RI型貫入儀的水分修正系數(shù)取值研究

馬東亮 王慶苗 陳國強(qiáng) 楊業(yè)榮

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 蚌埠 233001）

RI型貫入儀的水分修正系數(shù)取值研究

馬東亮 王慶苗 陳國強(qiáng) 楊業(yè)榮

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 蚌埠 233001）

應(yīng)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(xiàn)場應(yīng)用測試數(shù)據(jù)，研究了試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算所需重要參數(shù)—不同土類水分修正系數(shù)的取值范圍。

密度 含水率 水分修正系數(shù)

1 RI設(shè)備簡介

中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司引進(jìn)日本SRE株式會社生產(chǎn)的RI型貫入式堤防勘測設(shè)備，該套設(shè)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(shù)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(shù)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(shù)器（SRC-RC-TP5）、數(shù)據(jù)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(shè)備在保證輻射劑量對人體絕對安全的前提下，通過發(fā)射γ射線和中子射線，實(shí)現(xiàn)錐尖阻力（qc）、側(cè)壁摩阻力（fs）、孔隙水壓力（u）、水分、密度等五個參數(shù)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(shù)。減少了室內(nèi)試驗(yàn)和地質(zhì)鉆孔取樣的工作量，降低勘察費(fèi)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(chǎn)生的電磁輻射，γ射線與物質(zhì)作用時有光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)及電子對生成三種過程；土對γ射線產(chǎn)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(yīng)的結(jié)果；經(jīng)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(yīng)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(yōu)勢；在密度大的土中，以光電吸收為主，測試儀器探頭的計數(shù)率隨密度的增加而減少，根據(jù)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(nèi)較多的伽瑪射線就會穿過材料，檢測管的計數(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，那么在同樣時間內(nèi)就會有較少的伽瑪射線穿過材料，檢測管的計數(shù)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(zhì)量相關(guān)。核子儀測量的總密度實(shí)際是單位體積的土工材料總的原子量。只有當(dāng)被測材料的總的原子量發(fā)生變化時，核子儀的檢測結(jié)果才相應(yīng)地發(fā)生變化。

2.2 含水量檢測原理

同位素中子源發(fā)射出來的快中子與周圍物質(zhì)中各種原子核發(fā)生碰撞時，每次碰撞損失部分能量，經(jīng)過多次碰撞，變成慢中子。水是富含氫的物質(zhì)，中子測水實(shí)質(zhì)上就是中子測氫；快中子在土中通過慢化和擴(kuò)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?。挥捎诼凶拥哪芰啃?、速度慢，極易被其它物質(zhì)俘獲而產(chǎn)生核反應(yīng)。利用最易俘獲慢中子的物質(zhì)制成的慢中子探頭，測定慢化后的中子強(qiáng)度來確定含水量的高低，這就是快中子經(jīng)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(dāng)中子射線穿過時，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，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，低能中子計數(shù)越高，表示被測材料的濕度越高；反之，低能中子計數(shù)越低，表示濕度越低。

RI貫入儀在進(jìn)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(shù)據(jù)計算系統(tǒng)，所以密度和水分兩個檢測系統(tǒng)相互獨(dú)立，其檢測數(shù)據(jù)也互不影響。

3 現(xiàn)場測試試驗(yàn)

試驗(yàn)采用國產(chǎn)WSY15-A型15噸靜探車和地錨作為貫入試驗(yàn)加壓設(shè)備，RI型貫入儀測試數(shù)據(jù)間隔為每0.1m一組，鉆孔取樣室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)間隔為每0.5m一組?，F(xiàn)場試驗(yàn)完成后，先進(jìn)行孔深修正，剔除異常數(shù)據(jù)后，根據(jù)鉆探和靜力觸探結(jié)果劃分地層，統(tǒng)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(jù)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(yàn)段

方邱湖試驗(yàn)段位于淮河右岸蚌埠市龍子湖區(qū)和鳳陽縣交界附近（長淮排澇站），該段經(jīng)歷次修筑而成，填筑土料以輕粉質(zhì)壤土、粉土為主，填筑質(zhì)量較差，設(shè)計擬對該段堤防進(jìn)行加固處理；本次試驗(yàn)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(cè)，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(cè)，經(jīng)歷次填筑而成，本階段擬進(jìn)行加固處理；現(xiàn)場測試完成后，在測試孔附近布置鉆探取樣孔（Z6～Z11孔對應(yīng)RJ6～RJ11孔），按0.5m間距采取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)。

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

3.2 花園湖試驗(yàn)段

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

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理

4.1 土層含水量構(gòu)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(jié)合水（吸著水—強(qiáng)結(jié)合水/不受重力影響，不傳遞靜水壓力、薄膜水—弱結(jié)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(yùn)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(yàn)規(guī)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(zhì)量與達(dá)恒量后干土質(zhì)量的比值；據(jù)有關(guān)研究，在105℃～110℃下，土中自由水和部分結(jié)合水會蒸發(fā)，還有部分結(jié)合水存在于土體中，為了與SL237-1999中所定義含水率相對應(yīng)，需對RI貫入儀所測定的含水量進(jìn)行修正，以剔除部分結(jié)合水的影響。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理時打開需要處理的數(shù)據(jù)文件（測試試驗(yàn)時保存的文件），根據(jù)軟件系統(tǒng)的提示，首先進(jìn)行貫入深度（桿長）修正；在數(shù)據(jù)處理界面進(jìn)行測試數(shù)據(jù)異常值的處理，可用鼠標(biāo)對一些不合理的測試數(shù)據(jù)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(jìn)行RI/BG記錄的背景值修正（減去環(huán)境輻射值）、試驗(yàn)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(shù)據(jù)計算出濕密度，通過水分測量數(shù)據(jù)計算出等效含水量；假設(shè)地下水位以下土壤已經(jīng)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(shù)（α）又稱含水比，按下述步驟計算：ρ0=α·ρd+ρm

根據(jù)不同類型飽和土計算得到的α，進(jìn)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(shù)據(jù)，通過水分（含水量）計數(shù)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(shù)阿爾法（α）和干密度算出：ρd=（ρt-ρ0）/（1-α）

5 水分修正系數(shù)取值

通過現(xiàn)場試驗(yàn)，比較相應(yīng)的勘察試驗(yàn)資料，初步總結(jié)出各類土層水份修正系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值為：砂土0.07～0.09，輕粉質(zhì)壤土0.10～0.12，中、重粉質(zhì)壤土0.12～0.14，粘土和粉質(zhì)粘土0.14～0.17；該值是RI測試數(shù)據(jù)計算所必需的。

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

與常規(guī)勘探每隔一定間距取樣試驗(yàn)相比，通過RI試驗(yàn)可自上而下連續(xù)取得土層測試數(shù)據(jù)，能夠詳細(xì)反映沿孔深的土層物理力學(xué)性質(zhì)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(xué)指標(biāo)地層，更能體現(xiàn)該套設(shè)備的優(yōu)越性

（注：本項研究得到水利部“948”項目經(jīng)費(fèi)資助，項目編號201006）