核子密度儀在阿曼管溝回填中的應(yīng)用

鄧兆勛 劉光然

1 概述

阿曼馬斯喀特污水管網(wǎng)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(shè)玻璃鋼(GRP)主管線約300 km，硬質(zhì)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(shè)4500個(gè);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(yàn)收合格后，才可進(jìn)行回填。回填所用原材料均為管溝挖掘，并經(jīng)處理、檢驗(yàn)、最大粒徑不超過65 mm的合格材料。回填前，依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)得到的最優(yōu)含水量進(jìn)行拌合使其成為勻質(zhì)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(jù)室內(nèi)最大干密度和最優(yōu)含水量進(jìn)行現(xiàn)場壓實(shí)度檢測，用以判斷壓實(shí)是否合格。合同規(guī)定的評判標(biāo)準(zhǔn)為:管溝深度小于1.5 m以內(nèi)的壓實(shí)度不小于最大干密度的95%;深度1.5 m以下的壓實(shí)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(shí)度檢測次數(shù)為400次。如此大的檢測量必須由快速可靠的檢測方法來實(shí)現(xiàn)，否則必將因試驗(yàn)檢測而影響施工進(jìn)度。

2 測試方法的選擇

鑒于工程施工區(qū)域土體主要以中細(xì)砂、砂礫石為主，合同文件規(guī)定了現(xiàn)場材料密度和含水量檢測方法，執(zhí)行英國標(biāo)準(zhǔn)BS1377第9部分。該部分2.2條款規(guī)定了“灌砂法現(xiàn)場測試土和土石混合物密度的標(biāo)準(zhǔn)測試方法”，2.5條款規(guī)定了“用核子法現(xiàn)場測試土和土石混合物密度的標(biāo)準(zhǔn)測試方法”。灌砂法是在壓實(shí)后的土體中挖坑，稱量土體，利用已知密度的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)場只能檢測土料的濕密度，含水量需通過室內(nèi)烘干土樣確定，用以計(jì)算干密度和現(xiàn)場壓實(shí)度。檢測一個(gè)土樣一般需要10 h左右，不能在現(xiàn)場立即判定壓實(shí)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(gè)伽瑪源用來測量密度，一個(gè)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(jìn)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(shí)間內(nèi)較多的伽瑪射線就會穿過材料，檢測管的計(jì)數(shù)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(shí)間內(nèi)就會有較少的伽瑪射線穿過材料，檢測管的計(jì)數(shù)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(dāng)中子射線穿過時(shí)，將產(chǎn)生更多的低能中子;同樣的原因，當(dāng)被測材料較干時(shí)，產(chǎn)生的低能中子數(shù)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(jì)數(shù)越高，表示被測材料的濕度越高;反之，低能中子計(jì)數(shù)越低，表示濕度越低。

核子密度儀檢測土體壓實(shí)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(shí)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(shí)間，即可在現(xiàn)場判定壓實(shí)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(xiàn)場密度檢測方法，完全可以滿足管溝回填施工的節(jié)奏和強(qiáng)度。

3 核子密度儀應(yīng)用效果

3.1 管溝回填現(xiàn)場檢測控制指標(biāo)

阿曼馬斯喀特污水管網(wǎng)工程，工程前期分布于五個(gè)不同的城區(qū)，施工區(qū)域跨度廣，管溝回填材料材質(zhì)變化大。為適應(yīng)不同的材質(zhì)土料壓實(shí)控制，每個(gè)土料加工區(qū)均進(jìn)行多次取樣試驗(yàn)。施工期內(nèi)依據(jù)英國標(biāo)準(zhǔn)BS1377第4部分3.5或3.6款進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，共獲得土樣最大干密度(MDD)和最優(yōu)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(yōu)含水量介于4%～13%之間。為管溝回填土體壓實(shí)度的檢測提供了重要的、可靠的控制指標(biāo)。

3.2 核子密度儀的校正

核子密度儀在使用過程中，有時(shí)材料本身的化學(xué)成分發(fā)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(shí)，測量的是被測材料中所有的氫原子，在大多數(shù)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(jié)合水，結(jié)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(jù)實(shí)際情況定期進(jìn)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(jī)和定期兩部分。隨機(jī)校正是當(dāng)檢測過程中對檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生懷疑時(shí)，隨時(shí)進(jìn)行校正;定期校正按英國標(biāo)準(zhǔn)BS1377第9部分執(zhí)行，每3個(gè)月用灌砂法作為基準(zhǔn)值在同一試驗(yàn)點(diǎn)，同時(shí)用核子密度儀和灌砂法測定壓實(shí)后的土的濕密度、含水量、干密度，計(jì)算核子密度儀干密度測定結(jié)果的校正系數(shù)。測試試驗(yàn)點(diǎn)最少6個(gè)，結(jié)果取其平均值。經(jīng)工程師批準(zhǔn)后，隨對應(yīng)的每臺儀器在工地應(yīng)用。

核子密度儀在工地應(yīng)用以來，經(jīng)過多次校正。現(xiàn)列舉2006年每臺儀器的干密度值校正系數(shù)(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(jì)施工近400 km。現(xiàn)場用核子密度儀共檢測148973次，平均每千米372次。滿足了現(xiàn)場工程施工高強(qiáng)度的檢測量。

4 核子密度儀安全防護(hù)

雖然核子密度儀檢測土體壓實(shí)具有方便、快捷、可靠的優(yōu)點(diǎn)，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(dāng)，依然會造成危險(xiǎn)。阿曼馬斯喀特污水管網(wǎng)工程對使用的7臺MC-4C型核子密度儀，根據(jù)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(shù)表

4.1 儲藏

在遠(yuǎn)離居住區(qū)域的位置，單獨(dú)修建內(nèi)置1.5 m深儲藏坑的儲藏室，室外設(shè)置“輻射源危險(xiǎn)!保持距離!”的警示標(biāo)志。

4.2 運(yùn)輸

采用核子密度儀專門運(yùn)輸車，內(nèi)部安裝密封鉛皮箱，外部車體上設(shè)置警示燈和輻射源警示標(biāo)志。

4.3 規(guī)范使用

核子密度儀的使用操作者必須經(jīng)過專門培訓(xùn)，持證上崗。檢測過程中佩帶個(gè)人輻射劑量檢測劑量膠片，每3個(gè)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(hù)委員會(ICRP)5雷姆/年的職業(yè)界限值。

4.4 定期泄露檢測

此項(xiàng)工作由政府指定單位檢測，每年一次。項(xiàng)目所有儀器應(yīng)用5年來均未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

5 結(jié)語

1)核子密度儀應(yīng)用于管溝土體壓實(shí)的密度、含水量檢測，是一種快速、可靠的檢測方法，能夠適應(yīng)高強(qiáng)度的管溝回填施工要求。其不但能夠檢測土體壓實(shí)質(zhì)量，而且可以立即對是否需要增加碾壓進(jìn)行指導(dǎo)，幫助及時(shí)調(diào)整施工方法以保證獲得所需要結(jié)果。

2)核子密度儀在現(xiàn)場壓實(shí)材料檢測使用過程中，應(yīng)定期進(jìn)行校正，以提高儀器檢測精度。對比方法宜采用國內(nèi)外較成熟的灌砂法，對比點(diǎn)數(shù)不少于6組。

3)核子密度儀的使用應(yīng)遵循當(dāng)?shù)胤煞ㄒ?guī)，做好安全防護(hù)。

[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.