砂時將其懸掛在稱重傳感器上，根據(jù)檢測要求由中央控制系統(tǒng)控制灌砂筒中加入標準砂。精準控制加砂量程序：電動閥門全部打開，加入標準砂→標準砂加入質量超過預設質量50%→自動控制電動閥門開度為50%→繼續(xù)往灌砂筒中加入標準砂→灌砂筒中標準砂質量達到預設值80%→自動控制電動閥門開度為15%左右→繼續(xù)往灌砂筒中加入標準砂至95%→自動控制電動閥門開度為5%→加砂到預設質量。在此過程，通過加砂質量的實時反饋，及時調整標準砂的加入速度，實現(xiàn)精確加量。加砂完成后，系統(tǒng)等待30 s，待灌砂筒穩(wěn)定平衡后緩緩就位檢測孔，灌砂筒閥門自動打開，持續(xù)120 s自動關閉并稱量灌砂筒質量，即得到灌入標準砂的質量，減去之前標定的三角錐質量，得到檢測孔灌入標準砂的質量并換算得到檢測孔體積。

2.4 高頻加熱系統(tǒng)

高頻加熱系統(tǒng)分為2組，每組設有200 g容量的坩堝1個(容量根據(jù)土的粒徑選擇)，內置石墨導熱網(wǎng)篩1個(網(wǎng)狀更適合于熱量的均勻擴散)，往坩堝加入約200 g土樣至加熱銅質線圈內，通過高頻加熱(700 ℃～900 ℃)約8 min，將土樣充分烘干。再次稱量樣品質量計算得到土體含水率并取平均值。

2.5 稱量系統(tǒng)

灌砂法檢測壓實度稱量過程包含：標準砂稱重、取土稱重以及含水率樣品稱重。根據(jù)稱量的質量不同，選擇3套不同的質量傳感器，其中：土樣及標準砂稱重采用精度1 g、量程10 kg的傳感器；含水率樣品稱重選擇精度0.01 g、量程1000 g的稱重傳感器。所有傳感器均與可編程邏輯控制器相連，并可直接通過平板電腦操作進行質量顯示。

3 系統(tǒng)適用范圍

灌砂法壓實度智能檢測系統(tǒng)適用于現(xiàn)場測定基層、底基層、砂石路面及路基土等各種壓實層的密度和壓實度，集料粒徑需≤31.5mm。不適用于填石路堤等有大孔洞或大孔隙的材料壓實度檢測。

4 含水率高頻加熱檢測與人工檢測對比分析

選擇從同一檢測孔內提取土樣，封存后分別以高頻加熱、酒精燃燒、烘箱烘干(105 ℃、6 h)3種方式檢測土樣的含水率。其中高頻加熱檢測選取最高溫度700 ℃，將加熱時間6.5 min與加熱時間7 min的土樣進行對比試驗。結果如表1～表4所示。

表1 酒精燃燒法含水率檢測結果盒+濕土質量/g土樣質量/g盒+干土質量/g含水率/%平均含水率/%321.52200.00291.3615.08324.51200.00294.2315.1415.11320.62200.00290.3815.12

表2 烘箱烘干檢測結果盒+濕土質量/g土樣質量/g盒+干土質量/g含水率/%平均含水率/%351.52200.00321.1215.2015.31350.54200.00319.7115.42

表3 高頻加熱檢測結果(6.5 mim)坩堝+濕土質量/g土樣質量/g坩堝+干土質量/g含水率/%平均含水率/%353.21200.00 522.6115.30 15.20353.42200.00 523.2215.10 351.71200.00 521.22 15.25 15.18351.82200.00 521.63 15.10 351.33200.00 521.07 15.13 15.30351.81200.00 520.90 15.46

表4 高頻加熱檢測結果(7 mim)坩堝+濕土質量/g土樣質量/g坩堝+干土質量/g含水率/%平均含水率/%352.32200.00523.2214.5514.66353.12200.00523.6114.76

通過表1～表4對比分析，現(xiàn)場酒精燃燒法檢測含水率與試驗室烘箱含水率檢測相差為0.21%(含土樣的離散)。高頻加熱6.5 min與高頻加熱7 min含水率相差0.64%，高頻加熱時間過長，會導致部分土樣燒結，部分元素也會在高溫下氣化，導致含水率降低，偏離實際結果。高頻加熱6.5 min與酒精燃燒、烘箱烘干比較，分別相差0.09%與最多0.15%。以試驗室烘箱含水率數(shù)據(jù)為標準數(shù)據(jù)，在高頻溫度與時間控制精確的情況下,其檢測結果偏差較小，與現(xiàn)場酒精燃燒法含水率檢測偏差相當，在現(xiàn)場可以替代酒精燃燒法進行含水率快速檢測。

5 壓實度智能與人工檢測結果及效率對比分析

5.1 壓實度檢測結果對比分析

灌砂法壓實度智能檢測系統(tǒng)在湖南常祁高速公路上與人工檢測進行了對比試驗研究，在某一路段選擇10個檢測點以人工方式進行檢測，并在人工檢測點40 cm范圍內使用智能系統(tǒng)進行檢測(在40 cm范圍內認為壓實度差異較小)。

通過人工與智能檢測數(shù)據(jù)對比可知(見表5、表6)，在同一位置，兩種方法檢測出的壓實度數(shù)據(jù)差異很小，最大相差為0.7%，酒精燃燒法含水率檢測與高頻加熱含水率檢測的結果最大相差0.4%。

表5 傳統(tǒng)人工壓實度檢測數(shù)據(jù)表測點樁號濕密度/(g·cm-3)平均含水率/%干密度/(g·cm-3)最大干密度/(g·cm-3)壓實度/%K0+0501.83 10.52 1.66 1.72 96.4 K0+0781.84 10.78 1.66 1.72 96.3K0+0801.83 10.22 1.66 1.72 96.6 K0+0881.80 10.85 1.62 1.72 94.3K0+0951.82 10.21 1.65 1.72 96.0K0+1021.85 10.45 1.67 1.72 97.3 K0+1051.78 10.06 1.62 1.72 94.0 K0+1101.81 11.21 1.63 1.72 94.7K0+1141.80 11.56 1.62 1.72 93.9 K0+1191.83 12.861.63 1.72 94.5

表6 智能檢測系統(tǒng)壓實度檢測數(shù)據(jù)表測點樁號濕密度/(g·cm-3)平均含水率/%干密度/(g·cm-3)最大干密度/(g·cm-3)壓實度/%K0+0501.8310.721.651.7295.9K0+0781.8310.551.661.7296.3K0+0801.8310.361.661.7296.3K0+0881.7910.451.621.7294.1K0+0951.8210.451.651.7296.1K0+1021.8310.331.661.7296.6K0+1051.7910.281.621.7294.4K0+1101.8111.011.631.7294.8K0+1141.8011.221.621.7294.3K0+1191.8312.561.631.7294.6

5.2 壓實度檢測效率對比分析

常規(guī)人工進行灌砂法壓實度檢測，以2人為1組完成1個孔位的壓實度檢測(現(xiàn)場采用酒精燃燒法快速測定含水率)耗費約1 h，一天工作8 h,平均可完成8個孔位的壓實度檢測。采用智能系統(tǒng)進行壓實度檢測平均耗時約10 min，一天工作8 h,平均可完成48個孔位的壓實度檢測；系統(tǒng)由2人操作，檢測效率提高6倍，且人工僅需完成輔助性工作，勞動強度大大降低。

以1 a為期限(適合路基填方壓實的氣候天數(shù)約為180 d)，完成相同的檢測任務。智能檢測需要人工費用：2人×6000元/月×6月=72000元，能耗費用：100 元/d×180 d=18000元，總計費用90000元。人工檢測人工費用：2人×6000元/月×6月×6=432000元。1 a內可節(jié)省

費用342000元，節(jié)省79.2%。

6 結語

本文介紹了灌砂法壓實度智能檢測系統(tǒng)的設計原理、各主要組成部分，并就高頻加熱含水率這一現(xiàn)場含水率快速檢測方法與傳統(tǒng)方式進行了數(shù)據(jù)對比分析，同時就智能檢測的檢測精度、檢測效率與傳統(tǒng)方式進行了研究,得到以下幾點結論：

1) 通過計算機程序完成隨機取樣和相關計算，提高了隨機選點效率，規(guī)范了測試位置，保證了測點的代表性。

2) 高頻加熱法含水率檢測與試驗室烘箱烘干、現(xiàn)場酒精燃燒法檢測精確度相當，可以替代酒精燃燒法進行含水率快速檢測。

3) 灌砂法壓實度智能檢測系統(tǒng)準確度滿足試驗檢測要求，檢測效率相比較人工檢測可提高6倍，大大降低了檢測人員勞動強度。

該系統(tǒng)符合《公路工程質量檢驗評定標準》(JTG F80—2017)，是一種精度高、效率高的快速檢測方法，具有很好的經(jīng)濟社會效益。