RI型貫入儀的水分修正系數取值研究

馬東亮 王慶苗 陳國強 楊業榮

（中水淮河規劃設計研究有限公司 蚌埠 233001）

RI型貫入儀的水分修正系數取值研究

馬東亮 王慶苗 陳國強 楊業榮

（中水淮河規劃設計研究有限公司 蚌埠 233001）

應用放射性同位素探頭可以快速測定土層的密度和含水率，本文通過分析RI型貫入儀現場應用測試數據，研究了試驗數據計算所需重要參數—不同土類水分修正系數的取值范圍。

密度 含水率 水分修正系數

1 RI設備簡介

中水淮河規劃設計研究有限公司引進日本SRE株式會社生產的RI型貫入式堤防勘測設備，該套設備主要包括：密度測量單元：SRD-1dCP密度計探頭（SR-3302）放射源（137Cs銫-137、3.7MBq）NaI（TI）閃爍計數器；含水量測量單元：SRM-1dP含水量探頭（SR-3304）放射源（252Cf锎-252、1.11MBq）3He比例計數器；孔隙水壓力單元：SRE-3Eit孔隙水壓力探頭（3El-2）；觸探儀：RCS計數器（SRC-RC-TP5）、數據記錄器 TDS-530。

2 放射性同位素測定土層密度、含水量原理

RI型貫入式堤防勘測設備在保證輻射劑量對人體絕對安全的前提下，通過發射γ射線和中子射線，實現錐尖阻力（qc）、側壁摩阻力（fs）、孔隙水壓力（u）、水分、密度等五個參數的同步測量，間接獲得不同深度土體干密度、飽和密度、孔隙比、摩阻比等參數。減少了室內試驗和地質鉆孔取樣的工作量，降低勘察費用與周期，而且能夠有效地提高地基分層的精度，減少誤判的可能。

2.1 密度(濕密度)檢測原理

伽瑪（γ）射線是一種波長很短的由原子核產生的電磁輻射，γ射線與物質作用時有光電效應、康普頓效應及電子對生成三種過程；土對γ射線產生吸收作用而減弱其能量，同時以將被減弱后的射線成一角度散射出去，土的吸收和散射過程并非是一次，而是多次反應的結果；經過多次散射，使散射光子的能量顯著降低。散射光子的光電效應幾乎隨密度的增加而迅速增加，在密度小的土中，散射作用占優勢；在密度大的土中，以光電吸收為主，測試儀器探頭的計數率隨密度的增加而減少，根據這一原理測定土的密度。

密度計探頭中的3.7MBq銫-137伽瑪源向土壤等被測材料放射伽瑪（γ）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。伽瑪射線在被測材料中的穿透、反射和被吸收等行為只與被測材料中的組成成分的所有原子的原子核的質量相關。核子儀測量的總密度實際是單位體積的土工材料總的原子量。只有當被測材料的總的原子量發生變化時，核子儀的檢測結果才相應地發生變化。

2.2 含水量檢測原理

同位素中子源發射出來的快中子與周圍物質中各種原子核發生碰撞時，每次碰撞損失部分能量，經過多次碰撞，變成慢中子。水是富含氫的物質，中子測水實質上就是中子測氫；快中子在土中通過慢化和擴散過程，形成了以中子源為中心的“慢中子云球”，如果土中含水量高，“慢中子云球”半徑就小，慢中子密度就大；反之，土中含水量低，“慢中子云球”半徑就大，慢中子密度就小；由于慢中子的能量小、速度慢，極易被其它物質俘獲而產生核反應。利用最易俘獲慢中子的物質制成的慢中子探頭，測定慢化后的中子強度來確定含水量的高低，這就是快中子經慢化作用測定土中含水量的基本原理。

含水量探頭中的1.11MBq锎-252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象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。

RI貫入儀在進行密度和水分測量時，分別使用不同的放射源，不同的射線接收器，不同的數據計算系統，所以密度和水分兩個檢測系統相互獨立，其檢測數據也互不影響。

3 現場測試試驗

試驗采用國產WSY15-A型15噸靜探車和地錨作為貫入試驗加壓設備，RI型貫入儀測試數據間隔為每0.1m一組，鉆孔取樣室內試驗數據間隔為每0.5m一組。現場試驗完成后，先進行孔深修正，剔除異常數據后，根據鉆探和靜力觸探結果劃分地層，統計各孔各層濕密度和含水率平均值并估算偏差，再計算分層濕密度和含水率平均值，并據此計算各土層干密度、孔隙比和飽和度并估算偏差。

3.1 方邱湖試驗段

方邱湖試驗段位于淮河右岸蚌埠市龍子湖區和鳳陽縣交界附近（長淮排澇站），該段經歷次修筑而成，填筑土料以輕粉質壤土、粉土為主，填筑質量較差，設計擬對該段堤防進行加固處理；本次試驗在該段布置測試孔6個，孔間距約50m，孔深10～16.5m；RJ6、RJ7、RJ8孔位于長淮排澇站北側，為2009年淮干切灘退堤新筑堤防；RJ9、RJ10、RJ11孔位于長淮排澇站南側，經歷次填筑而成，本階段擬進行加固處理；現場測試完成后，在測試孔附近布置鉆探取樣孔（Z6～Z11孔對應RJ6～RJ11孔），按0.5m間距采取原狀土樣進行室內土工試驗。

根據Z9～Z11孔鉆探試驗資料，場區分布地層為：①層人工填土，灰黃、黃褐色，主要由輕粉質壤土、粉土混粉砂和重粉質壤土組成，干至稍濕，塑性指數Ip=6.8～14.4，土質混雜，由人工多次填筑構成防洪堤防，層厚約4.2m。②層灰黃、淺灰色輕粉質壤土夾粉土薄層，呈可塑狀，塑性指數Ip=7.6～12.9，層厚約4.0m。③層棕黃、灰黃色粉質粘土，夾有砂礓和鐵錳結核，呈硬塑狀態，塑性指數Ip=12.5～18.4，層厚3.0m～3.8m。④層灰、灰黃色中粉質壤土夾粉土，呈可塑狀態，塑性指數Ip=9.2～11.6，層厚3.6m～4.0m。⑤層灰黃色粉土或風化殘積土。地下水位埋深大于6m。

3.2 花園湖試驗段

花園湖退水閘位于鳳陽縣淮河右岸小溪鎮附近，根據勘探資料，揭露地層分為八層：第（1）層粉質粘土，稍濕至濕，呈軟塑至可塑狀態，局部為硬塑狀態，層厚1～4m。第（2）層輕粉質壤土夾砂壤土，濕，松散至稍密狀態，層厚1～3m。第（3）層中、重粉質壤土，濕，可塑至軟塑狀態，夾有輕粉質壤土、粉砂透鏡體，局部夾淤泥質重粉質壤土透鏡體，層厚2～4m。第（4）層粘土，呈流塑至軟塑狀態，局部為可塑狀態，層厚4～6m。第（5）層中粉質壤土，呈可塑至軟塑狀態，局部夾有少量輕粉質壤土，層厚4～8m。第（6）層中細砂，飽和，松散至稍密狀態，層厚2～40m。第（7）層中粗砂夾礫石，中密至密實狀態，層厚約1m。第（8）全風化花崗巖，上部已風化為灰綠、灰白色風化砂夾粘土，下為弱風化混合花崗巖。工程區地下水位埋深約1.5～2.0m。本次現場測試試驗和取樣試驗TZ38/RJ16孔對比曲線見圖1和圖2。

4 試驗數據分析處理

4.1 土層含水量構成

土層濕密度中主要包含土壤顆粒密度和水的密度，水的密度（含水量）中以包括自由水和結合水（吸著水—強結合水/不受重力影響，不傳遞靜水壓力、薄膜水—弱結合水/也不受重力影響，不傳遞靜水壓力，但可從薄膜厚處向薄處運動）。用放射性同位素探頭測定土層的密度和含水率時，測量的是被測材料中所有的氫原子，即土層中總體含水量，而《土工試驗規程》SL237-1999中所定義的含水率為試樣在105℃～110℃下烘到期恒量時所失去水質量與達恒量后干土質量的比值；據有關研究，在105℃～110℃下，土中自由水和部分結合水會蒸發，還有部分結合水存在于土體中，為了與SL237-1999中所定義含水率相對應，需對RI貫入儀所測定的含水量進行修正，以剔除部分結合水的影響。

4.2 試驗數據處理

數據處理時打開需要處理的數據文件（測試試驗時保存的文件），根據軟件系統的提示，首先進行貫入深度（桿長）修正；在數據處理界面進行測試數據異常值的處理，可用鼠標對一些不合理的測試數據尖鋒值（異常值）采取刪除操作；如深度修正（桿長修正）、去除CPT記錄尖鋒（異常值）、進行RI/BG記錄的背景值修正（減去環境輻射值）、試驗成果的計算和繪制最終測試剖面。

含水率計算：飽和土的含水率用濕密度（ρt）、土顆粒的密度（ρs）和水的密度（ρw）算出；通過密度的測量數據計算出濕密度，通過水分測量數據計算出等效含水量；假設地下水位以下土壤已經飽和，可由濕密度計算出干密度。

土層含水（自由）密度通過濕密度和干密度算出：ρm=ρt-ρd

水分修正系數（α）又稱含水比，按下述步驟計算：ρ0=α·ρd+ρm

根據不同類型飽和土計算得到的α，進行分析計算后選擇各類土合適的α值。

非飽和土的含水率使用含水率探頭得到數據，通過水分（含水量）計數計算出等效含水率（ρ0），土的含水率通過等效含水率、水分修正系數阿爾法（α）和干密度算出：ρd=（ρt-ρ0）/（1-α）

5 水分修正系數取值

通過現場試驗，比較相應的勘察試驗資料，初步總結出各類土層水份修正系數經驗值為：砂土0.07～0.09，輕粉質壤土0.10～0.12，中、重粉質壤土0.12～0.14，粘土和粉質粘土0.14～0.17；該值是RI測試數據計算所必需的。

用RI型貫入設備測得的土層濕密度、含水率數值及據此計算的干密度、孔隙比、飽和度值與鉆孔取樣測得數值平均值基本相近；用RI型貫入式堤防現場勘測設備測試的土層含水率、干密度測定值稍大于通過現場取樣和室內試驗得到的土層干密度值，說明取樣及運輸、試驗過程有可能導致失水，影響試驗成果的準確性；通過原位測試可以提高試驗精度。

與常規勘探每隔一定間距取樣試驗相比，通過RI試驗可自上而下連續取得土層測試數據，能夠詳細反映沿孔深的土層物理力學性質變化情況，提高勘察工作精度。對于淤泥、粉土和飽和砂層等難以有效取樣測試物理力學指標地層，更能體現該套設備的優越性

（注：本項研究得到水利部“948”項目經費資助，項目編號201006）