核子密度仪在阿曼管沟回填中的应用

邓兆勋 刘光然

1 概述

阿曼马斯喀特污水管网工程是以重力式(自流式)管道为主的城市污水收集工程，管线总长度约620 km，其中铺设玻璃钢(GRP)主管线约300 km，硬质聚氯乙烯(UPVC)支管线约320 km。入户连接约14000多户;高密度聚乙烯(HDPE)检查井埋设4500个;管沟开挖宽度1 m～3 m、深度2 m～12 m不等。

按照合同要求，管沟开挖完成、管件安装并验收合格后，才可进行回填。回填所用原材料均为管沟挖掘，并经处理、检验、最大粒径不超过65 mm的合格材料。回填前，依据室内试验得到的最优含水量进行拌合使其成为匀质材料。回填过程中，按每层15 cm～25 cm厚度逐层碾压。每层碾压完成后，必须依据室内最大干密度和最优含水量进行现场压实度检测，用以判断压实是否合格。合同规定的评判标准为:管沟深度小于1.5 m以内的压实度不小于最大干密度的95%;深度1.5 m以下的压实度不小于最大干密度的90%。检测频率为管线上方每层每30 m检测一次;检查井周围每层至少检测两次。这样，一条10 m深、300 m长的管沟至少需要回填40层、压实度检测次数为400次。如此大的检测量必须由快速可靠的检测方法来实现，否则必将因试验检测而影响施工进度。

2 测试方法的选择

鉴于工程施工区域土体主要以中细砂、砂砾石为主，合同文件规定了现场材料密度和含水量检测方法，执行英国标准BS1377第9部分。该部分2.2条款规定了“灌砂法现场测试土和土石混合物密度的标准测试方法”，2.5条款规定了“用核子法现场测试土和土石混合物密度的标准测试方法”。灌砂法是在压实后的土体中挖坑，称量土体，利用已知密度的标准砂测定试坑的体积，用烘干法测定土样含水量来检测土的干密度。但其现场只能检测土料的湿密度，含水量需通过室内烘干土样确定，用以计算干密度和现场压实度。检测一个土样一般需要10 h左右，不能在现场立即判定压实是否合格。

核子法即利用核子密度—湿度仪(简称核子密度仪)同位素放射源检测土体密度和湿度。核子密度仪的探头中装有两种放射源，一个伽玛源用来测量密度，一个中子源用来测量水分。仪器中还安装有密度和湿度两种射线探测器，分别与伽玛源和中子源共同对被测材料的密度和湿度进行测量。伽玛源向土壤等被测材料放射伽玛射线，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。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像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。

核子密度仪检测土体压实度比较简单，仪器本身具有测算功能，湿密度、干密度、含水量可以直接显示在仪器屏幕上，即使压实度事先输入最大干密度也可以在屏幕上显示。完成一次检测通常只需要1 min或更短时间，即可在现场判定压实是否合格。

通过上述两种方法的比较，核子法是一种快速、可靠的现场密度检测方法，完全可以满足管沟回填施工的节奏和强度。

3 核子密度仪应用效果

3.1 管沟回填现场检测控制指标

阿曼马斯喀特污水管网工程，工程前期分布于五个不同的城区，施工区域跨度广，管沟回填材料材质变化大。为适应不同的材质土料压实控制，每个土料加工区均进行多次取样试验。施工期内依据英国标准BS1377第4部分3.5或3.6款进行击实试验，共获得土样最大干密度(MDD)和最优含水量(OMC)各661组，最大干密度值介于1.85 g/cm3～2.37 g/cm3，最优含水量介于4%～13%之间。为管沟回填土体压实度的检测提供了重要的、可靠的控制指标。

3.2 核子密度仪的校正

核子密度仪在使用过程中，有时材料本身的化学成分发生变化，可能会影响核子密度仪的检测精度。核子密度仪测量湿度时，测量的是被测材料中所有的氢原子，在大多数土壤和骨料中，氢原子存在于自由水中。但是有些被测材料中含有结合水，结合水会对仪器检测材料的含水量有一定影响。为保证核子密度仪的检测精度，在使用过程中必须根据实际情况定期进行校正。校正示意图见图1。

图1 核子密度仪校正示意图（单位：cm）

本工程管沟回填施工过程中，对核子密度仪的校正分随机和定期两部分。随机校正是当检测过程中对检测数据产生怀疑时，随时进行校正;定期校正按英国标准BS1377第9部分执行，每3个月用灌砂法作为基准值在同一试验点，同时用核子密度仪和灌砂法测定压实后的土的湿密度、含水量、干密度，计算核子密度仪干密度测定结果的校正系数。测试试验点最少6个，结果取其平均值。经工程师批准后，随对应的每台仪器在工地应用。

核子密度仪在工地应用以来，经过多次校正。现列举2006年每台仪器的干密度值校正系数(见表1)。

3.3 核子密度仪的检测效率

该工程自2005年初开工至2010年，总计施工近400 km。现场用核子密度仪共检测148973次，平均每千米372次。满足了现场工程施工高强度的检测量。

4 核子密度仪安全防护

虽然核子密度仪检测土体压实具有方便、快捷、可靠的优点，但它毕竟携带对人体和公共安全有害的辐射源，如果操作、保管不当，依然会造成危险。阿曼马斯喀特污水管网工程对使用的7台MC-4C型核子密度仪，根据阿曼政府国防部和水资源部要求采取了以下措施。

表1 核子密度仪干密度校正系数表

4.1 储藏

在远离居住区域的位置，单独修建内置1.5 m深储藏坑的储藏室，室外设置“辐射源危险!保持距离!”的警示标志。

4.2 运输

采用核子密度仪专门运输车，内部安装密封铅皮箱，外部车体上设置警示灯和辐射源警示标志。

4.3 规范使用

核子密度仪的使用操作者必须经过专门培训，持证上岗。检测过程中佩带个人辐射剂量检测剂量胶片，每3个月由英国辐射剂量检测部门检测一次。本工程自核子密度仪使用以来，每次检测操作者辐射剂量，均未超过国际辐射防护委员会(ICRP)5雷姆/年的职业界限值。

4.4 定期泄露检测

此项工作由政府指定单位检测，每年一次。项目所有仪器应用5年来均未出现泄漏现象。

5 结语

1)核子密度仪应用于管沟土体压实的密度、含水量检测，是一种快速、可靠的检测方法，能够适应高强度的管沟回填施工要求。其不但能够检测土体压实质量，而且可以立即对是否需要增加碾压进行指导，帮助及时调整施工方法以保证获得所需要结果。

2)核子密度仪在现场压实材料检测使用过程中，应定期进行校正，以提高仪器检测精度。对比方法宜采用国内外较成熟的灌砂法，对比点数不少于6组。

3)核子密度仪的使用应遵循当地法律法规，做好安全防护。

[1]BS1377:Part9:1990，British Standard Methods of test for soils for civil engineering purposes，Part9 In-situ tests.

[2]CPN MC-4 PORTAPROBE Operating Manual，CPN International，Inc.

[3]Regulations for the control and management of radioactive materials，sultanate of Oman ministry of regional munnicipalities，environment and water resources.