RI型贯入仪的水分修正系数取值研究

马东亮 王庆苗 陈国强 杨业荣

（中水淮河规划设计研究有限公司 蚌埠 233001）

RI型贯入仪的水分修正系数取值研究

马东亮 王庆苗 陈国强 杨业荣

（中水淮河规划设计研究有限公司 蚌埠 233001）

应用放射性同位素探头可以快速测定土层的密度和含水率，本文通过分析RI型贯入仪现场应用测试数据，研究了试验数据计算所需重要参数—不同土类水分修正系数的取值范围。

密度 含水率 水分修正系数

1 RI设备简介

中水淮河规划设计研究有限公司引进日本SRE株式会社生产的RI型贯入式堤防勘测设备，该套设备主要包括：密度测量单元：SRD-1dCP密度计探头（SR-3302）放射源（137Cs铯-137、3.7MBq）NaI（TI）闪烁计数器；含水量测量单元：SRM-1dP含水量探头（SR-3304）放射源（252Cf锎-252、1.11MBq）3He比例计数器；孔隙水压力单元：SRE-3Eit孔隙水压力探头（3El-2）；触探仪：RCS计数器（SRC-RC-TP5）、数据记录器 TDS-530。

2 放射性同位素测定土层密度、含水量原理

RI型贯入式堤防勘测设备在保证辐射剂量对人体绝对安全的前提下，通过发射γ射线和中子射线，实现锥尖阻力（qc）、侧壁摩阻力（fs）、孔隙水压力（u）、水分、密度等五个参数的同步测量，间接获得不同深度土体干密度、饱和密度、孔隙比、摩阻比等参数。减少了室内试验和地质钻孔取样的工作量，降低勘察费用与周期，而且能够有效地提高地基分层的精度，减少误判的可能。

2.1 密度(湿密度)检测原理

伽玛（γ）射线是一种波长很短的由原子核产生的电磁辐射，γ射线与物质作用时有光电效应、康普顿效应及电子对生成三种过程；土对γ射线产生吸收作用而减弱其能量，同时以将被减弱后的射线成一角度散射出去，土的吸收和散射过程并非是一次，而是多次反应的结果；经过多次散射，使散射光子的能量显著降低。散射光子的光电效应几乎随密度的增加而迅速增加，在密度小的土中，散射作用占优势；在密度大的土中，以光电吸收为主，测试仪器探头的计数率随密度的增加而减少，根据这一原理测定土的密度。

密度计探头中的3.7MBq铯-137伽玛源向土壤等被测材料放射伽玛（γ）射线，穿透被检测材料的射线会被仪器中的密度检测管检测到。如果材料的密度较低，材料吸收的伽玛射线较少，那么在一定时间内较多的伽玛射线就会穿过材料，检测管的计数将较高。反之，如果材料的密度较高，高密度的材料吸收了更多的伽玛射线，那么在同样时间内就会有较少的伽玛射线穿过材料，检测管的计数将较低。伽玛射线在被测材料中的穿透、反射和被吸收等行为只与被测材料中的组成成分的所有原子的原子核的质量相关。核子仪测量的总密度实际是单位体积的土工材料总的原子量。只有当被测材料的总的原子量发生变化时，核子仪的检测结果才相应地发生变化。

2.2 含水量检测原理

同位素中子源发射出来的快中子与周围物质中各种原子核发生碰撞时，每次碰撞损失部分能量，经过多次碰撞，变成慢中子。水是富含氢的物质，中子测水实质上就是中子测氢；快中子在土中通过慢化和扩散过程，形成了以中子源为中心的“慢中子云球”，如果土中含水量高，“慢中子云球”半径就小，慢中子密度就大；反之，土中含水量低，“慢中子云球”半径就大，慢中子密度就小；由于慢中子的能量小、速度慢，极易被其它物质俘获而产生核反应。利用最易俘获慢中子的物质制成的慢中子探头，测定慢化后的中子强度来确定含水量的高低，这就是快中子经慢化作用测定土中含水量的基本原理。

含水量探头中的1.11MBq锎-252中子源向土壤等被测材料放射高能中子射线，高能中子与氢原子碰撞后，迅速失去能量而变成低能中子，而其他任何种类的原子都不能象氢原子那样显著减少高能中子的能量。被测材料中的湿度越高，水分含量就越高，氢原子就越多，当中子射线穿过时，将产生更多的低能中子；同样的原因，当被测材料较干时，产生的低能中子数目就较少。仪器中的湿度检测管只检测低能中子，低能中子计数越高，表示被测材料的湿度越高；反之，低能中子计数越低，表示湿度越低。

RI贯入仪在进行密度和水分测量时，分别使用不同的放射源，不同的射线接收器，不同的数据计算系统，所以密度和水分两个检测系统相互独立，其检测数据也互不影响。

3 现场测试试验

试验采用国产WSY15-A型15吨静探车和地锚作为贯入试验加压设备，RI型贯入仪测试数据间隔为每0.1m一组，钻孔取样室内试验数据间隔为每0.5m一组。现场试验完成后，先进行孔深修正，剔除异常数据后，根据钻探和静力触探结果划分地层，统计各孔各层湿密度和含水率平均值并估算偏差，再计算分层湿密度和含水率平均值，并据此计算各土层干密度、孔隙比和饱和度并估算偏差。

3.1 方邱湖试验段

方邱湖试验段位于淮河右岸蚌埠市龙子湖区和凤阳县交界附近（长淮排涝站），该段经历次修筑而成，填筑土料以轻粉质壤土、粉土为主，填筑质量较差，设计拟对该段堤防进行加固处理；本次试验在该段布置测试孔6个，孔间距约50m，孔深10～16.5m；RJ6、RJ7、RJ8孔位于长淮排涝站北侧，为2009年淮干切滩退堤新筑堤防；RJ9、RJ10、RJ11孔位于长淮排涝站南侧，经历次填筑而成，本阶段拟进行加固处理；现场测试完成后，在测试孔附近布置钻探取样孔（Z6～Z11孔对应RJ6～RJ11孔），按0.5m间距采取原状土样进行室内土工试验。

根据Z9～Z11孔钻探试验资料，场区分布地层为：①层人工填土，灰黄、黄褐色，主要由轻粉质壤土、粉土混粉砂和重粉质壤土组成，干至稍湿，塑性指数Ip=6.8～14.4，土质混杂，由人工多次填筑构成防洪堤防，层厚约4.2m。②层灰黄、浅灰色轻粉质壤土夹粉土薄层，呈可塑状，塑性指数Ip=7.6～12.9，层厚约4.0m。③层棕黄、灰黄色粉质粘土，夹有砂礓和铁锰结核，呈硬塑状态，塑性指数Ip=12.5～18.4，层厚3.0m～3.8m。④层灰、灰黄色中粉质壤土夹粉土，呈可塑状态，塑性指数Ip=9.2～11.6，层厚3.6m～4.0m。⑤层灰黄色粉土或风化残积土。地下水位埋深大于6m。

3.2 花园湖试验段

花园湖退水闸位于凤阳县淮河右岸小溪镇附近，根据勘探资料，揭露地层分为八层：第（1）层粉质粘土，稍湿至湿，呈软塑至可塑状态，局部为硬塑状态，层厚1～4m。第（2）层轻粉质壤土夹砂壤土，湿，松散至稍密状态，层厚1～3m。第（3）层中、重粉质壤土，湿，可塑至软塑状态，夹有轻粉质壤土、粉砂透镜体，局部夹淤泥质重粉质壤土透镜体，层厚2～4m。第（4）层粘土，呈流塑至软塑状态，局部为可塑状态，层厚4～6m。第（5）层中粉质壤土，呈可塑至软塑状态，局部夹有少量轻粉质壤土，层厚4～8m。第（6）层中细砂，饱和，松散至稍密状态，层厚2～40m。第（7）层中粗砂夹砾石，中密至密实状态，层厚约1m。第（8）全风化花岗岩，上部已风化为灰绿、灰白色风化砂夹粘土，下为弱风化混合花岗岩。工程区地下水位埋深约1.5～2.0m。本次现场测试试验和取样试验TZ38/RJ16孔对比曲线见图1和图2。

4 试验数据分析处理

4.1 土层含水量构成

土层湿密度中主要包含土壤颗粒密度和水的密度，水的密度（含水量）中以包括自由水和结合水（吸着水—强结合水/不受重力影响，不传递静水压力、薄膜水—弱结合水/也不受重力影响，不传递静水压力，但可从薄膜厚处向薄处运动）。用放射性同位素探头测定土层的密度和含水率时，测量的是被测材料中所有的氢原子，即土层中总体含水量，而《土工试验规程》SL237-1999中所定义的含水率为试样在105℃～110℃下烘到期恒量时所失去水质量与达恒量后干土质量的比值；据有关研究，在105℃～110℃下，土中自由水和部分结合水会蒸发，还有部分结合水存在于土体中，为了与SL237-1999中所定义含水率相对应，需对RI贯入仪所测定的含水量进行修正，以剔除部分结合水的影响。

4.2 试验数据处理

数据处理时打开需要处理的数据文件（测试试验时保存的文件），根据软件系统的提示，首先进行贯入深度（杆长）修正；在数据处理界面进行测试数据异常值的处理，可用鼠标对一些不合理的测试数据尖锋值（异常值）采取删除操作；如深度修正（杆长修正）、去除CPT记录尖锋（异常值）、进行RI/BG记录的背景值修正（减去环境辐射值）、试验成果的计算和绘制最终测试剖面。

含水率计算：饱和土的含水率用湿密度（ρt）、土颗粒的密度（ρs）和水的密度（ρw）算出；通过密度的测量数据计算出湿密度，通过水分测量数据计算出等效含水量；假设地下水位以下土壤已经饱和，可由湿密度计算出干密度。

土层含水（自由）密度通过湿密度和干密度算出：ρm=ρt-ρd

水分修正系数（α）又称含水比，按下述步骤计算：ρ0=α·ρd+ρm

根据不同类型饱和土计算得到的α，进行分析计算后选择各类土合适的α值。

非饱和土的含水率使用含水率探头得到数据，通过水分（含水量）计数计算出等效含水率（ρ0），土的含水率通过等效含水率、水分修正系数阿尔法（α）和干密度算出：ρd=（ρt-ρ0）/（1-α）

5 水分修正系数取值

通过现场试验，比较相应的勘察试验资料，初步总结出各类土层水份修正系数经验值为：砂土0.07～0.09，轻粉质壤土0.10～0.12，中、重粉质壤土0.12～0.14，粘土和粉质粘土0.14～0.17；该值是RI测试数据计算所必需的。

用RI型贯入设备测得的土层湿密度、含水率数值及据此计算的干密度、孔隙比、饱和度值与钻孔取样测得数值平均值基本相近；用RI型贯入式堤防现场勘测设备测试的土层含水率、干密度测定值稍大于通过现场取样和室内试验得到的土层干密度值，说明取样及运输、试验过程有可能导致失水，影响试验成果的准确性；通过原位测试可以提高试验精度。

与常规勘探每隔一定间距取样试验相比，通过RI试验可自上而下连续取得土层测试数据，能够详细反映沿孔深的土层物理力学性质变化情况，提高勘察工作精度。对于淤泥、粉土和饱和砂层等难以有效取样测试物理力学指标地层，更能体现该套设备的优越性

（注：本项研究得到水利部“948”项目经费资助，项目编号201006）