核子密度儀在阿曼管溝回填中的應用

鄧兆勛 劉光然

1 概述

阿曼馬斯喀特污水管網工程是以重力式(自流式)管道為主的城市污水收集工程，管線總長度約620 km，其中鋪設玻璃鋼(GRP)主管線約300 km，硬質聚氯乙烯(UPVC)支管線約320 km。入戶連接約14000多戶;高密度聚乙烯(HDPE)檢查井埋設4500個;管溝開挖寬度1 m～3 m、深度2 m～12 m不等。

按照合同要求，管溝開挖完成、管件安裝并驗收合格后，才可進行回填。回填所用原材料均為管溝挖掘，并經處理、檢驗、最大粒徑不超過65 mm的合格材料。回填前，依據室內試驗得到的最優含水量進行拌合使其成為勻質材料。回填過程中，按每層15 cm～25 cm厚度逐層碾壓。每層碾壓完成后，必須依據室內最大干密度和最優含水量進行現場壓實度檢測，用以判斷壓實是否合格。合同規定的評判標準為:管溝深度小于1.5 m以內的壓實度不小于最大干密度的95%;深度1.5 m以下的壓實度不小于最大干密度的90%。檢測頻率為管線上方每層每30 m檢測一次;檢查井周圍每層至少檢測兩次。這樣，一條10 m深、300 m長的管溝至少需要回填40層、壓實度檢測次數為400次。如此大的檢測量必須由快速可靠的檢測方法來實現，否則必將因試驗檢測而影響施工進度。

2 測試方法的選擇

鑒于工程施工區域土體主要以中細砂、砂礫石為主，合同文件規定了現場材料密度和含水量檢測方法，執行英國標準BS1377第9部分。該部分2.2條款規定了“灌砂法現場測試土和土石混合物密度的標準測試方法”，2.5條款規定了“用核子法現場測試土和土石混合物密度的標準測試方法”。灌砂法是在壓實后的土體中挖坑，稱量土體，利用已知密度的標準砂測定試坑的體積，用烘干法測定土樣含水量來檢測土的干密度。但其現場只能檢測土料的濕密度，含水量需通過室內烘干土樣確定，用以計算干密度和現場壓實度。檢測一個土樣一般需要10 h左右，不能在現場立即判定壓實是否合格。

核子法即利用核子密度—濕度儀(簡稱核子密度儀)同位素放射源檢測土體密度和濕度。核子密度儀的探頭中裝有兩種放射源，一個伽瑪源用來測量密度，一個中子源用來測量水分。儀器中還安裝有密度和濕度兩種射線探測器，分別與伽瑪源和中子源共同對被測材料的密度和濕度進行測量。伽瑪源向土壤等被測材料放射伽瑪射線，穿透被檢測材料的射線會被儀器中的密度檢測管檢測到。如果材料的密度較低，材料吸收的伽瑪射線較少，那么在一定時間內較多的伽瑪射線就會穿過材料，檢測管的計數將較高;反之，如果材料的密度較高，高密度的材料吸收了更多的伽瑪射線，那么在同樣時間內就會有較少的伽瑪射線穿過材料，檢測管的計數將較低。中子源向土壤等被測材料放射高能中子射線，高能中子與氫原子碰撞后，迅速失去能量而變成低能中子，而其他任何種類的原子都不能像氫原子那樣顯著減少高能中子的能量。被測材料中的濕度越高，水分含量就越高，氫原子就越多，當中子射線穿過時，將產生更多的低能中子;同樣的原因，當被測材料較干時，產生的低能中子數目就較少。儀器中的濕度檢測管只檢測低能中子。低能中子計數越高，表示被測材料的濕度越高;反之，低能中子計數越低，表示濕度越低。

核子密度儀檢測土體壓實度比較簡單，儀器本身具有測算功能，濕密度、干密度、含水量可以直接顯示在儀器屏幕上，即使壓實度事先輸入最大干密度也可以在屏幕上顯示。完成一次檢測通常只需要1 min或更短時間，即可在現場判定壓實是否合格。

通過上述兩種方法的比較，核子法是一種快速、可靠的現場密度檢測方法，完全可以滿足管溝回填施工的節奏和強度。

3 核子密度儀應用效果

3.1 管溝回填現場檢測控制指標

阿曼馬斯喀特污水管網工程，工程前期分布于五個不同的城區，施工區域跨度廣，管溝回填材料材質變化大。為適應不同的材質土料壓實控制，每個土料加工區均進行多次取樣試驗。施工期內依據英國標準BS1377第4部分3.5或3.6款進行擊實試驗，共獲得土樣最大干密度(MDD)和最優含水量(OMC)各661組，最大干密度值介于1.85 g/cm3～2.37 g/cm3，最優含水量介于4%～13%之間。為管溝回填土體壓實度的檢測提供了重要的、可靠的控制指標。

3.2 核子密度儀的校正

核子密度儀在使用過程中，有時材料本身的化學成分發生變化，可能會影響核子密度儀的檢測精度。核子密度儀測量濕度時，測量的是被測材料中所有的氫原子，在大多數土壤和骨料中，氫原子存在于自由水中。但是有些被測材料中含有結合水，結合水會對儀器檢測材料的含水量有一定影響。為保證核子密度儀的檢測精度，在使用過程中必須根據實際情況定期進行校正。校正示意圖見圖1。

圖1 核子密度儀校正示意圖（單位：cm）

本工程管溝回填施工過程中，對核子密度儀的校正分隨機和定期兩部分。隨機校正是當檢測過程中對檢測數據產生懷疑時，隨時進行校正;定期校正按英國標準BS1377第9部分執行，每3個月用灌砂法作為基準值在同一試驗點，同時用核子密度儀和灌砂法測定壓實后的土的濕密度、含水量、干密度，計算核子密度儀干密度測定結果的校正系數。測試試驗點最少6個，結果取其平均值。經工程師批準后，隨對應的每臺儀器在工地應用。

核子密度儀在工地應用以來，經過多次校正。現列舉2006年每臺儀器的干密度值校正系數(見表1)。

3.3 核子密度儀的檢測效率

該工程自2005年初開工至2010年，總計施工近400 km。現場用核子密度儀共檢測148973次，平均每千米372次。滿足了現場工程施工高強度的檢測量。

4 核子密度儀安全防護

雖然核子密度儀檢測土體壓實具有方便、快捷、可靠的優點，但它畢竟攜帶對人體和公共安全有害的輻射源，如果操作、保管不當，依然會造成危險。阿曼馬斯喀特污水管網工程對使用的7臺MC-4C型核子密度儀，根據阿曼政府國防部和水資源部要求采取了以下措施。

表1 核子密度儀干密度校正系數表

4.1 儲藏

在遠離居住區域的位置，單獨修建內置1.5 m深儲藏坑的儲藏室，室外設置“輻射源危險!保持距離!”的警示標志。

4.2 運輸

采用核子密度儀專門運輸車，內部安裝密封鉛皮箱，外部車體上設置警示燈和輻射源警示標志。

4.3 規范使用

核子密度儀的使用操作者必須經過專門培訓，持證上崗。檢測過程中佩帶個人輻射劑量檢測劑量膠片，每3個月由英國輻射劑量檢測部門檢測一次。本工程自核子密度儀使用以來，每次檢測操作者輻射劑量，均未超過國際輻射防護委員會(ICRP)5雷姆/年的職業界限值。

4.4 定期泄露檢測

此項工作由政府指定單位檢測，每年一次。項目所有儀器應用5年來均未出現泄漏現象。

5 結語

1)核子密度儀應用于管溝土體壓實的密度、含水量檢測，是一種快速、可靠的檢測方法，能夠適應高強度的管溝回填施工要求。其不但能夠檢測土體壓實質量，而且可以立即對是否需要增加碾壓進行指導，幫助及時調整施工方法以保證獲得所需要結果。

2)核子密度儀在現場壓實材料檢測使用過程中，應定期進行校正，以提高儀器檢測精度。對比方法宜采用國內外較成熟的灌砂法，對比點數不少于6組。

3)核子密度儀的使用應遵循當地法律法規，做好安全防護。

[1]BS1377:Part9:1990，British Standard Methods of test for soils for civil engineering purposes，Part9 In-situ tests.

[2]CPN MC-4 PORTAPROBE Operating Manual，CPN International，Inc.

[3]Regulations for the control and management of radioactive materials，sultanate of Oman ministry of regional munnicipalities，environment and water resources.