馬東亮 王慶苗 陳國(guó)強(qiáng) 楊業(yè)榮

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)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(guó)強(qiáng) 楊業(yè)榮

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)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(cè)定土層的密度和含水率，本文通過(guò)分析RI型貫入儀現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試數(shù)據(jù)，研究了試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)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(jiǎn)介

中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司引進(jìn)日本SRE株式會(huì)社生產(chǎn)的RI型貫入式堤防勘測(cè)設(shè)備，該套設(shè)備主要包括：密度測(cè)量單元：SRD-1dCP密度計(jì)探頭（SR-3302）放射源（137Cs銫-137、3.7MBq）NaI（TI）閃爍計(jì)數(shù)器；含水量測(cè)量單元：SRM-1dP含水量探頭（SR-3304）放射源（252Cf锎-252、1.11MBq）3He比例計(jì)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(jì)數(shù)器（SRC-RC-TP5）、數(shù)據(jù)記錄器 TDS-530。

2 放射性同位素測(cè)定土層密度、含水量原理

RI型貫入式堤防勘測(cè)設(shè)備在保證輻射劑量對(duì)人體絕對(duì)安全的前提下，通過(guò)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(gè)參數(shù)的同步測(cè)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(cè)原理

伽瑪（γ）射線是一種波長(zhǎng)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(shí)有光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)及電子對(duì)生成三種過(guò)程；土對(duì)γ射線產(chǎn)生吸收作用而減弱其能量，同時(shí)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(guò)程并非是一次，而是多次反應(yīng)的結(jié)果；經(jīng)過(guò)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(shì)；在密度大的土中，以光電吸收為主，測(cè)試儀器探頭的計(jì)數(shù)率隨密度的增加而減少，根據(jù)這一原理測(cè)定土的密度。

密度計(jì)探頭中的3.7MBq銫-137伽瑪源向土壤等被測(cè)材料放射伽瑪（γ）射線，穿透被檢測(cè)材料的射線會(huì)被儀器中的密度檢測(cè)管檢測(cè)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(shí)間內(nèi)較多的伽瑪射線就會(huì)穿過(guò)材料，檢測(cè)管的計(jì)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(shí)間內(nèi)就會(huì)有較少的伽瑪射線穿過(guò)材料，檢測(cè)管的計(jì)數(shù)將較低。伽瑪射線在被測(cè)材料中的穿透、反射和被吸收等行為只與被測(cè)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(cè)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(cè)材料的總的原子量發(fā)生變化時(shí)，核子儀的檢測(cè)結(jié)果才相應(yīng)地發(fā)生變化。

2.2 含水量檢測(cè)原理

同位素中子源發(fā)射出來(lái)的快中子與周圍物質(zhì)中各種原子核發(fā)生碰撞時(shí)，每次碰撞損失部分能量，經(jīng)過(guò)多次碰撞，變成慢中子。水是富含氫的物質(zhì)，中子測(cè)水實(shí)質(zhì)上就是中子測(cè)氫；快中子在土中通過(guò)慢化和擴(kuò)散過(guò)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(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(cè)定慢化后的中子強(qiáng)度來(lái)確定含水量的高低，這就是快中子經(jīng)慢化作用測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)時(shí)，將產(chǎn)生更多的低能中子；同樣的原因，當(dāng)被測(cè)材料較干時(shí)，產(chǎn)生的低能中子數(shù)目就較少。儀器中的濕度檢測(cè)管只檢測(cè)低能中子，低能中子計(jì)數(shù)越高，表示被測(cè)材料的濕度越高；反之，低能中子計(jì)數(shù)越低，表示濕度越低。

RI貫入儀在進(jìn)行密度和水分測(cè)量時(shí)，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(jì)算系統(tǒng)，所以密度和水分兩個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，其檢測(cè)數(shù)據(jù)也互不影響。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)采用國(guó)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(cè)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(chǎng)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(jì)各孔各層濕密度和含水率平均值并估算偏差，再計(jì)算分層濕密度和含水率平均值，并據(jù)此計(jì)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(yáng)縣交界附近（長(zhǎng)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(jì)擬對(duì)該段堤防進(jìn)行加固處理；本次試驗(yàn)在該段布置測(cè)試孔6個(gè)，孔間距約50m，孔深10～16.5m；RJ6、RJ7、RJ8孔位于長(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)測(cè)試完成后，在測(cè)試孔附近布置鉆探取樣孔（Z6～Z11孔對(duì)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(chǎng)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(yáng)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(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)和取樣試驗(yàn)TZ38/RJ16孔對(duì)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(dòng)）。用放射性同位素探頭測(cè)定土層的密度和含水率時(shí)，測(cè)量的是被測(cè)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(shí)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(huì)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(duì)應(yīng)，需對(duì)RI貫入儀所測(cè)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(shí)打開需要處理的數(shù)據(jù)文件（測(cè)試試驗(yàn)時(shí)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(zhǎng)）修正；在數(shù)據(jù)處理界面進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)異常值的處理，可用鼠標(biāo)對(duì)一些不合理的測(cè)試數(shù)據(jù)尖鋒值（異常值）采取刪除操作；如深度修正（桿長(zhǎng)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(jì)算和繪制最終測(cè)試剖面。

含水率計(jì)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(guò)密度的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出濕密度，通過(guò)水分測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)算出干密度。

土層含水（自由）密度通過(guò)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(jì)算：ρ0=α·ρd+ρm

根據(jù)不同類型飽和土計(jì)算得到的α，進(jìn)行分析計(jì)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(guò)水分（含水量）計(jì)數(shù)計(jì)算出等效含水率（ρ0），土的含水率通過(guò)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算所必需的。

用RI型貫入設(shè)備測(cè)得的土層濕密度、含水率數(shù)值及據(jù)此計(jì)算的干密度、孔隙比、飽和度值與鉆孔取樣測(cè)得數(shù)值平均值基本相近；用RI型貫入式堤防現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)設(shè)備測(cè)試的土層含水率、干密度測(cè)定值稍大于通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)試驗(yàn)得到的土層干密度值，說(shuō)明取樣及運(yùn)輸、試驗(yàn)過(guò)程有可能導(dǎo)致失水，影響試驗(yàn)成果的準(zhǔn)確性；通過(guò)原位測(cè)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(guò)RI試驗(yàn)可自上而下連續(xù)取得土層測(cè)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(duì)于淤泥、粉土和飽和砂層等難以有效取樣測(cè)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(xiàng)研究得到水利部“948”項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助，項(xiàng)目編號(hào)201006）