· 试验与研究·
核子密度仪在土石回填压实度质量检测中的应用
（中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院， 贵州 贵阳 ５） ５００８１松 李 克友 ， 孙知贤， 杜
摘要： 在水电建设工程中， 为高质量、 高效率地完 成 大 型 场 平 工 程， 需 要 对 回 填 碾 压 区 土 石 料 压 实 密 度 进 行 准
确、 快速检测。 传统挖坑法劳动强度大、 效率低， 严重影 响 施 工 进 度， 难 以 满 足 工 程 建 设 的 需 要， 因 此， 运 用 先进的密度检测方法十分必要。 本文通过核子 密 度 法 在 贵 州 某 水 电 站 移 民 搬 迁 新 址 的 应 用 实 例， 研 究、 总 结 出 了一套行之有效的工作流程和工作方法， 进一步验证了该方法在大型场平工程中运用的可行性。 关键词： 大型场平工程； 核子密度法； 土石回填； 压实密度； 质量检测 （）中图分类号：ＴＶ４７２．３；ＴＨ７１５．２ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００７－０１３３２０１２０１－００７１－０５
＊
得到压板下的密度ρ（／）。 附加质 量 法 是 Ａｈ０ ρ＝ｍ０一种无损检测方法， 需要的劳动强度大， 且该方法 不能对含水量进行检测。
］４－５利用核子法［测定土石等材料原位密度和含 水量是一 项 迅 速 发 展 起 来 的 无 损、 快 速 检 测 新 技 术。 这类仪器的特点是测量速度快、 检测精度高、 需要人员少， 测 试 点 只 需 几 分 钟 就 可 得 出 结 １ 个 果。 目前， 我国已有相当数量的各类进口和国产核 子密度仪在各类工程中使用， 并成为控制质量和验 收的重要工具。
种检测方法比较见表１。 ３
引言
０
贵州城镇大多建在靠近河谷的地方， 由于构造 运动、 水流冲刷等原因， 这些地方地形地貌变化相 当复杂。 在水电站建设工程中， 由于蓄水后库区水 位逐渐上升， 会淹没地势低洼的地方， 为解决移民 搬迁居住问题， 需要就近另选场地来进行重建。 这 些新址往往沟谷交错， 需要对新址场地进行回填并 加以平整。 高效、 高质地完成场地平整工程是移民 工作的基 础 和 重 点。 为 控 制 回 填 过 程 中 的 碾 压 质 量， 保证新建场址能够满足房屋等基础设施建设的 要求， 在回填碾压过程中必须对回填土石料压实密 度进行检测。
当前对密度进行定量检测方法主要有灌水（沙） 法、 附加质量法、 核子密度法等。
１］灌水（沙）法［是在测点处挖坑， 并称出所挖出
， 料石的质量 （一般采用磅秤作业）同时用灌水（铺
塑料布在坑中灌水）或灌沙法测量所挖坑容积， 从
而求出相应测点湿密度， 然后用酒精燃烧法测定含 水量， 最后计算出填料的干密度和压实度。 该方法 需要携带较多的水， 需要花费大量的人力、 物力， 且受堆料粒径的制约， 测定速度太慢， 严重影响施 工进度。 另 一 方 面， 由 于 挖 坑 使 原 堆 石 结 构 被 破 坏， 需将 所 挖 之 坑 重 新 填 充 压 实， 因 此， 费 工 费 时， 还不便布置足够数量的测点， 密度数据的代表 性受到一定限制。
２－３］附加质量法［是将承压板及以上的附加质量
和承压板以下振动范围内的堆石体质量视为单自由 度线性振动 体 系。 根 据 多 级 附 加 质 量 试 出 ｍΔｉ 测 相应的垂向自振频率ｆ根据ｆ 与Δｍ 的关系求得 ｉ，
检测原理
１
核子密度／湿度测试是利用同位素放射 源 来 测 试密度和湿 度 的。 核 子 密 度 仪 内 部 装 有 放 射 ２ 种 源，源用 来 检 测 密 度， 中 子 源 用 来 检 测 水 分。 γ－
中子源安在机壳底部位置不变；γ－ 源装在金属探 测杆底部内， 位置随检测深度而上下移动。
γ 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。 核子仪检测的总密度实际是单位体 积土工材料总的原子量。 只有当被测材料总的原子 量发生变化 时 核 子 仪 的 检 测 结 果 才 相 应 地 发 生 变 化。
检测密度时，源发出γ 射线进入被测材料。 γ－ 如果材料密度较低， 较多γ 射线就会穿过它， 装在 仪器内的盖革－ 密 勒 计 数 管 将 会 检 测 到 较 多 透 过 射线。 反之， 如果材料密度较高， 高密度材料将
收稿日期：２０１１－１２－１５ 作者简介： 李克友（， 男， 湖 北 省 宜 城 县 人， 助 理 工 程 师， １９８３—）， 。 硕士从事工程物探专业工作
· · ７１
压板下的参振质量 将 ｍ０ ； ｍ０ 的振动动能视为等效
于压板下堆石体的振动动能， 再通过积分方程解可
＊
第 ２贵 州 水 力 发 电 ６ 卷 第 １ 期 附加质量法 核子密度法 灌水（沙）法 比较内容 表１ 密度定量检测方法比较分析
测量方式 直接 间接 检测原理 检测湿密度 检测水分 检测干密度 采集速度 仪器重量 所需人员 工作强度 是否有损 人为影响
其他影响（主要为机械振动） 结果显示
体积置换
能 能 能
／非常慢（平均＞３点） ０ｍｉｎ重 多（＞４ 人） 大 有损 大 小
慢（需要烘烤，计算）
等效为弹性体 能
／否 否 慢（平均≥２５ｍｉｎ点） 很重 多（人） ≥３
大 无损 大 大
慢（需要数据处理）
２０１２ 年 ２间接 放射性 能 能 能
／点） 快（平均＜６ｍｉｎ轻便 少（２ 人） 小 无损 小 无 快（立即显示）
吸收更多γ 射线， 起到辐射屏蔽作用， 在单位时间 内检测管的计数就会较小。 根据仪器的射线发出量 和透过被测材料的射线计数量， 仪器可以精确计算 被测材料密度。
一个密封的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 能 检 测 到 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。 土 工材料中绝大多数氢原子都来自自由水， 而且结合 水中的氢原子在土壤、 岩石等土工材料中基本上是 固定的。 因此利用仪器检测到的慢中子数目就可以 测试被测材料的自由水含量。
本文中采用的是美国 ＣＰＮ 公司的 ＭＣ－Ｓ－２４ ）。 仪器检测湿度时， 检测 型仪器进行测量（见图１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 蛇 纹 石、 黏 土、 有机体和石灰处理的土壤中含有结合水， 对这 些材料， 仪器测出的含水率是偏高的。 因此， 为确 保数据准确， 必须进行数据校正。
图１ ＭＣ－Ｓ－２４ 型核子密度仪工作示意图
ＢＤ
环境放射性本底也不同， 因此仪器的测量计数有一 ） ＣＲＤ ＝ Ａｅ１－Ｃ （定的不确定性。 采用相对法测量， 即采用测量计数 与标准计数之比值即计数比（来 表 示 仪 器 的 测 ＣＲ）量结果， 则可消除以上因素对测量结果的影响。
对于一般土壤和建筑材料， 当使用核子密度仪 进行密度测量时， 仪器测量获取的密度测量计数比 ＣＲＤ 与被测材料密度Ｄ 之间关系可用下式表示： 式中：Ａ、Ｂ、Ｃ 为密度测量标定常数， 其中 Ａ、Ｃ 与γ 射线源活度和核探测条件有关，Ｂ 与被测材料 对γ 射线吸收特性有关。
采用由高到低、 已知密度的３ 个密度标样， 采 用一定材质和尺寸的测量导管， 将仪器分别对以上 每个密度标样测取密度测量计数， 并换算成相应
采集准备
２
２．１
由于放射性衰变， 仪器的γ 射线源和中子源的 活度会随时间逐渐减小； 随时间推移仪器内部线路 和元件也会老化， 使得仪器工作点漂移； 不同地区 · · ７２
仪器标定
核子密度仪在土石回填压实度质量检测中的应用
