趙正信

(江蘇省交通技師學(xué)院道路與橋梁工程系，江蘇鎮(zhèn)江 212006)

在道路工程、水運(yùn)工程以及一些大型土石壩工程中，壓實(shí)度是控制工程施工質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在我國(guó)，常用的傳統(tǒng)檢測(cè)方法有灌砂法、灌水法、環(huán)刀法等。其主要原理是，通過(guò)體積置換計(jì)算填筑材料的濕密度，然后運(yùn)用酒精燃燒法和烘干法等測(cè)定材料的含水率，從而計(jì)算干密度和壓實(shí)度。

使用傳統(tǒng)的壓實(shí)度檢測(cè)方法，試驗(yàn)間隔時(shí)間長(zhǎng)，速度慢，效率較低，難以滿足高度機(jī)械化的施工要求。利用核子密度儀［1－2］測(cè)定土石等材料原位密度和含水量是一項(xiàng)迅速發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，具有無(wú)損、快速檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。這類儀器的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量速度快，檢測(cè)精度高，所需要的檢測(cè)人員少，測(cè)試1個(gè)點(diǎn)，幾分鐘就可以知曉結(jié)果。使用核子密度儀能既合理又快速地選擇壓路機(jī)的頻率和振幅，還能很容易地確定壓路機(jī)的碾壓速度和最佳碾壓遍數(shù)，及時(shí)指導(dǎo)施工［3］。

1 核子密度儀的工作原理

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀與工作原理

核子密度儀檢測(cè)技術(shù)在國(guó)際上已被廣泛應(yīng)用，在世界各地的高速公路等土木工程的質(zhì)量控制和保障方面發(fā)揮著重要作用。針對(duì)土、巖石、瀝青混凝土和水泥混凝土等材料，國(guó)際上，尤其是美國(guó)，做了大量的研究和應(yīng)用實(shí)踐工作，總結(jié)了豐富的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)和使用方法。然而，在我國(guó)的道路建設(shè)領(lǐng)域，由于長(zhǎng)期缺乏實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累和系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，大多數(shù)工程技術(shù)人員基本上不了解或很少了解核子密度儀檢測(cè)技術(shù)。

核子密度儀已經(jīng)成為土木工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)和控制的重要工具，其內(nèi)部裝有2種放射源，即銫137γ源和镅241-鈹中子源。

1)銫137γ源射出γ射線進(jìn)入被測(cè)材料中與物質(zhì)原子的外圍電子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生康普頓散射，散射后的γ射線能量減少，方向改變。因?yàn)槲镔|(zhì)的密度越大，康普頓散射的γ射線就越多，所以通過(guò)測(cè)量散射后的γ射線的數(shù)量，即可判斷被測(cè)物質(zhì)的密度［4－5］。

2)镅241-鈹中子源主要用于測(cè)量物質(zhì)的含水量。

在檢測(cè)時(shí)，核子密度儀的液晶顯示屏可以同時(shí)顯示濕密度、干密度、含水量、含水率、壓實(shí)度、孔隙率等檢測(cè)數(shù)據(jù)及條件，具有方便、快捷、準(zhǔn)確、高效的特點(diǎn)。

1.2 儀器設(shè)備的標(biāo)定

核子密度儀的標(biāo)定是核子法檢測(cè)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段的一項(xiàng)重要內(nèi)容。其主要過(guò)程是，將儀器在一系列密度和濕度已知的標(biāo)準(zhǔn)材料塊上進(jìn)行檢測(cè)，在每一個(gè)標(biāo)定塊上，在每一個(gè)檢測(cè)深度上確定標(biāo)定值和濕度值與射線計(jì)數(shù)率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于核子密度濕度儀，每12個(gè)月要對(duì)它進(jìn)行一次標(biāo)定。標(biāo)定工作可以由儀器生產(chǎn)廠家或獨(dú)立的、有資質(zhì)的服務(wù)機(jī)構(gòu)實(shí)施。對(duì)現(xiàn)存儀器，特別是經(jīng)過(guò)維修的儀器，可能影響儀器的結(jié)構(gòu)，必須重新進(jìn)行標(biāo)定后才能使用?，F(xiàn)存儀器如果在標(biāo)定核實(shí)過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)不能滿足規(guī)定的限值，也必須重新標(biāo)定［6］。標(biāo)定后的儀器在測(cè)量所有標(biāo)定塊的密度時(shí)，其示值誤差不應(yīng)超過(guò)±16 kg/m3。

2 工程應(yīng)用實(shí)例探討

2.1 現(xiàn)場(chǎng)灌砂法與核子密度儀試驗(yàn)對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)灌砂(水)法是當(dāng)前廣泛采用的最傳統(tǒng)、最直觀的檢測(cè)方法。人們對(duì)灌砂法測(cè)試結(jié)果的認(rèn)可度比較高。由于不同環(huán)境和不同填筑材料之間存在差異，使用核子密度儀所測(cè)量的數(shù)據(jù)與灌砂法存在一定偏差。為了消除這種影響，需要根據(jù)工區(qū)情況進(jìn)行濕密度校正和水分方面的校正，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)求出這兩個(gè)校正值。試驗(yàn)選擇在國(guó)道203線(肇源至松原)一級(jí)公路建設(shè)項(xiàng)目K33+100～K33+340段的原地面土方路基上15個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行。對(duì)同一測(cè)點(diǎn)分別用灌砂法和核子密度儀檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 核子密度儀檢測(cè)法和灌水法對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

2.2 數(shù)據(jù)整理與回歸方程的建立

為了驗(yàn)證對(duì)比試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)的差異性和相關(guān)關(guān)系，利用最小二乘法統(tǒng)計(jì)原理對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

式(4)，式(5)，式(6)中，Xi，Yi分別為核子密度儀檢測(cè)法和灌砂法所測(cè)某一點(diǎn)壓實(shí)度的數(shù)據(jù)，n為試驗(yàn)比對(duì)的組數(shù)，r為相關(guān)系數(shù)。

如圖1所示，以核子密度儀測(cè)得的濕密度數(shù)據(jù)為橫坐標(biāo)，以該點(diǎn)處灌砂法測(cè)得的濕密度數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)，利用最小二乘法對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，很明顯，能夠很好地?cái)M合出1條直線。

從圖1可以看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散性不大，均勻分布在直線兩邊，說(shuō)明該組數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的相關(guān)性。代入相關(guān)方程可以求出相關(guān)系數(shù)r，相關(guān)參數(shù)a和 b，即

利用求得的回歸方程可以對(duì)該路線進(jìn)行灌砂法壓實(shí)度的估算。

圖1 核子密度儀法和灌砂法密度散點(diǎn)圖

3 使用核子密度儀的注意事項(xiàng)

在使用核子密度儀時(shí)應(yīng)該做好一些必要的準(zhǔn)備工作，主要包括以下幾個(gè)方面:

1)要確保核子密度儀在使用前經(jīng)過(guò)標(biāo)定和數(shù)據(jù)的修正，以保證所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2)熟悉核子密度儀的使用規(guī)范。在儀器工作時(shí)，所有人員均應(yīng)退至距離儀器2 m以外的地方。在儀器不使用時(shí)，首先應(yīng)該將手柄置于安全位置，然后將儀器裝入專用的儀器箱內(nèi)，放置在符合核輻射安全規(guī)定的地方。

3)儀器必須由專人保管，專人使用。保管者必須是經(jīng)有關(guān)部門審查合格的人員［7］。

4)做現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，天氣狀況應(yīng)該選擇無(wú)風(fēng)、無(wú)雨的時(shí)候，以免對(duì)稱量器具造成影響，導(dǎo)致誤差增大［6］。

5)數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)該認(rèn)真、仔細(xì)，并根據(jù)計(jì)算得出的相關(guān)系數(shù)r進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)相關(guān)分析。相關(guān)系數(shù)r愈接近于1，說(shuō)明灌砂法和核子密度儀檢測(cè)法二者的關(guān)系愈密切。相關(guān)系數(shù)r＜0.9，說(shuō)明選點(diǎn)和測(cè)量有誤差，以該選擇組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得的方程式結(jié)果不足以說(shuō)明二者之間的關(guān)系，應(yīng)該重新選點(diǎn)，重做對(duì)比試驗(yàn)。

本文求得的相關(guān)系數(shù)r=0.935，樣本中測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為15，滿足相關(guān)要求。

4 結(jié)論

大量實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)合格檢定的核子密度儀的測(cè)試結(jié)果與灌砂法非常接近。Sanders等［8］對(duì)3524個(gè)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，核子法的測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法所得的檢測(cè)結(jié)果非常接近。但應(yīng)用傳統(tǒng)方法的成本比核子密度儀法高出很多。核子密度儀可以快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行壓實(shí)度的檢測(cè)。將核子密度儀檢測(cè)法運(yùn)用到道路路基工程壓實(shí)度檢測(cè)中，并通過(guò)其與灌砂法的對(duì)比試驗(yàn)求得擬合回歸方程，得到二者之間的擬合曲線。驗(yàn)算結(jié)果表明，用核子密度法檢測(cè)工程壓實(shí)度的結(jié)果準(zhǔn)確、可信，而且檢測(cè)速度快。將該方法應(yīng)用于工程檢測(cè)，尤其是大型工程項(xiàng)目，不僅能夠有效地控制工程質(zhì)量，而且能夠加快施工進(jìn)度，降低試驗(yàn)檢測(cè)人員的工作強(qiáng)度，提高施工效率，節(jié)省工程費(fèi)用。

［1］葉朝良.青藏鐵路路基壓實(shí)度檢測(cè)方法的探討［J］.路基工程，2005(6):21－22.

［2］楊怡，陳夢(mèng)成，雷茂錦.核子密度儀在高速公路中的應(yīng)用［J］.公路與汽運(yùn)，2005(5):95－97.

［3］王靜.核子密度儀在檢測(cè)壓實(shí)度中應(yīng)用的探討［J］.遼寧交通科技，2002(8):40.

［4］馬偉斌，姚建平，蔡得鉤，等.直接插入式深層核子密度儀探頭的研制及其應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2008(1):55－57.

［5］中華人民共和國(guó)水利部.SL275-2001核子水分密度儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2002:10.

［6］交通運(yùn)輸部職業(yè)資格中心.公路水運(yùn)工程試驗(yàn)檢測(cè)人員考試用書［M］.2版.北京:人民交通出版社，2012:165－166.

［7］趙鑫.核子密度儀在土石壩壓實(shí)度檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.水利水電施工，2011(6):59－61.

［8］SANDERS S，DEBASIS R R，PARKER F.Comparison of nuclear and core pavement density measurements［J］.Journal of Transportation Engineering，1994，120(6):953－966.