核子密度仪在土石回填压实度质量检测中的应用论文

核子密度仪在土石回填压实度质量检测中的应用李克友，孙知贤，杜松（中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵阳，550081）摘要 在水电建设工程中，为使大型场平工程高质量、高效率的完成，需要对回填碾压区土石料压实密度进行准确、快速检测。传统挖坑法劳动强度大、效率低，严重影响施工进度，难以满足工程建设的需要，因此，运用先进的密度检测方法十分必要。本文通过核子密度法在贵州某水电站移民搬迁新址的应用实例，研究、总结出了一套行之有效的工作流程和工作方法，进一步验证了该方法在大型场平工程中运用的可行性。关键词：大型场平工程，核子密度法，压实密度，质量检测1 引 言贵州城镇大多建在靠近河谷的地方，由于构造运动、水流冲刷等原因，这些地方地形地貌变化相当复杂。在水电站建设工程中，由于蓄水后库区水位逐渐上升，会淹没地势低洼的地方，为解决移民搬迁居住问题，需要就近另选场地来进行重建。这些新址往往沟谷交错，需要对新址场地进行回填并加以平整。高效、高质的完成场地平整工程是移民工作的基础和重点。为控制回填过程中的碾压质量，保证新建场址能够满足房屋等基础设施建设的要求，在回填碾压过程中必须对回填土石料压实密度进行检测。当前对密度进行定量检测方法主要有：灌水（沙）法，附加质量法，核子密度法等。灌水（沙）法【1】是在测点处挖坑，并称出所挖出料石的质量(一般采用磅秤作业)，同时用灌水（铺塑料布在坑中灌水）或灌沙法测量所挖坑容积，从而求出相应测点湿密度，然后用酒精燃烧法测定含水量，最后计算出填料的干密度和压实度。该方法需要携带较多的水，需要花费大量的人力、物力，且受堆料粒径的制约，测定速度太慢，严重影响施工进度。另一方面，由于挖坑，原堆石结构被破坏，需将所挖之坑重新填充压实，费工费时，不便布置足够数量的测点，密度数据的代表性受到一定限制。附加质量法【2】【3】是将承压板及以上的附加质量和承压板以下振动范围内的堆石体质量视为单自由度线性振动体系。根据多级附加质量mi测试出相应的垂向自振频率fi，根据f与m的关系求得压板下的参振质量m0；将m0的振动动能视为等效于压板下堆石体的振动动能，再通过积分方程解可得到压板下的密度（= m0/Ah0）。附加质量法是一种无损检测方法，需要的劳动强度大，且该方法不能对含水量进行检测。利用核子法【4】【5】测定土石等材料原位密度和含水量是一项迅速发展起来的无损、快速检测新技术。这类仪器的特点是测量速度快，检测精度高，需要人员少，测试一个点只需几分钟就可得出结果。目前，我国已有相当数量的各类进口和国产核子密度仪在各类工程中使用，并成为控制质量和验收的重要工具，其优越性见表1。表1： 密度定量检测方法比较分析检测方法比较内容灌水（沙）法附加质量法核子密度法测量方式直接间接间接检测原理体积置换等效为弹性体放射性检测湿密度能能能检测水分能否能检测干密度能否能采集速度非常慢（平均30min/点）慢（平均25min/点）快（平均4人）多（3人）少（2人）工作强度大大小是否有损有损无损无损人为影响大大小其他影响（主要为机械振动）小大无结果显示慢（需要烘烤，计算）慢（需要数据处理）快（立即显示）2 检测原理核子密度/湿度测试是利用同位素放射源来测试密度和湿度的。核子密度仪内部装有两种放射源。-源用来检测密度，中子源用来检测水分。中子源安在机壳底部位置不变。-源装在金属探测杆底部内，位置随检测深度而上下移动。射线在被测材料中的穿透、反射和被吸收等行为只与被测材料中的组成成分的所有原子原子核的质量相关。核子仪检测的总密度实际是单位体积土工材料总的原子量。只有当被测材料总的原子量发生变化时核子仪的检测结果才相应地发生变化。检测密度时，-源发出射线进入被测材料。如果材料密度较低，较多射线就会穿过它，装在仪器内的盖革密勒计数管将会检测到较多透过射线。反之，如果材料密度较高，高密度材料将吸收更多射线，起到辐射屏蔽作用，在单位时间内检测管的计数就会较小。根据仪器的射线发出量和透过被测材料的射线计数量，仪器可以精确计算被测材料密度。一个密封的中子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 图（1）MC-S-24型核子密度仪工作示意图碰撞后，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像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。仪器中的湿度检测管只能检测到低能中子。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。土工材料中绝大多数氢原子都来自由水，而且结合水中的氢原子在土壤、岩石等土工材料中基本上是固定的。因此利用仪器检测到的慢中子数目就可以测试被测材料的自由水含量。本文中采用的是美国CPN公司的MC-S-24型仪器进行测量（见图1）。仪器检测湿度时，检测的是被测材料中所有的氢原子，在大多数土壤和骨料中，氢原子存在于自由水中。但是蛇纹石、黏土、有机体和石灰处理的土壤中含有结合水，对这些材料，仪器测出的含水率是偏高的。因此，为确保数据准确，必须进行数据校正。3 采集准备3.1 仪器标定由于放射性衰变，仪器的射线源和中子源的活度会随时间逐渐减小；随时间推移仪器内部线路和元件也会老化，使得仪器工作点漂移；不同地区环境放射性本底也不同，因此仪器的测量计数有一定的不确定性。采用相对法测量，即采用测量计数与标准计数之比值即计数比(CR)来表示仪器的测量结果，则可消除以上因素对测量结果的影响。对于一般土壤和建筑材料，当使用核子密度仪进行密度测量时，仪器测量获取的密度测量计数比CRD与被测材料密度D之间关系可用下式表示： (1)式中，A、B、C为密度测量标定常数，其中A、C与射线源活度和核探测条件有关，B与被测材料对射线吸收特性有关。采用由高到低、已知密度的3个密度标样，采用一定材质和尺寸的测量导管，将仪器分别对以上每个密度标样测取密度测量计数，并换算成相应的计数比CRD，联立求解方程(1)，可得到密度测量标定常数A、B、C。由于不同被测材料以及不同材质和尺寸的测量导管对射线的吸收特性不同，并且核探测条件也不同，因此所对应的A、B、C也应不同。宜将对应于不同被测材料和测量导管的每组密度标定常数A、B、C都固化在仪器的微处理机中。现场测试时，采用某种测量导管对某种被测材料进行测量，仪器测取并获得密度测量计数比CRD，仪器微处理机的功能就在于调出对应该种被测材料和测量导管的一组密度测量标定常数A、B、C并按式(2) 计算出被测材料的密度D。 (2)同样，对一般土壤和建筑材料，仪器测量获取的水分测量计数比CRM与被测材料含水量M之间关系可用式(3)表示： (3)式中E，F为水分测量标定常数，与核探测条件以及被测材料和测量导管对中子的慢化、吸收特性有关。采用由高到低、已知含水量的2个水分标样，采用一定材质和尺寸的测量导管，用仪器分别对以上每个水分标样测取水分测量计数，并换算成相应的计数比CRM，联立求解方程(3)，可得到水分测量标定常数E，F。由于不同被测材料以及不同材质和尺寸的测量导管对于中子的吸收和慢化特性不同，且探测条件也不同，因此所对应的E，F也应不同。将对应不同被测材料和不同测量导管的每组水分标定常数E，F都固化在仪器的微处理机中。现场测试时，采用某种测量导管对某种被测材料测量，仪器测取并获得水分测量计数比CRM，仪器微处理机的功能就在于调出对应该种被测材料和测量导管的一组水分测量标定常数E、F，并按式(4) 计算出被测材料含水量M。 (4)厂家标定就是按以上方法，采用精度较高的密度或水分标样，采用拟在现场测试中使用的测量导管对仪器进行密度或水分标定，确定相对应的每组密度标定常数，如A、B、C和水分标定常数如E、F。核子密度仪的厂家标定与用户标定的目的和方法没有本质区别，只是厂家标定所使用的密度和水分标样在材质上有所不同，在密度和含水量值的精度上也比用户标定中所采用的标样要高。每一台仪器出厂时CPN都已精确标定，用户可以直接使用。3.2 标准计数前已述及，采用相对法测量，即采用测量计数与标准计数之比值（CR）来表示仪器的测量结果，可消除由于放射性衰变、仪器元件老化和不同地区环境放射性本底不同等因素对测量结果的影响。因此，为了数据的准确性，在不同的地区进行测量或在同一地区长时间没有工作情况时，应重新进行标准计数。在测量标准计数时将仪器放在厂家提供的标准密度水分块上，仪器周围10m以内不应有放射源，3m以内不应有大型建筑物，测量人员应与仪器保持2m以上距离。用自动连续测量方法测取新的标准计数。若新测取的密度或水分标准计数符合公式(5)的规定范围，则该新测取的标准计数为合格，否则视为不合格 （5）式中，n为新测取的密度或水分标准计数，即是一组所有单次测取的密度或水分标准计数的平均值；为该组单次测取的密度或水分标准计数的标准差；F为预置比例因子。进行仪器标准计数的检验。如第一次检验不合格，可再次检验，其间可让仪器开机继续稳定一段时间再检验，如不符合，应及时纠正后再继续检验。如多次检验仍不合格，则认为仪器有故障，需要检查和修理。4 数据采集4.1 数据采集要求根据贵州省某水电站移民复建新址场地平整工程浆砌石及碾压回填施工技术要求，新址回填原料为土石料，每层碾压至规定遍数后层厚约50cm，检测量总体按检测要求进行控制，具体为：有建筑物的地方按每100m2的面积布置1个检测点；无建筑物的地方按每1000m2面积布置3个检测点。工作中采用美国CPN公司研制生产的MC-S-24型双杆核子仪进行密度检测。该仪器使用两根探测杆，分层核子仪的检测深度可以达到60 cm，满足碾压后的材料层检测厚度。 为提高检测数据的代表性，检测时通过对每一测点的不同深度（10cm、30cm、50cm间隔）的压实容重进行测试，将以上测点三个不同深度处干密度值进行平均，该平均值与土石块碾压配合比理论容重之比作为压实度。压实度达到97%即为合格，反之为不合格。4.2 试验方案灌水（沙）法是当前最传统、最直观的检测方法，人们对其结果认可度比较高。由于环境和填筑料差异，核子密度仪所测数据与灌水法存在一定偏差。为消除这种影响，需要根据工区情况进行湿密度校正和水分校正，我们通过对比试验来求这两个校正值。在该新址的2号，3号，4号三个回填区进行对比试验。测点1，2，3，4为2号回填区测点，5，6，7，8为3号回填区测点，9，10为4号回填区测点。4.3 试验步骤1 利用厂家提供的标准密度水分块对仪器进行标准计数。2 选定测点位置，用钻机打孔。3 按规范用核子密度仪进行密度检测（密度校正量和水分校正量均为0），读取三个不同深度的湿密度、含水量、干密度，并求取其平均值。4 灌水法在核子密度仪检测处进行灌水法试验，取得该处密度值。5 进行数据分析，得到仪器的修正值。数据采集结果如表2所示。表2： 核子密度仪法和灌水法对比试验结果汇总测点号12345678910灌水法湿密度2.512.172.452.412.122.292.242.312.472.45核子法湿密度2.2872.1872.2692.2692.152.192.2082.2222.2452.287偏差值0.223-0.0170.1810.141-0.030.10.0320.0880.2250.163平均偏差0.111灌水法含水量0.060.050.060.050.040.050.050.050.050.05核子法含水量0.0950.1130.0880.080.2280.2260.170.2330.110.125偏差值-0.035-0.063-0.028-0.03-0.188-0.176-0.12-0.183-0.06-0.075平均偏差-0.0958灌水法干密度2.452.122.392.362.082.242.192.262.422.4核子法干密度2.1922.0742.1812.1891.9221.9642.0381.9892.1352.162偏差值0.2580.0460.2090.1710.1580.2760.1520.2710.2850.238平均偏差0.2065 数据校正5.1 相关性分析为了证实对比试验各项指标的差异性和相关关系，我们利用最小二乘法统计原理对试验数据进行相关性分析。设：yabx得：；其中： ；公式中： Xi 、Yi分别为核子法和灌水法所测某一点的结果，n为试验的组数，r为相关系数。如图（2）所示，以核子密度测得的湿密度数据为横坐标，以该点处灌水法测得的湿密度数据为纵坐标，利用最小二乘法进行数据拟合，能够很好的图（2）核子法和灌水法湿密度散点图拟出一条直线。从图中可看出试验数据点离散性不大，均匀分布在直线两边，说明具有很强的相关性。拟合出的直线为：y = 2.6934x3.6681。5.2 偏差分析由表2中汇总的检测数据可知，灌水法测出的湿密度普遍比核子密度仪大，属于正态偏差；灌水法测出的含水量普遍比核子密度仪小，含水率呈现的是负态偏差。其偏差情况为：湿密度最大偏差0.225g/cm3，最小偏差为-0.017 g/cm3，平均偏差0.111 g/cm3；含水量最大偏差 -0.188g/cm3，最小偏差为-0.028 g/cm3，平均偏差 -0.0958 g/cm3。各个区的含水量的偏差值比较大，而同一回填分区的含水量之间的差别较小。如2号回填区的含水量偏差值分别为：-0.035 g/cm3，-0.063 g/cm3，-0.028 g/cm3，-0.03 g/cm3； 3号回填区的含水量偏差值分别为：-0.188 g/cm3，-0.176 g/cm3，-0.12 g/cm3，-0.183 g/cm3； 4号回填区的含水量偏差值分别为： -0.06 g/cm3，-0.075 g/cm3。3号回填区的含水量偏差值较大，但这是一个系统差，是由于分区不同的填埋材料有差异造成的。所以可以对不同的区域采用不同的含水量校正。具体为：2区的平均偏差为-0.039 g/cm3，3区的平均偏差为-0.16675 g/cm3，4区的平均偏差为-0.0675 g/cm3。根据平均偏差，可以得到仪器校正量。其中，湿密度校正量为0.111 g/cm3， 2区水分校正量为-0.039 g/cm3，3区水分校正量为-0.16675 g/cm3，4区水分校正量为-0.0675 g/cm3。5.3 数据校正按照5.2节所得的校正数据对用核子密度仪所测数据进行校正，其结果如表3所示。湿密度的平均偏差为-0.0004g/cm3，含水量的平均偏差为7.56339E-17g/cm3，干密度的平均偏差为-0.0004g/cm3，压实度的平均偏差为0.018。满足工程检测所需精度。在前期做完对比试验后，通过数据分析得到湿密度校正量和水分校正量。在后期大量检测过程中，直接在核子密度仪中输入该校正量，检测数值即为最终检测结果。表3： 校正后核子密度仪法和灌水法对比试验结果汇总测点号12345678910灌水法湿密度2.512.172.452.412.122.292.242.312.472.45核子法湿密度2.3982.2982.382.382.2612.3012.3192.3332.3562.398偏差值0.112-0.1280.070.03-0.1410.011-0.079-0.0230.1140.052平均偏差-0.0004灌水法含水量0.060.050.060.050.040.050.050.050.050.05核子法含水量0.0560.0740.0490.0410.061250.059250.003250.066250.04250.0575偏差值0.004-0.0240.0110.009-0.02125-0.009250.04675-0.016250.0075-0.0075平均偏差7.56339E-17灌水法干密度2.452.122.392.362.082.242.192.262.422.4核子法干密度2.3422.2242.3312.3392.22.2422.3162.2672.3142.341偏差值0.108-0.1040.0590.021-0.12-0.002-0.126-0.0070.1070.059平均偏差-0.0004压实度平均偏差0.0186 结 论本文介绍了将核子密度法运用到大型场平工程检测中，并通过与灌水法的对比试验求得仪器的密度校正量和水分校正量，校正后的数据与实际情况非常吻合。大量检测结果表明，核子密度法检测速度和精度都能满足大型场平工程的需要。参考文献1 夏德春,郑翔.灌水法检测堆石坝干密度误差分析与控制J.水利水电施工.2008(3): 80-822 李丕武,冷元宝,袁江华.堆石体密度测定的附加质量法J . 地球物理学报.1999, 42 (3): 423-427.3 谭峰屹,姜志全,李仲秋.附加质量法在昆明新机场填料压实密度检测中的应用研究J. 岩土力学.2010, 31(7):2214-22184 叶朝良.青藏铁路路基压实度检测方法的探讨J. 路基工程.2005(6): 21-225 杨怡,陈梦成,雷茂锦.核子密度仪在高速公路中的应用J.公路与汽运.2005(5): 95-97作者简介：李克友（1983），男，湖北宜城人，助理工程师，硕士，从事工程物探专业工作。孙知贤（1964），男，贵州遵义人，工程师，从事工程物探专业工作。杜松（1970），男，贵州安顺人，工程师，主要从事工程物探工作。8