DCP评估道路基底层压实度受土壤粗粒料含量之影响.doc

DCP評估道路基底層壓實度受土壤粗粒料含量之影響黃正忻1 林登峰2 張春和31正修科技大學土木工程系講師 2 義守大學土木與生態工程系副教授3義守大學研究所研究生暨中華顧問工程司正工程師摘要臺灣地區道路基底層壓實度目前都採用傳統的砂錐法工地密度試驗來檢測，此檢驗方式過程繁雜且耗時費力，動態圓錐貫入儀(DCP) 因操作方便且易於攜帶，目前已有採用做為輔助檢測道路基層壓實程度之作法。本文利用DCP對五種不同粗粒料含量之回填土料在三種不同程度壓實之滾壓土層進行檢測，探討粗粒料含量對DCP檢測之PR值的影響。由檢測數據分析發現相同壓實程度之土層，DCP檢測之PR值確實會受到粗粒料含量之不同而影響，於相對壓實度98%之土層，粗粒料含量65%之PR值為含量0%之0.57倍。同時數據也顯示粗粒料含量越高之滾壓土層檢測之PR值的差異度較高，當含量達40%時變異度則超過10%。因此，利用DCP之PR值評估土層壓實程度時應考慮粗粒料含量，其含量應以30%以下者為宜。一、前言臺灣地區道路基底層或土木工程土石方回填施工作業，以土層必須分層回填與滾壓之工作最為費時，有時常因受到天候下雨而造成土層含水量太高而必須重新翻晒才能滾壓完成。道路基底層或土石方填土滾壓施工之壓實度目前都採用傳統的砂錐法工地密度試驗來進行檢測，此種檢驗方式過程繁雜且耗時費力。而且土層分層滾壓後需等候檢測合格後才能進行上一層之填土施工，工程也常因等候檢測而嚴重影響到施工進度，工程界莫不期盼能找出一種準確又快速的檢測方法來取代傳統砂錐法檢驗法以克服此種窘境。目前道路基底層填土滾壓施工都採用傳統的砂錐法檢測其壓實度，此種檢驗方式過程繁雜且耗時費力，土層分層滾壓後需等候檢測合格後才進行上一層之填土施工，工程常因等候檢測而影響到施工進度，工程界莫不期盼能找出一種準確又快速的檢測方法來取代傳統砂錐法檢驗法以克服此種窘境，以提升道路工程回填土滾壓施工品質之控制。動態圓錐貫入儀(Dynamic Cone Penetrometer)簡稱DCP，操作方便、易於攜帶與價格便宜亦是其優勢之處，為舖面檢測技術儀器之一。交通部公路總局第三養護工程處及台北市政府近年分別引進作為檢測道路路基土壤回彈模數及壓實度之輔助工具1，2，也提供檢測道路基底層之壓實度另一種方法。DCP已在美國Minnesota 州公路系統廣泛應用於量測現地基底層土壤回彈模數，同時也將DCP試驗法納入管溝工程驗收規範中3。DCP試驗法可由貫入試驗數據分析檢算成貫入深度-打擊次數與貫入深度-貫入比率(penetration ratio， PR）等關係圖形，由圖形之曲線轉折處明確指出舖面結構層位相對位置或不同層位材料之位置，且依據貫入比率亦可判斷土層材料所屬種類，並了解土層強度性質 4。還有諸多學者利用DCP檢算之PR值推算道路基底層土壤之CBR及回彈模數Mr，作為鋪面厚度設計與養護管理之重要指標5，6，7，8，9。國內也有進行DCP試驗法做為道路管溝回填施工品質之研究10。可見DCP試驗法在土層壓實度之檢測是可以廣泛推廣的一種方法。二、研究動機與目的儘管DCP試驗法在美國已應用於量測現地基底層土壤回彈模數實施多年，並將納入管溝工程驗收規範中2，但有學者提出DCP在使用過程若未保持垂直，貫入棒與孔璧產生摩擦將對DCP試驗數據產生影響11，此種影響情形可於試驗過程給予捨棄重新再做，但一些影響DCP檢測值之因素或適用土層材料應詳加探討，才能讓DCP試驗法更準確應用於路基壓實度之量測上。筆者從以往之DCP貫入試驗操作過程發現，當DCP貫入土層中錐頭打擊到大顆粒石料需經打擊多次方能穿過，此種情形對純細顆粒之土層與含有粗顆粒之級配料土層所得到之數據分析結果有極大之影響，純由DCP貫入試驗數據推算之PR值大小直接判斷壓實程度並不準確，應考量夯壓土層之粗粒料含量多寡的影響。假若能針對不同粗粒料含量之土源，按工程設計要求不同的壓實度模擬工地滾壓施工，由DCP貫入試驗數據分析得到之PR值，建立不同壓實程度下，不同粗粒料含量與PR值之關係圖，則日後可由工地DCP貫入試驗數據得到之PR值及該土層之粗粒料含量百分比查此關係圖，立即得到相對壓實度，如此將可克服因採用傳統砂錐法檢驗壓實度而延誤工程進度之缺點。三、試驗規劃與進行3.1試驗土樣本研究旨在探討道路基底層回填土樣粗粒料含量對DCP之PR值的影響，因此選用五種接近行政院公共工程委員會公佈之一般道路基底層回填土壤級配（如表1）之土樣為研究對象12，其通過No.4篩之重量百分率約介於30%100%，土質分類屬A-2至A-6之間。土壤性質試驗包含粗細粒料篩分析、阿太堡限度、標準夯實試驗、AASHTO土壤分類系統、土壤加州承載比CBR試驗等項目。表1 公共工程委員會公佈之基底層材料之級配12試 驗 篩（）通過方孔試驗篩支重量百分率（%）ABCDEF50.0(2)10010025.0(1)75-951001001001009.5(3/8)30-6040-7550-8560-1004.75（No.4）25-5530-6035-6550-8555-10070-1002.00（No.10）15-4020-4525-5040-7040-10055-1000.425（No.40）8-2015-3015-3025-4520-5030-700.075（No200）2-85-205-155-206-208-253.2 試驗工區規劃於道路施工範圍劃分五個區，每區分別鋪築回填不同粗粒料含量之土壤，每區再細分三段作為三種不同壓實程度之滾壓施工土層，共分為15個區段來進行試驗。3.3 鋪築回填與滾壓施工由選定填築土壤之土場載運分層滾壓適量土壤分別傾卸於預定之試驗區段，用刮路機按25公分鬆層厚度整平，依據不同試驗土壤最佳含水量與實際含水量之差值分別灑適當的水量，再依序用震動壓路機與膠輪壓路機來回滾壓，來回滾壓次數係按不同試驗土壤及達到不同標定壓實度之滾壓施工經驗為之，滾壓後之緊密土層厚度約為20公分，依此鋪築回填與滾壓施工重複進行四次，使其回填滾壓土層厚度達80公分。不同試驗土壤使達到不同標定壓實度之滾壓次數及使用機具規劃如表2所示。表2 各種不同試驗土壤及達到不同標定壓實度之滾壓次數及使用機具規劃表壓實程度區分低壓實程度（約90%）中壓實程度（約95%）高壓實程度（約98%）備註土壤類別滾壓機械粗粒料含量（%）粗粒料含量（%）粗粒料含量（%）機械型號033354065033354065033354065震動壓路機333333333344444(自走式CA25)膠輪壓路機111113333344444(九輪)刮路機222222222233332(12G)灑(運)水車(20TON)3.4 現地試驗為探討不同壓實程度道路基底層用DCP檢測之PR值受粗粒料含量之影響，於土層滾壓妥當後，對現地之標定壓實度採用砂錐法工地密度試驗進行之， PR值係利用DCP進行貫入試驗獲取數據加以分析得之。對十五個試驗區段之每一區段各進行六組工地密度試驗與DCP貫入試驗，試驗點位依兩行三列方式平均分佈在區段內，每個試驗點位之砂錐法工地密度試驗與DCP貫入試驗約相距30公分，如圖1所示。工地密度試驗採用AASHTO T191砂錐法進行之，DCP貫入試驗步驟簡要說明如下： 1.選擇適當試驗點位，並組裝DCP各組件，以螺絲栓緊之。2.將DCP前端套上新錐頭，使垂直豎立於土層面並輕槌讓錐頭稍微進入土層面表面，此時先量測下圓盤至土層面之高度並紀錄之。3.一人握住DCP上部把手，另一人提起落錘達圓桿頂部使之自由落下擊錘下圓盤， 每回擊錘次數視貫入深度而定，打擊3-9下為宜，每回擊錘後紀錄擊錘次數及利用鋁製直尺量測下陷後下圓盤至土層面之高度值。4.重覆步驟3，使錐頭貫入至預定深度，再將DCP桿拔出，完成一個點位貫入試驗。5.貫入試驗過程錐頭遇有大石塊阻擋無法穿越時，則於側旁重新進行之。6.貫入試驗完成後進行分析。 圖1 工地密度試驗與DCP貫入試驗相關位置圖四、試驗結果與分析4.1回填土壤性質分析本研究選取之試驗土壤分別為沉泥質粘土（A-6）、含風化卵礫石之沉泥質黏土（A-4）、含風化卵礫石之黏土質沉泥（A-2-6）及黏土質礫石土壤（A-2-4）；通過 #4篩重量百分比分別為100%、67%、64%、60%、35%，亦即粗粒料含量各為0%、33%、36%、40%、65%等五種土樣；90%、95%及98%最大乾密度之CBR值介於5.5 % 62.5%之間；均屬路基回填工程可用之土樣。其他物理性質如表3所示。土樣篩分析曲線如圖2所示。表3 五種試驗土壤之物理性質性質項目 土壤類別粗粒料含量0 %33 %36 %40 %65 %平均土壤比重Gs2.742.712.742.652.68土壤最大乾密度（g/cm3）1.952.062.041.942.12土壤最佳含水量（%）:12.510.011.111.17.0CBR（%）90%6.35.518.09.522.295%8.512.026.117.545.098%10.618.033.222.062.5過篩重量百分比 （%） 過 1篩100.090.082.095.071.0過3/8篩100.075.069.072.043.0過 #4篩100.067.064.060.035.0過#10篩99.059.059.052.027.0過#40篩96.053.048.144.021.0過#200篩77.646.1.35.631.817.8過#40篩之土料性質液性限度(L.L)36.627.424.740.028.0塑性指數(PI)16.07.94.313.08.6材料主要組成黃黑色沉泥質粘土土壤黃黑色沉泥質黏土與風化卵礫石混合黃色沉泥質黏土與風化卵礫石混合灰黑色黏土質沉泥與卵礫石混合黑色黏土質礫石土壤依試驗結果，判別土樣分類A-6A-4A-4A-2-6A-2-4圖2 五種試驗土壤之篩分析曲線圖4.2 DCP貫入試驗與工地密度試驗之結果 本研究對五種不同粗粒料含量土樣在三種不同壓實程度之每一試驗區各進行六個點位之DCP貫入試驗與工地密度試驗，每個點位貫入試驗深度約在45公分至60公分之間。五種不同粗粒料含量土樣在三種不同壓實程度滾壓施工之工地密度試驗相對壓實度如表4所列，三種不同壓實程度之相對壓實度分別為92%、96%及98%，本文就以92%、96%及98%壓實度代表此三種不同壓實程度。每個試驗點位可根據DCP貫入試驗數據繪出貫入深度對累積打擊次數之關係圖，並得到PR值，如圖3所示。各種粗粒料含量在不同壓實度之PR值及PR值變異度如表5及表6。由表5各種不同粗粒料含量回填土層之PR值和壓實度可繪出關係圖探討PR值與壓實度關係式，圖4係粗粒料含量36 %土層之PR值與壓實度關係圖，該圖顯示壓實度越高PR值越小，亦即土層滾壓越緊密DCP之指標PR值越小，此情形同樣發生在其他粗粒料含量之土層。另外，表4之 98%壓實度（高壓實度）的五種不同粗粒料含量土層的壓實度非常接近，但表5之 98%壓實度的PR值相差很大，低者僅為高者之57%，此種現象於92%及96%壓實度之土層同樣發生。此種情形表示用DCP之PR值來評估滾壓土層壓實程度與用工地密度試驗之相對壓實度值來評估之方法是不相同的。 表4 各試驗區工地密度試驗相對壓實度 試驗 土樣壓實程度壓實度壓實度平均值（%）粗粒料含量0 %粗粒料含量33 %粗粒料含量36 %粗粒料含量40 %粗粒料含量65 %低壓實度91.4391.9891.2292.0292.4592中壓實度95.8596.5596.4295.9895.9396高壓實度98.3898.5798.7298.2598.2598圖3 貫入深度對累積打擊次數之關係圖表5 各種壓實度之不同粗粒料含量PR值壓實度(%)PR值(mm/blow)粗粒料含量0 %粗粒料含量33 %粗粒料含量36 %粗粒料含量40 %粗粒料含量65 %927.076.736.426.135.64966.586.105.815.684.76986.005.635.395.163.41表6各種壓實度之不同粗粒料含量變異度壓實度(%)PR值變異度(%)粗粒料含量0 %粗粒料含量33 %粗粒料含量36 %粗粒料含量40 %粗粒料含量65 %925.527.077.2110.8811.73966.377.858.5111.4512.48986.418.129.1112.1513.66 圖4 粗粒料含量36 %土樣之PR值與壓實度關係圖4.3 PR值受粗粒料含量之影響DCP之PR值係指DCP受錘擊一次所貫入之深度，就一般情形而言，相同壓實度之滾壓土層其壓實程度是一樣的，顯示壓實程度DCP 之PR值應也是相近的，然依據本研究之五種不同粗粒料含量土樣滾壓成土層中，每種相同壓實度之土層經DCP檢測之PR值卻不相同，DCP之PR值隨回填土樣粗粒料含量越高而變小，如圖5所示。究其影響因素係DCP錐頭於貫入時若遇有大量粗粒料則會增加阻擋錐頭貫入之情形，需經多次錘擊方能貫穿，造成在整體貫入試驗過程中錘擊次數增加，平均一次錘擊貫入深度因而減少，得到之PR值變小。就98%壓實度而言，粗粒料含量65 %之PR值約為粗粒料含量0 %之0.57倍。因此，若以DCP之PR值評估滾壓土層壓實程度時，需考量回填土樣粗粒料含量之多寡，否則即失去準確性。圖5 不同壓實度土層之PR值與粗粒料含量關係圖4.4 不同粗粒料含量土樣之PR值與壓實度相關性 本研究以不同粗粒料含量的土樣進行不同壓實程度的滾壓施工，各種粗粒料含量土樣滾壓土層之PR值與壓實度之關係如圖6所示，由圖顯示不管粗粒料含量高或低，壓實度愈高者DCP之PR值越低，反之，壓實度愈低者DCP之PR值越高。於現場進行DCP貫入試驗後即可依據數據快速得到PR值，再由PR值和回填土樣之粗粒料含量值利用內插法對應得到壓實度，藉此評估滾壓土層之壓實程度。圖 6不同粗粒料含量之PR值與壓實度關係圖4.5 回填土樣之粗粒料含量對PR值變異度（Coefficient of Variation）之影響 由4.3討論得知DCP貫入試驗檢算得到之PR值會受到土樣粗粒料含量多寡的影響，然其影響到PR值之準確度亦是利用DCP評估土層壓實程度應考慮之因素，由圖7可得知回填土樣粗粒料含量從33%增高到36%時，檢測得到之PR值的變異度就有顯著升高之趨勢，當達到40%以上時，檢測得到之PR值的變異度就超過10%，由此可看出土樣粗粒料含量高低確實會影響到 PR值之準確度，利用DCP評估回填土層壓實度似應以粗粒料含量在35%以下者為限。由圖也顯示98%壓實度土層之PR值的差異度較92%壓實度者為大，此係因當DCP鑽頭貫入碰到滾壓較緊密土層之大顆粗粒料時，大顆粗粒料因側旁緊密束制效應無法像鬆散土層之大顆粗粒料容易被鑽頭推移開，使得緊密土層之貫入錘擊次數忽高忽低，造成PR值差異較大。因此，當DCP進行貫入試驗過程若遇有錘擊多下次而錐頭沒有向下貫入之情形，該點位之檢測值不要列入評估計算僅作為參考。圖 7 不同壓實程度土層PR值變異度受土樣粗粒料含量影響關係圖五、結論與建議DCP檢測回填土層壓實度係以推算之PR值為指標，影響PR值最大者是滾壓土層之緊密程度，但同樣緊密壓實程度之土層以DCP檢測得到的PR值也受到回填土壤性質之影響，本文主要在探討不同粗粒料含量回填土樣對DCP檢測土層PR值之影響，依據試驗結果之分析，可獲得如下之結論與建議：1、利用DCP試驗推算之PR值作為評估道路基底層滾壓施工之壓實度是一種快速可行之方法，吾人可利用PR值與相對壓實度之關係性獲得回填土層之壓實度。2、相同壓實程度之道路基底層，以DCP檢測得到之PR值隨回填土樣粗粒料含量越高而變小，因此以DCP之PR值評估道路基底層之壓實度應考慮回填土壤之粗粒料含量，若純以PR值直接評斷壓實程度會造成錯誤結果。3、若能針對道路基底層所使用不同粗粒料含量回填土樣進行不同壓實度之DCP檢測PR值統計分析，建構PR值與壓實度之關係圖，則於現場檢測獲得DCP之PR值，即可根據回填土樣之粗粒料含量值從關係圖利用內插法迅速得到壓實度，藉此評估滾壓土層之壓實程度，對道路基底層壓實度品質檢測工作將有莫大助益。4、DCP貫入檢算得到PR值之變異度同時受到粗粒料含量多寡影響，本文數據顯示回填土樣之粗粒料含量在33%以下時，DCP之PR值變異度約在8%以下，尚可為工程界接受，但粗粒料含量超過40%其變異度則快速提高到11%以上。因此，以DCP作為評估道路基底層滾壓施工壓實度時，建議適用之滾壓土層應以回填土樣之粗粒料含量在30%以下者為宜。參考文獻1、林登峰、羅煥琳、廖啟州、陳四川DCP應用於現地道路基底層回彈模數之研究，第五屆鋪面材料再生學術研討會，第317-324頁, 2002年。2、林登峰、廖啟州、陳四川DCP量測現地道路土壤回彈模數之研究，台灣公路工程，第二十九卷第六期第19-24頁,2002年。3、Minnesota Department of Transportation “User Guide to the Dynamic Cone Penetrometer.” Minnesota Department of Transportation, Mapplewood, Minnesota, pp.18. 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