核子法測(cè)定壓實(shí)粘土密度和含水率的探討與應(yīng)用

保華富 沈 蓉 李仕勝

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院科學(xué)研究分院 昆明 650033)

1 概述

受文山暮底河水庫(kù)開(kāi)發(fā)有限公司的委托，中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院科學(xué)研究分院(虹龍工程檢測(cè)公司)全面負(fù)責(zé)文山暮底河水庫(kù)樞紐工程質(zhì)量檢測(cè)中心的運(yùn)行與管理工作。

科學(xué)研究分院(虹龍工程檢測(cè)公司)2010年被認(rèn)定為全國(guó)水利工程質(zhì)量檢測(cè)甲級(jí)資質(zhì)單位，是云南省內(nèi)一次通過(guò)三種工程類(lèi)別(巖土工程類(lèi)、混凝土工程類(lèi)、量測(cè)類(lèi))甲級(jí)資質(zhì)的單位。水利工程質(zhì)量是國(guó)家一直高度重視的民生內(nèi)容之一，通過(guò)水利工程質(zhì)量檢測(cè)，能夠?yàn)楣こ痰陌踩\(yùn)行和除險(xiǎn)加固提供第一手的科學(xué)資料，促進(jìn)工程效益的有效發(fā)揮。本資質(zhì)的獲得，標(biāo)志著云南虹龍工程檢測(cè)公司具備在全國(guó)從事水利工程質(zhì)量檢測(cè)的能力，為進(jìn)一步開(kāi)拓水利工程市場(chǎng)奠定了資質(zhì)基礎(chǔ)。

利用核子法測(cè)定土石等材料原位密度和含水率是一項(xiàng)迅速發(fā)展起來(lái)的無(wú)損、快速檢測(cè)新技術(shù)。目前，我國(guó)已有相當(dāng)數(shù)量的各類(lèi)進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)核子水分密度儀在各類(lèi)工程中使用，并成為質(zhì)量檢測(cè)和控制的一種重要工具之一。我國(guó)水利部等各部門(mén)已于2001年制定了相應(yīng)的使用測(cè)試規(guī)程［1］。但由于其儀器昂貴、使用時(shí)擔(dān)心輻射危害、檢測(cè)精度的可靠性和穩(wěn)定性恐難于滿足要求等原因，核子法檢測(cè)并未得到普遍采用。本文結(jié)合獲得2010年中國(guó)水利工程優(yōu)質(zhì)(大禹)獎(jiǎng)的暮底河水庫(kù)工程大壩心墻壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)控制［2］，采用美國(guó)坎貝爾(CPN)國(guó)際公司最新生產(chǎn)的MC—3—122型核子密度濕度儀，同時(shí)采用環(huán)刀法和試坑注水法測(cè)密度、烘干法測(cè)含水率等規(guī)程通用方法對(duì)比試驗(yàn)分析研究［3］，論證了核子密度法的可靠性和方便性，對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)核子密度儀的推廣應(yīng)用有一定工程意義，可供類(lèi)似工程參考。

2 核子密度儀特點(diǎn)

新型的MC—3型核子密度儀能快速準(zhǔn)確地測(cè)量各種土、瀝青混凝土等建筑材料的密度和含水率，還可測(cè)瀝青混凝土空隙率，儀器內(nèi)設(shè)有微處理器，一般情況只需輸入計(jì)數(shù)時(shí)間或測(cè)量要求的精度，被測(cè)材料室內(nèi)試驗(yàn)的最大密度，按啟動(dòng)鍵即可很快測(cè)出。測(cè)后不需人工計(jì)算、查表，能直接從顯示器上讀出測(cè)量深度、日期、計(jì)數(shù)時(shí)間和測(cè)量結(jié)果，如壓實(shí)土體的濕密度、含水率、干密度和壓實(shí)度等檢測(cè)指標(biāo)。該儀器測(cè)量的密度范圍為1.12～2.73g/cm3，測(cè)量的含水率范圍為0～64%。與舊MC—3型核子密度儀相比，有以下特點(diǎn):

a.采用新圖型式液晶顯示器，測(cè)量條件及所測(cè)結(jié)果一次顯示，檢測(cè)人員能一目了然，全面及時(shí)了解測(cè)量情況，也減少了操作人員為讀數(shù)靠近放射源的時(shí)間。

b.有基本測(cè)量和儀器自錄測(cè)量?jī)煞N測(cè)量方法。若采用儀器自錄測(cè)量時(shí)，可連續(xù)記錄128次的測(cè)量條件和結(jié)果，調(diào)出存儲(chǔ)的內(nèi)容方便靈活，配上打印機(jī)還可按要求打印。

c.能按選定的測(cè)量計(jì)數(shù)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，計(jì)數(shù)時(shí)間的選擇范圍大;也可按測(cè)量要求的精度進(jìn)行測(cè)量，縮短每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間。

e.標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)后，可根據(jù)顯示器上有關(guān)數(shù)據(jù)的大小來(lái)判斷儀器的性能好壞和穩(wěn)定性。

f.有電子日歷、計(jì)時(shí)裝置，并和測(cè)量結(jié)果同時(shí)顯示和記錄。

3 核子密度儀工作原理

測(cè)量含水率時(shí)，中子源放射的中子流進(jìn)入被測(cè)材料，被測(cè)材料水分中的氫原子與高能中子相碰撞使之減速，減速后的慢中子被儀器內(nèi)的氦3探測(cè)管接收到。被測(cè)材料含水率大，在單位時(shí)間內(nèi)所轉(zhuǎn)化的慢中子數(shù)也多，檢測(cè)管接收的慢中子數(shù)就多;反之就少。然后微處理器把接收的慢中子數(shù)(稱為水分計(jì)數(shù)值)除以水分標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)值，得到水分計(jì)數(shù)比，再把計(jì)數(shù)比送入水分計(jì)算程序可算出被測(cè)材料的含水率。

4 核子密度儀測(cè)量方式

MC—3型核子密度儀有反射法和直接透射法兩種測(cè)量方式。反射式測(cè)量時(shí)被測(cè)材料不需打孔，屬無(wú)損測(cè)量，根據(jù)源離地面的距離大小，反射式測(cè)量又分為BS、AC兩種位置。直接透射法測(cè)量時(shí)被測(cè)材料上必須打孔，屬于有損測(cè)量。從檢測(cè)的精度要求來(lái)說(shuō)，透射式測(cè)量精度高于反射式測(cè)量精度。但反射式測(cè)量不需打孔，測(cè)量速度快，現(xiàn)場(chǎng)也經(jīng)常使用。

4.1 反射式測(cè)量BS位置

圖1 BS位置反射式測(cè)量

4.2 反射式測(cè)量AC位置

圖2 AC位置反射式測(cè)量

4.3 直接透射式測(cè)量

這種測(cè)量要求測(cè)前用導(dǎo)板和釬桿在被測(cè)材料上垂直打一個(gè)比測(cè)量深度稍深的孔，孔直徑約30mm，然后將源金屬桿放入孔內(nèi)至需要的深度，放平儀器。測(cè)量時(shí)源放射的粒子穿過(guò)被測(cè)材料，被蓋革—密勒檢測(cè)管接收。源下移的距離間隔為25mm或50mm兩種。下移的最大深度分別為200mm或300mm。這樣檢測(cè)時(shí)可根據(jù)需要測(cè)量出地面至源所在位置的平均濕密度，如圖3所示。

圖3 直接透射式測(cè)量

5 核子密度儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量成果探討

云南文山暮底河水庫(kù)大壩為粘土心墻堆石壩，最大壩高68.65m，水庫(kù)總庫(kù)容5784.9萬(wàn)m3。心墻料具有典型含特殊礦物的紅粘土特征［4］，按設(shè)計(jì)要求，粘土心墻壓實(shí)質(zhì)量采用以壓實(shí)度為主的多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)控制。施工前期心墻壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)采用環(huán)刀法，環(huán)刀體積約500cm3，含水率測(cè)定采用烘干法。心墻料主要物理力學(xué)性指標(biāo)見(jiàn)表1。

表2為心墻第74層壓實(shí)土采用新購(gòu)進(jìn)的MC—3型核子密度儀未修正時(shí)的5個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)成果，為反映壓實(shí)土層下部壓實(shí)情況及成果的可比性，檢測(cè)采用直接透射式測(cè)量，測(cè)量深度控制為略大于壓實(shí)層厚，一般在20～25mm左右。為排除偶然誤差，提高檢測(cè)精度，每個(gè)測(cè)點(diǎn)沿 0°、90°、180°和360°各測(cè)一次，然后取其平均值作為該測(cè)點(diǎn)周?chē)鷫簩?shí)土體的密度。測(cè)量計(jì)數(shù)時(shí)間選5min。為檢驗(yàn)核子密度儀檢測(cè)成果的精度，試后均在孔四周壓實(shí)土層中部深度用環(huán)刀取樣4個(gè)測(cè)其平均密度，并用標(biāo)準(zhǔn)烘干法測(cè)含水率，以資對(duì)比。為檢驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)壓實(shí)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)完備后，在測(cè)點(diǎn)處挖坑取料采用濕法制樣做標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)以求得土料的最大干密度和最優(yōu)含水率，坑尺寸約為50cm×50cm，深度為壓實(shí)土層厚度。從表2中可看出:核子密度法與環(huán)刀法所測(cè)濕密度已非常接近，兩種方法所測(cè)濕密度差最大為0.02g/cm3。如以環(huán)刀法為標(biāo)準(zhǔn)，總體上未修正的核子密度儀檢測(cè)到的濕密度均有所偏小，平均比環(huán)刀法小0.013g/cm3。而核子密度法所測(cè)含水率則明顯小于烘干法4.5% ～6.2%，平均小5.4%。從計(jì)算出的干密度看，兩種方法計(jì)算出的干密度相差0.03～0.05g/cm3，平均相差0.045 g/cm3。顯然未修正的核子密度儀檢測(cè)成果的精度不能滿足規(guī)范要求。從表2中還可看出:兩種方法所得壓實(shí)度相差也較大，壓實(shí)度相差最大達(dá)3.9%，平均為3.2%，即用核子密度儀所檢測(cè)壓實(shí)度偏高，易出現(xiàn)以壓實(shí)度控制的施工質(zhì)量誤判現(xiàn)象，工程偏于不安全狀態(tài)。

表1 暮底河水庫(kù)大壩心墻料物理力學(xué)性試驗(yàn)成果

表2 未修正的核子密度儀檢測(cè)成果及壓實(shí)質(zhì)量對(duì)比(第74層)

儀器出廠前工廠對(duì)密度和水分在標(biāo)定塊上已做過(guò)標(biāo)定，標(biāo)定曲線的數(shù)據(jù)和密度、水分計(jì)算程序已存在儀器內(nèi)的微處理器中供檢測(cè)用。如果被測(cè)材料中含有特殊的礦物質(zhì)或有機(jī)物時(shí)，用MC—3型核子密度儀測(cè)出的水分可能與實(shí)驗(yàn)室用其他方法測(cè)出的密度和含水率有所差異，此時(shí)必須用裝入偏移量的方法來(lái)修正儀器的檢測(cè)數(shù)據(jù)使之更為符合實(shí)際，才能用于工程檢測(cè)。圖4及圖5為利用心墻第76層壓實(shí)土進(jìn)行的修正成果。圖4為濕密度不修正，而假定不同含水率修正值輸入儀器后在同一測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)到的含水率與含水率修正值關(guān)系曲線;圖5為含水率不修正，而假定不同濕密度修正值輸入儀器后在另一測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)到的濕密度與濕密度修正值關(guān)系曲線。經(jīng)回歸后可得出:

圖4 含水率修正值與實(shí)測(cè)含水率關(guān)系

圖5 濕密度修正值與實(shí)測(cè)濕密度關(guān)系

上二式中 Δω——假定含水率修正值;

ω——實(shí)測(cè)含水率，%;

Δρ——假定濕密度修正值，g/cm3;

ρ——實(shí)測(cè)濕密度，g/cm3。

從成果可看出:假定含水率修正值或濕密度修正值與實(shí)測(cè)含水率或濕密度之間有良好線型關(guān)系，線型相關(guān)系數(shù)大于0.9928。將圖4測(cè)點(diǎn)用烘干法所測(cè)含水率ω=41.0%代入式(1)可求得含水率真修正值為0.028，將圖5測(cè)點(diǎn)用環(huán)刀法所測(cè)濕密度ρ=1.898g/cm3代入式(2)可求得濕密度真修正值為0.011g/cm3。

表3給出了修正后的核子密度儀對(duì)第76層、第77層、第131層及第145層壓實(shí)土檢測(cè)成果。為驗(yàn)證修正后測(cè)量成果的精度，試后還進(jìn)行了環(huán)刀法和試坑注水法檢測(cè)。從測(cè)值可看出:經(jīng)修正后，用MC—3型核子密度儀測(cè)出的濕密度與常規(guī)環(huán)刀法及試坑注水法檢測(cè)成果十分接近，而用MC—3型核子密度儀測(cè)出的含水率與常規(guī)烘干法也十分接近。經(jīng)修正后，21個(gè)測(cè)點(diǎn)用常規(guī)環(huán)刀法及試坑注水法所測(cè)濕密度與核子密度法之差在－0.04～0.02g/cm3之間，平均為0.00g/cm3;所測(cè)含水率之差在 －1.8%～1.4%之間，平均為－0.3%;對(duì)應(yīng)的計(jì)算干密度差在－0.02～0.02g/cm3之間，平均為0.00g/cm3，可見(jiàn)經(jīng)修正后，常規(guī)法與核子密度法所測(cè)結(jié)果已非常接近，檢測(cè)精度能滿足規(guī)范要求;

對(duì)應(yīng)的計(jì)算壓實(shí)度差在－1.8% ～1.5%之間，平均為0.02%。21個(gè)測(cè)點(diǎn)用常規(guī)法所測(cè)成果統(tǒng)計(jì)平均壓實(shí)度為98.1%，用MC—3型核子密度濕度儀得平均壓實(shí)度為98.0%。按設(shè)計(jì)不小于96%壓實(shí)度要求計(jì)算統(tǒng)計(jì)，兩種方法檢測(cè)壓實(shí)度合格率均為95.2%，常規(guī)法與核子密度儀法檢測(cè)質(zhì)量評(píng)定結(jié)果均能滿足要求，評(píng)定結(jié)果十分一致。

表3 修正后的核子密度儀檢測(cè)成果及壓實(shí)質(zhì)量對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

利用核子法測(cè)定粘土材料原位密度和含水率是一項(xiàng)無(wú)損、快速的質(zhì)量檢測(cè)新技術(shù)。本文介紹了最新MC—3型核子密度儀特點(diǎn)、工作原理及測(cè)量方式，并結(jié)合云南文山暮底河水庫(kù)大壩粘土心墻壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)控制，用常規(guī)法與核子測(cè)量法進(jìn)行了系列現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)成果的試驗(yàn)對(duì)比分析和核子測(cè)量修正方法探討。結(jié)果表明:經(jīng)修正后，核子密度儀檢測(cè)結(jié)果與常規(guī)法十分接近，檢測(cè)精度能滿足工程要求，值得推廣應(yīng)用。

1 SL 275－2001核子水分——密度儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2002.

2 保華富，金波，張春.暮底河水庫(kù)大壩心墻壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)和成果分析［J］.云南水力發(fā)電，2004(4):72－77.

3 SL 237－1999土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:水利電力出版社，1999.

4 黃文熙主編.土的工程性質(zhì)［M］.北京:水利電力出版社，1983.