壓實度檢測的核心方法：灌砂法試驗詳解

引言
在土木工程，特別是道路路基、堤壩、機場道基等填方工程的施工質量控制中，壓實度是衡量填筑體密實程度、確保其承載力和穩定性的關鍵指標。灌砂法作為一種經典、直觀且相對準確的現場密度測試方法，因其設備簡單、操作便捷、適用范圍廣（尤其適用于粗粒土和巨粒土），被廣泛應用于各類工程實踐中。本試驗旨在通過標準化的操作流程，測定現場土體的濕密度，進而結合室內測得的最大干密度計算壓實度。

一、 試驗目的與原理

1. 核心目的：

   • 測定路基、基層、底基層等壓實填筑層或天然地基的現場濕密度。
   • 結合該土樣的最大干密度（通常通過擊實試驗獲得），計算其壓實度（現場干密度 / 最大干密度 × 100%），以評價壓實質量是否滿足設計要求。

2. 基本原理：

   • 利用已知密度的均勻顆粒標準砂，通過特制的灌砂筒，灌入在測試點挖掘的、具有一定形狀（通常為圓柱形）的試坑中。
   • 根據灌滿試坑所消耗的標準砂質量（體積）以及標準砂自身的密度，計算出試坑的體積。
   • 稱量從試坑中取出的全部濕土質量。
   • 由濕土質量和試坑體積計算出土體的濕密度。
   • 在實驗室測定該濕土樣的含水率。
   • 利用濕密度和含水率計算干密度。
   • 最終計算壓實度。

二、 試驗設備與材料

1. 灌砂筒：
   • 由金屬圓筒（內徑通常為100mm或150mm）、基板、閥門（或漏斗）組成。筒內下部為倒置圓錐體空間。
2. 標準砂：
   • 粒徑均勻（通常為0.30-0.60mm或0.25-0.50mm）、清潔干燥、密度穩定（需預先標定）的砂。
3. 基板：
   • 中心有圓孔（孔徑與灌砂筒內徑匹配）的金屬板，用于放置灌砂筒并定位試坑位置。
4. 量砂標定設備：
   • 用于標定標準砂密度和灌砂筒下部圓錐體內砂質量的專用金屬罐（標定罐）。
5. 稱量設備：
   • 電子天平或臺秤：量程和精度需滿足要求（通常稱量10kg以上，感量1g或5g；稱量砂時感量1g）。
6. 取土設備：
   • 鑿子、鐵錘、長柄勺、毛刷、塑料布（或搪瓷盤）等，用于挖掘試坑和收集土樣。
7. 含水率測定設備：
   • 鋁盒、烘箱、干燥器、電子天平（感量0.01g）。
8. 其他：
   • 直尺、水平尺、盛砂容器（如儲砂筒）、玻璃板、鋼卷尺等。

三、 試驗前準備（標定）

灌砂法試驗結果的準確性高度依賴于標準砂密度和灌砂筒下部圓錐體砂質量的精確標定。每次試驗前或更換標準砂、設備后必須重新標定。

1. 標定筒下部圓錐體內砂質量 (m?)：

   • 在平整地面上放置基板，將灌砂筒筒口向下對準基板圓孔，打開閥門，讓砂自由流出，直至砂不再流動時關閉閥門。
   • 小心取走灌砂筒，收集并稱量筒外基板上堆積的砂質量 (m?)。此質量即為填滿圓錐體所需砂的質量。重復3次，取平均值，精確至1g。

2. 標定標準砂密度 (ρs)：

   • 將灌砂筒置于標定罐（已知體積Vc）上，打開閥門，讓砂流入標定罐內。當砂停止流動后關閉閥門。
   • 取走灌砂筒，稱量筒內剩余砂質量 (m?)。
   • 計算填滿標定罐的砂質量：m? = m? - m? - m? (m?為灌砂筒裝滿砂的總初始質量)。
   • 計算標準砂密度：ρs = m? / Vc (g/cm³)。重復3次，取平均值，精確至0.01 g/cm³。

四、 現場試驗步驟

1. 選擇測點與整平：
   • 在壓實層上選擇具有代表性的測點。用鏟刀或刮刀將測點表面約400cm²范圍仔細刮平。
2. 放置基板：
   • 將基板平穩放置在刮平的測點上，確保圓孔中心對準測點，并用重物壓住基板防止移動。
3. 挖掘試坑：
   • 通過基板圓孔，用鑿子、長柄勺等工具垂直向下挖掘試坑。試坑直徑應與灌砂筒內徑一致（通常100mm或150mm），深度應達到測試層厚（通常等于碾壓層厚，如150mm）。關鍵點：
     • 挖掘過程要小心，避免擾動試坑壁和坑外土體。
     • 將挖出的全部土樣仔細收集，防止水分蒸發和散失，放入密封容器（如塑料袋）或帶蓋容器中，準確稱取其總濕土質量 (m?)，精確至1g。
     • 及時取部分濕土樣（約100-500g）放入鋁盒，密封，用于測定含水率。
4. 測量試坑深度：
   • 用直尺或深度尺在基板平面上測量試坑深度（至少測量3個不同位置，取平均值），精確至1mm。
5. 灌砂測定試坑體積：
   • 將灌砂筒筒口對準基板圓孔。打開閥門，讓標準砂自由流入試坑。關鍵點：
     • 在整個灌砂過程中，灌砂筒位置應固定，不得移動或震動。
     • 當砂停止流動后，關閉閥門。
     • 小心取走灌砂筒和基板。
     • 收集并稱量灌砂筒內剩余的砂質量 (m?)，精確至1g。

五、 數據記錄與計算

1. 記錄數據：

   • 濕土質量 (m?) [g]
   • 灌砂筒內剩余砂質量 (m?) [g]
   • 灌砂筒裝滿砂的總初始質量 (m?) [g]
   • 標定得到的筒下部圓錐體內砂質量 (m?) [g]
   • 標定得到的標準砂密度 (ρs) [g/cm³]
   • 試坑平均深度 (h) [cm] (用于輔助檢查，非必須計算項)

2. 計算試坑體積 (V)：

   • 計算填滿試坑消耗的標準砂質量：m? = m? - m? - m? [g]
   • 計算試坑體積：V = m? / ρs [cm³]

3. 計算濕密度 (ρw)：

   • ρw = m? / V [g/cm³]

4. 測定含水率 (w)：

   • 將濕土樣放入烘箱，在105-110℃下烘至恒重（通常不少于6小時）。
   • 冷卻至室溫（在干燥器中）后稱取干土質量 (m?)。
   • 計算含水率：w = (m?? - m?) / m? × 100% (m??為濕土樣質量)。精確至0.1%。

5. 計算干密度 (ρd)：

   • ρd = ρw / (1 + 0.01w) [g/cm³]

6. 計算壓實度 (K)：

   • K = (ρd / ρdmax) × 100% [%]
   • 其中 ρdmax 為該土樣通過標準擊實試驗（輕型或重型）確定的最大干密度 [g/cm³]。

六、 注意事項

1. 標定至關重要： 砂的密度和圓錐體砂質量必須準確標定，且需定期復核（尤其在砂重復使用多次后）。
2. 試坑質量： 試坑形狀應規整（盡量接近圓柱形），尺寸（直徑、深度）符合要求。挖掘時嚴防超挖、欠挖及坑壁坍塌、松動。收集全部挖出土樣，不得遺漏。
3. 砂的流動： 灌砂時確保砂處于自由流動狀態，避免震動或敲打灌砂筒。灌砂過程應連續。
4. 表面平整： 測試點表面必須仔細刮平，基板放置穩固，與表面緊密接觸無縫隙。
5. 含水率代表性： 用于測定含水率的土樣必須能代表試坑內全部土體的平均含水率，需及時密封防止水分蒸發。
6. 設備清潔： 標準砂應保持清潔干燥，防止污染。灌砂筒、基板等設備使用前后應清理干凈。
7. 安全防護： 現場操作注意安全，佩戴手套、安全帽等防護用品。
8. 規范依據： 試驗操作應嚴格遵循相關國家或行業標準（如JTG 3450《公路路基路面現場測試規程》中的T 0921-2019灌砂法）。

七、 工程意義

灌砂法試驗是控制填方工程壓實質量最直接有效的手段之一。通過測定壓實度，可以：

• 評估施工質量： 判斷壓實作業是否達到設計要求的密實程度。
• 指導施工： 發現壓實不足區域，指導碾壓遍數、機械組合等施工參數的調整。
• 保證工程性能： 足夠的壓實度是確保路基路面具有足夠強度、剛度、水穩定性和耐久性的基礎，防止工后沉降、變形、開裂等病害。
• 質量驗收： 質量驗收： 作為工程驗收的重要依據。

灌砂法試驗以其原理清晰、設備簡單、結果可靠的特點，成為工程現場密度檢測的基石。然而，其精度高度依賴于操作的規范性和標定的準確性。試驗人員必須深刻理解原理，嚴格按照規程操作，注重細節控制（尤其是試坑挖掘和砂量控制），才能獲得真實反映現場壓實狀況的數據，為工程質量控制提供科學依據。