核子密度儀用于土石混填地基檢測適用性研究

賴余斌 洪巧章

(南方電網能源發展研究院有限責任公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

隨著我國基礎設施建設的高速發展，良好的天然工程建設場地逐漸減少，越來越多的工程建設于崎嶇的山區地勢中。對于此類場地，通常采用挖山填谷的方式進行場地平整，就地開挖山峰獲取填方材料的方式，不僅節約了運輸成本，同時土石混合料具備高承載力、低壓縮性等良好的工程特性，十分適合作為工程地基使用。盡管該方法有著良好的經濟效益和實用性，但要保證上述目標的實現必須嚴格把控填方過程中的壓實質量。常規的壓實質量檢測方法有灌水法、核子密度儀檢測法等。灌水法適用于任何類別的填料，對于細粒料填方地基，試坑尺寸一般為直徑10 cm，深度12 cm就可達到較好的測試效果[1]，但對于土石混合料，受填料最大粒徑影響(5 cm～15 cm)，相應需要開挖的試坑尺寸也會成倍增大。以最大粒徑15 cm的填料為例，《公路土工試驗規程》[2]中規定試坑直徑至少為最大粒徑的3倍～5倍，深度為直徑的1.1倍～1.2倍。也就是說，需要開挖的試坑尺寸直徑至少為45 cm，深度50 cm。如此大尺寸的試坑在實際工程檢測過程中，檢測效率很難滿足工程需要。

核子密度儀作為一種壓實質量檢測設備，可以高效的對地基土體的濕密度和含水率進行檢測，進而計算其壓實系數，評價壓實質量。在檢測過程中，每個測點的測試時間僅為幾分鐘，相較于灌水法檢測，效率得到了極大的提高。其檢測效果在細粒勻質介質中已經得到廣泛認可[3,4]，并且在《公路路基路面現場測試規程》[5]中，規定基于核子密度儀的粒子散射法可以作為路基壓實質量的檢測方法。然而對于土石混合料來說，其工程性質與細粒勻質填料有較大不同，不僅粒徑較大，同時還具備較強的不均勻性，核子密度儀是否可以用于該類型地基的壓實質量檢測還有待驗證。因此，針對這一問題，開展了核子密度儀應用于土石混合料填方地基壓實質量檢測的適用性研究。

1 核子密度儀原理簡介

國內常用MC-3型核子密度濕度儀進行密度和含水量測試，其測試原理如下[6]：儀器內部包含兩種放射源，銫137r源用來測量密度，镅241/鈹中子源用來測量水分。中子源安在機殼底部位置不變，r源裝在輻射源金屬桿底部內，隨測量深度而變。測量密度時，銫137r源發出r射線進入被測材料。如果材料的密度較低,大量的r射線就會穿過它，被裝在儀器內的蓋草—密勒計數管檢測到，那么在單位時間內計到的數就較大。反之，如果材料的密度較高，高密度的材料吸收了部分r射線,起了輻射屏蔽作用，在單位時間內計到的數就較小。然后，微處理器把檢測管接收數值(稱為密度計數值)除以存儲在儀器內的密度標準計數值，得到計數比，再把計數比送入密度計數程序可算出被測材料的密度(這種密度包含被測材料水分，又稱為濕容重)。測量水分時，中子源放射的中子流進入被測材料,被測材料水分中的氫原子與離能中子相碰撞使之減速，減速后的慢中子被儀器內的氮-3探測管接收到。被測材料含水量大,在單位時間內所轉化的慢中子數越多，檢測管接收的慢中子數就多，反之就小。然后，微處理器把接收的慢中子數(稱為水分計數值)除以水分標準計數值，得到水分計數比，再把計數比送入水分計算程序可算出被測材料的水分重。有了被測材料的濕容重,水分重和輸入的室內試驗的最大干密度,微處理器即可算出干密度。

2 試驗方案

為了探究核子密度儀在土石混合料壓實質量檢測過程中的適用性，結合某電廠三通一平階段的壓實質量檢測工作，開展核子密度儀與灌水法檢測的對比試驗。現場填料中石料主要為中風化板巖，經機械破碎后最大粒徑不超過15 cm，土料主要為粉質黏性土，設計土石比為3∶2。

盡管設計含石量為3∶2，但結合現場實際檢測情況發現，不同測點的含石量存在一定差異，基本分布在40%～80%之間。因此為了探究含石量、含水率對核子密度儀檢測準確性的影響，有意識的選取含石量不同、含水率不同的填方區開展對比試驗。每個測試點位先開展核子密度儀測試試驗，隨后在同一位置處進行灌水法密度試驗。試驗過程中核子密度儀在每個測點進行四個角度的測試，取平均值作為最終的測試結果。灌水法則根據填料最大粒徑15 cm，開挖直徑45 cm，深度40 cm(松鋪厚度)的試坑。除常規稱取開挖土體質量以及灌水測試試坑體積外，還需進行篩分試驗(篩分至5 mm)，并對每個粒組土樣的含水率進行測試。最終根據式(1)計算灌水法試驗中的含水率：

ωz=N>60ω>60+N40～60ω40～60+
N20～40ω20～40+N10～20ω10～20+N5～10ω5～10+N<5ω<5

(1)

其中，N>60，N40～60，N20～40,N10～20,N5～10,N<5分別為不同粒組所占總質量的百分比；ω>60,ω40～60,ω20～40,ω10～20,ω5～10,ω<5分別為不同粒組的含水率。

3 試驗結果分析

核子密度儀在測試過程中同一測點的不同測試方向會有不同的測試結果，這一特征在進行細粒土檢測過程中并不明顯，而在土石混合料檢測過程中由于這一特征產生的誤差并不能忽略。如圖1所示為核子密度儀使用過程中，不同含石量(以5 mm為界)、不同含水率情況下，同一測點不同檢測方向濕密度檢測結果的極差，可以看出對于同一測點來說，最大的測試極差可能達到0.23 g/cm3，而大部分測點的測試極差位于0.05 g/cm3～0.12 g/cm3范圍內。產生這一現象的主要原因與核子密度的測試原理有關，在設備使用過程中，其密度測試是通過插入土體中的金屬桿發射粒子，置于土體表面的儀器底部接收裝置進行接收進而統計穿過被測材料粒子數計算密度的。測試過程中的密度檢測值大約是金屬桿與接收器二者連線組成的一個平面附近土體的密度值，而土石混合料由于材料的不均勻性，同一測點不同測試方向的材料性質具有差異，因此最終不同測試方向的檢測結果也會有所不同。進一步對比不同含水率、不同含石量條件下濕密度的測試極差，發現并無明顯的特征規律。

如圖2所示為核子密度儀使用過程中，不同含石量、不同含水率情況下，同一測點不同檢測方向含水率檢測結果的極差，可以看出對于同一測點來說，最大的測試極差可能達到5%，而大部分測點的測試極差位于2%以下。相較于濕密度的檢測極差，含水率不同方向的測試結果差異相對較小。這一現象同樣可以由其測試原理得到合理解釋，核子密度儀的含水率測試與濕密度測試原理基本相同，但其觸發原理是通過位于設備底板的中子源發射、再次反射回該位置處計算粒子數，從而得到含水率的過程，不同于濕密度測試過程中更傾向于面測試的概念，含水率測試是針對于設備底部一定空間范圍內土體進行的，因此粒料的不均勻性對其測試結果產生的影響相對較小。除此之外，含水率越高的點位測試極差越大，這與含水率本身量級相關，從相對誤差概念來說，含水率對測試結果的變異性影響較小。

圖3，圖4分別為不同含石量、不同含水率條件下核子密度儀與灌水法濕密度測試結果的對比圖。由圖3可以看出，含石量對濕密度測試結果影響較大，在低含石量情況下，二者測試結果較為接近，然而隨著含石量的增大，兩者出現較大差異。主要表現為核子密度儀的測試結果相較灌水法偏小，這就說明核子密度在測試中低含石量時，其檢測準確性尚可，而在進行較高含石量的填方工程檢測時，其檢測結果可能會偏小。圖4反映了不同含水率狀況下核子密度儀法與灌水法濕密度檢測的對比結果，由圖4可以看出，三種含水率狀況基本上均勻分布在誤差較大或者較小的區域范圍，因此可以認為含水率對于核子密度濕密度測試結果的準確性影響很小。

圖5，圖6分別為不同含石量、不同含水率條件下核子密度儀與灌水法含水率測試結果的對比圖。由兩幅圖可以看出無論是不同含石量亦或是不同含水率工況，兩種測試方法的測試結果均具有較好地相關性，相關系數可以達到0.8以上。對比發現，核子密度儀的測試結果大于灌水法測試結果1.5%～2%左右。因此在實際測試過程中，只需要對核子密度儀的測試結果進行簡單的修正，就可以得到較為準確的含水率結果。

圖7為不同工況下，以灌水法測試結果作為標準參考時，核子密度儀濕密度測試結果的相對誤差。經過統計分析發現，67%的測點相對誤差在5%以內，88%的測點相對誤差在10%以內，僅有少量測點的相對誤差超過10%，且絕大部分為高含石量、低含水率的測點。從某種程度上說，兩個影響因素是相互統一的，含石量高的土石混合料由于其比表面積較低，含水率通常也會較低。因此可以認為，對于土石混合料來說，含石量的高低會對其濕密度檢測準確性產生重要影響。

圖8為不同工況下，以灌水法測試結果作為標準參考時，核子密度儀含水率測試結果的相對誤差。盡管部分測點的含水率測試誤差超過60%甚至高達120%，但其主要原因是測試絕對誤差相對穩定情況下，含水率越小對應的相對誤差越大的體現。且由干密度計算公式可知，含水率誤差對于最終干密度計算結果影響相對較小。以濕密度2.2 g/cm3，含水率10%為例，實際干密度為2 g/cm3，若含水量存在20%的測試誤差，即含水率測試結果為8%～12%區間范圍內，最終的干密度計算值為1.96 g/cm3～2.04 g/cm3之間，相應的誤差為2%左右。因此在對核子密度儀的測試含水率進行修正后，就可以認為含水率的測試誤差對最終干密度計算沒有影響。

圖9為不同工況下，以灌水法測試結果作為標準參考時，核子密度儀干密度計算結果的相對誤差。基本上與濕密度測試誤差的結果相似，由此也看出核子密度儀對于含水率的檢測是相對準確的，最終干密度的測試誤差主要來源于濕密度測試誤差。而濕密度的測試誤差又主要與含石量相關，在進行中低含石量區域的密度測試時，測試誤差一般在10%以內，而在高含石量區域的密度測試時，其測試誤差可能達到10%以上甚至更高。對于壓實系數計算來說，如此大的計算誤差顯然是無法接受的。例如實際干密度為1.98 g/cm3，按照5%的測試誤差，最終的測試結果可能為1.881 g/cm3，若最大干密度為2.04 g/cm3，則測試壓實系數與實際壓實系數的計算結果分別為0.922和0.975。盡管實際測試結果是偏于保守，但如此大的測試誤差顯然也會對工程進行產生不利影響。

4 結語

本文通過開展不同工況下土石混合料核子密度儀與灌水法測試壓實質量的對比試驗，得到以下結論：

1)在中低含石量時，核子密度儀的測試誤差相對較小，可以使用核子密度儀進行密度測試。而在高含石量時核子密度儀測試誤差較大，可能達到10%甚至更高，此時需要采用更為準確的測試方法進行壓實質量檢測。

2)核子密度儀對于含水率的測試結果相對準確，測試結果對最終壓實系數計算的影響可以忽略不計。