核子法测定压实粘土密度和含水率的探讨与应用

保华富 沈 蓉 李仕胜

(中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院科学研究分院 昆明 650033)

1 概述

受文山暮底河水库开发有限公司的委托，中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院科学研究分院(虹龙工程检测公司)全面负责文山暮底河水库枢纽工程质量检测中心的运行与管理工作。

科学研究分院(虹龙工程检测公司)2010年被认定为全国水利工程质量检测甲级资质单位，是云南省内一次通过三种工程类别(岩土工程类、混凝土工程类、量测类)甲级资质的单位。水利工程质量是国家一直高度重视的民生内容之一，通过水利工程质量检测，能够为工程的安全运行和除险加固提供第一手的科学资料，促进工程效益的有效发挥。本资质的获得，标志着云南虹龙工程检测公司具备在全国从事水利工程质量检测的能力，为进一步开拓水利工程市场奠定了资质基础。

利用核子法测定土石等材料原位密度和含水率是一项迅速发展起来的无损、快速检测新技术。目前，我国已有相当数量的各类进口和国产核子水分密度仪在各类工程中使用，并成为质量检测和控制的一种重要工具之一。我国水利部等各部门已于2001年制定了相应的使用测试规程［1］。但由于其仪器昂贵、使用时担心辐射危害、检测精度的可靠性和稳定性恐难于满足要求等原因，核子法检测并未得到普遍采用。本文结合获得2010年中国水利工程优质(大禹)奖的暮底河水库工程大坝心墙压实质量检测控制［2］，采用美国坎贝尔(CPN)国际公司最新生产的MC—3—122型核子密度湿度仪，同时采用环刀法和试坑注水法测密度、烘干法测含水率等规程通用方法对比试验分析研究［3］，论证了核子密度法的可靠性和方便性，对进一步促进核子密度仪的推广应用有一定工程意义，可供类似工程参考。

2 核子密度仪特点

新型的MC—3型核子密度仪能快速准确地测量各种土、沥青混凝土等建筑材料的密度和含水率，还可测沥青混凝土空隙率，仪器内设有微处理器，一般情况只需输入计数时间或测量要求的精度，被测材料室内试验的最大密度，按启动键即可很快测出。测后不需人工计算、查表，能直接从显示器上读出测量深度、日期、计数时间和测量结果，如压实土体的湿密度、含水率、干密度和压实度等检测指标。该仪器测量的密度范围为1.12～2.73g/cm3，测量的含水率范围为0～64%。与旧MC—3型核子密度仪相比，有以下特点:

a.采用新图型式液晶显示器，测量条件及所测结果一次显示，检测人员能一目了然，全面及时了解测量情况，也减少了操作人员为读数靠近放射源的时间。

b.有基本测量和仪器自录测量两种测量方法。若采用仪器自录测量时，可连续记录128次的测量条件和结果，调出存储的内容方便灵活，配上打印机还可按要求打印。

c.能按选定的测量计数时间进行测量，计数时间的选择范围大;也可按测量要求的精度进行测量，缩短每个测点的测量时间。

e.标准计数后，可根据显示器上有关数据的大小来判断仪器的性能好坏和稳定性。

f.有电子日历、计时装置，并和测量结果同时显示和记录。

3 核子密度仪工作原理

测量含水率时，中子源放射的中子流进入被测材料，被测材料水分中的氢原子与高能中子相碰撞使之减速，减速后的慢中子被仪器内的氦3探测管接收到。被测材料含水率大，在单位时间内所转化的慢中子数也多，检测管接收的慢中子数就多;反之就少。然后微处理器把接收的慢中子数(称为水分计数值)除以水分标准计数值，得到水分计数比，再把计数比送入水分计算程序可算出被测材料的含水率。

4 核子密度仪测量方式

MC—3型核子密度仪有反射法和直接透射法两种测量方式。反射式测量时被测材料不需打孔，属无损测量，根据源离地面的距离大小，反射式测量又分为BS、AC两种位置。直接透射法测量时被测材料上必须打孔，属于有损测量。从检测的精度要求来说，透射式测量精度高于反射式测量精度。但反射式测量不需打孔，测量速度快，现场也经常使用。

4.1 反射式测量BS位置

图1 BS位置反射式测量

4.2 反射式测量AC位置

图2 AC位置反射式测量

4.3 直接透射式测量

这种测量要求测前用导板和钎杆在被测材料上垂直打一个比测量深度稍深的孔，孔直径约30mm，然后将源金属杆放入孔内至需要的深度，放平仪器。测量时源放射的粒子穿过被测材料，被盖革—密勒检测管接收。源下移的距离间隔为25mm或50mm两种。下移的最大深度分别为200mm或300mm。这样检测时可根据需要测量出地面至源所在位置的平均湿密度，如图3所示。

图3 直接透射式测量

5 核子密度仪现场测量成果探讨

云南文山暮底河水库大坝为粘土心墙堆石坝，最大坝高68.65m，水库总库容5784.9万m3。心墙料具有典型含特殊矿物的红粘土特征［4］，按设计要求，粘土心墙压实质量采用以压实度为主的多项技术指标控制。施工前期心墙压实质量检测采用环刀法，环刀体积约500cm3，含水率测定采用烘干法。心墙料主要物理力学性指标见表1。

表2为心墙第74层压实土采用新购进的MC—3型核子密度仪未修正时的5个测点检测成果，为反映压实土层下部压实情况及成果的可比性，检测采用直接透射式测量，测量深度控制为略大于压实层厚，一般在20～25mm左右。为排除偶然误差，提高检测精度，每个测点沿 0°、90°、180°和360°各测一次，然后取其平均值作为该测点周围压实土体的密度。测量计数时间选5min。为检验核子密度仪检测成果的精度，试后均在孔四周压实土层中部深度用环刀取样4个测其平均密度，并用标准烘干法测含水率，以资对比。为检验各测点压实度是否满足设计要求，试验完备后，在测点处挖坑取料采用湿法制样做标准击实试验以求得土料的最大干密度和最优含水率，坑尺寸约为50cm×50cm，深度为压实土层厚度。从表2中可看出:核子密度法与环刀法所测湿密度已非常接近，两种方法所测湿密度差最大为0.02g/cm3。如以环刀法为标准，总体上未修正的核子密度仪检测到的湿密度均有所偏小，平均比环刀法小0.013g/cm3。而核子密度法所测含水率则明显小于烘干法4.5% ～6.2%，平均小5.4%。从计算出的干密度看，两种方法计算出的干密度相差0.03～0.05g/cm3，平均相差0.045 g/cm3。显然未修正的核子密度仪检测成果的精度不能满足规范要求。从表2中还可看出:两种方法所得压实度相差也较大，压实度相差最大达3.9%，平均为3.2%，即用核子密度仪所检测压实度偏高，易出现以压实度控制的施工质量误判现象，工程偏于不安全状态。

表1 暮底河水库大坝心墙料物理力学性试验成果

表2 未修正的核子密度仪检测成果及压实质量对比(第74层)

仪器出厂前工厂对密度和水分在标定块上已做过标定，标定曲线的数据和密度、水分计算程序已存在仪器内的微处理器中供检测用。如果被测材料中含有特殊的矿物质或有机物时，用MC—3型核子密度仪测出的水分可能与实验室用其他方法测出的密度和含水率有所差异，此时必须用装入偏移量的方法来修正仪器的检测数据使之更为符合实际，才能用于工程检测。图4及图5为利用心墙第76层压实土进行的修正成果。图4为湿密度不修正，而假定不同含水率修正值输入仪器后在同一测点实测到的含水率与含水率修正值关系曲线;图5为含水率不修正，而假定不同湿密度修正值输入仪器后在另一测点实测到的湿密度与湿密度修正值关系曲线。经回归后可得出:

图4 含水率修正值与实测含水率关系

图5 湿密度修正值与实测湿密度关系

上二式中 Δω——假定含水率修正值;

ω——实测含水率，%;

Δρ——假定湿密度修正值，g/cm3;

ρ——实测湿密度，g/cm3。

从成果可看出:假定含水率修正值或湿密度修正值与实测含水率或湿密度之间有良好线型关系，线型相关系数大于0.9928。将图4测点用烘干法所测含水率ω=41.0%代入式(1)可求得含水率真修正值为0.028，将图5测点用环刀法所测湿密度ρ=1.898g/cm3代入式(2)可求得湿密度真修正值为0.011g/cm3。

表3给出了修正后的核子密度仪对第76层、第77层、第131层及第145层压实土检测成果。为验证修正后测量成果的精度，试后还进行了环刀法和试坑注水法检测。从测值可看出:经修正后，用MC—3型核子密度仪测出的湿密度与常规环刀法及试坑注水法检测成果十分接近，而用MC—3型核子密度仪测出的含水率与常规烘干法也十分接近。经修正后，21个测点用常规环刀法及试坑注水法所测湿密度与核子密度法之差在－0.04～0.02g/cm3之间，平均为0.00g/cm3;所测含水率之差在 －1.8%～1.4%之间，平均为－0.3%;对应的计算干密度差在－0.02～0.02g/cm3之间，平均为0.00g/cm3，可见经修正后，常规法与核子密度法所测结果已非常接近，检测精度能满足规范要求;

对应的计算压实度差在－1.8% ～1.5%之间，平均为0.02%。21个测点用常规法所测成果统计平均压实度为98.1%，用MC—3型核子密度湿度仪得平均压实度为98.0%。按设计不小于96%压实度要求计算统计，两种方法检测压实度合格率均为95.2%，常规法与核子密度仪法检测质量评定结果均能满足要求，评定结果十分一致。

表3 修正后的核子密度仪检测成果及压实质量对比

6 结语

利用核子法测定粘土材料原位密度和含水率是一项无损、快速的质量检测新技术。本文介绍了最新MC—3型核子密度仪特点、工作原理及测量方式，并结合云南文山暮底河水库大坝粘土心墙压实质量检测控制，用常规法与核子测量法进行了系列现场检测成果的试验对比分析和核子测量修正方法探讨。结果表明:经修正后，核子密度仪检测结果与常规法十分接近，检测精度能满足工程要求，值得推广应用。

1 SL 275－2001核子水分——密度仪现场测试规程［S］.北京:中国水利水电出版社，2002.

2 保华富，金波，张春.暮底河水库大坝心墙压实质量检测和成果分析［J］.云南水力发电，2004(4):72－77.

3 SL 237－1999土工试验规程［S］.北京:水利电力出版社，1999.

4 黄文熙主编.土的工程性质［M］.北京:水利电力出版社，1983.