ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОСНОВАНИИ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ГОССТРОЯ СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РАДИОИЗОТОПНЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

Москва — 1971

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Предисловие..... .    ...    .    .    .    3

1.    Общие положения............ 4

2.    Определение плотности грунтов    ........ 4

3.    Нейтронный метод определения    влажности грунтов .    .    19

4.    Определение скорости и направления фильтрации грунтовых

вод методом радиоактивных индикаторов.....28

5.    Исследование абразивных свойств скальных грунтов и других материалов с помощью меченых атомов ....    36

6.    Тарировка радиоизотопных плотномеров и влагомеров и обработка результатов измерений    ........ 40

НИИ оснований и подземных сооружений ГОССТРОЯ СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РАДИОИЗОТОПНЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

Стройиздат Москва, Кузнецкий мост, д. 9.

Редактор издательства Л. А. Савранская Технический редактор К. Е. Тархова Корректор С. Г. Левашова

Сдано в набор 12/IX 1970 г. Подписано к печати 16/111 1971 г.    Т    04489. Бумага 84Xl08V»-0,75 бум. л.

2,52 уел. псч. л. (уч.-изд. 3.4 л). Тираж 13.000 экз. Изд. М XI1-2634.    Зак.    2006.    Цена    17    коп.

Типография № 32 Главполиграфпрома. Москва. Цветной бульвар, 26

Для широкого пучка рекомендуется зависимость

Р = -!——---0,08 Рв    («)

Рг d

или

In IJJ

Р =-- —    0,08    гар_г.    (9)

Pr d

2.19. Определение плотности твердой фазы грунта при известной весовой или объемной влажности производится по формулам, получаемым из выражения (3):

In /о// М-в

Цг d    Иг

или

₌ ^1п Л>//

(Иг I- Ив^) d

2.20. Определение плотности скелета грунта при полном влаго-насыщении производится по формуле

(12)

ln/p// —p_By»d

где у в — удельный вес воды, 1 г/с*³;

Yr — удельный вес скелета грунта, 1 г/с*³.

Формула (12) получается после подстановки выражения

Pb = V„(i-~) г/см*    (13)

в зависимость (10).

2.21.    Минимальные примеси (в вес. %) к Si-среде, которые можно не учитывать при измерении плотности гаммаскопическим методом, приведены в табл. 2.

2.22.    При изменении толщины или материала экрана детектора (корпус, обсадные трубы и т. д.), геометрии измерений необходимо вводить поправочные коэффициенты К для определения действительного значения массовой плотности Т:

Т=Т_пК,

где Т„ — массовая плотность при новых условиях измерений.

Значения коэффициентов К для некоторых условий измерения приведены в табл. 3.

2.23. Основными источниками случайных ошибок (статистических) являются ошибки измерения интенсивности уизлучения, связанные с нестабильной работой аппаратуры и флуктуациями радиоактивного распада. Погрешности определения коэффициентов т), ц и толщины просвечиваемого слоя d вносят систематические ошибки в величины определения плотности. Конструкция датчика должна обеспечивать строгое и постоянное взаимное геометрическое расположение источника и детектора излучения но отношению друг к другу и к объекту измерения.

Таблица 2 Минимальные примеси (в вес. %) к Si-среде, которые можно не учитывать при измерении плотности гаммаскопическим методом

1 Группа элементов Источник Детектор AI. Nn, Cl. Р Fe. Си, N1. Zn 1 j н«о Сово Газоразрядный 14 14 7 Cs187 15 11 6 Со60 Сцинтилляционный 13 .0 6 Cs137 » 12 7 7 Ra22« Газоразрядный 14 5 7 Ra22« ! Сцинтилляционный 14 6 6

Таблица 3 Значения коэффициентов К для различной геометрии измерений

Геометрия измерений Толщина экрана в мм и наименование материала детектор-источник в среде детектор или источник на поверхности среды среда между источником и детектором Легкие элементы (атомный 5,Fe j 1 вес<30) 0,97 0,95 3,Fe 1,015 0,975 0,95 1-2, Al 1,035 0,98 0,96 Средние элементы (атомный вес<60) 5,Fe ! 1 1 0,98 ! 0,97 3,Fe 1,01 0,985 0,97 1-2, Al 1,02 0,99 ; 0,97

Экспериментальное определение коэффициентов t] и |i (когда последний трудно рассчитать теоретически с достаточной точностью) производится измерительными устройствами, которые применяются для измерений в натурных или производственных условиях.

Расчет массового коэффициента ослабления для сложной среды выполняется но формуле

т

^(|4)

/=«1

где pi — относительное весовое содержание t-го элемента в веществе.

2.24. Относительная ошибка измерения плотности гаммаскопн-ческим методом оценивается по формуле

^АР ___1М₀ + 1₀М    ,    ^АЛ    ,    ^АР,    ^Ad_    _П5ч

р /₀/ (1п /₀ — 1п/) г, ^ р ^Т d *    *    '

получаемой дифференцированием уравнения (2).

2.25. Ориентировочно активность 5 источника у-излучения ^0,1 ределяется но формуле

S «S-,    _Др 2-мкюри.    (16)

где R — расстояние между источником и детектором в см; е — эффективность регистрации у-квантов детектором; v — площадь сечения детектора в см²\ t — время измерения в сек; т — число у-квантов на распад в источнике.

2.26.    Для определения плотности гаммаскопнческим методом в некоторых случаях целесообразно пользоваться тарировочной зависимостью /=/(q). Тарировочная зависимость строится в полулогарифмической сетке координат, где по одной из осей координат откладывается 1п/. Если n=const и t] = const, зависимость принимает вид прямой. Тарировку проводить не менее чем по пяти эталонным точкам.

2.27.    Тарировка устройства должна периодически контролироваться по двум-трем реперным точкам. При проверке тарировки следует учитывать возможную поправку на распад радиоактивного источника.

2.28.    При регистрации у-квантов с энергией >150 кэв (что полностью устраняет влияние фотоэффекта) значение массового коэффициента ослабления практически не зависит от вариации химического состава твердой фазы грунта, так как отношения эффективных порядковых номеров ф к эффективным массовым числам Л_Эф для элементов, слагающих твердую фазу различных типов грунтов, изменяются очень мало (0,501—0,507).

Метод рассеянного у-излучення Назначение и область применения

2.29.    Данный раздел устанавливает методику определения радиометрическим способом плотности грунтов путем регистрации интенсивности рассеянных средой у-квантов.

2.30.    Метод рассеянного у-излучения используется для измерения плотности грунтов в естественном залегании и плотности насыпных грунтов (до глубины 20—30 м), изучения режима влажности грунтов, определения плотности поверхностных слоев (5—15 см) без внедрения датчика в исследуемый массив и т. д.

Физическая сущность метода

11

2.31.    Измерение плотности исследуемой среды методом рассеянного у-излучения производится радиометрическими приборами, в которых источник и детектор у-квантов разделены свинцовым экраном,

2*

поглощающим прямое у-излученис. Детектор регистрирует в основном излучение, рассеянное средой, контактирующей с прибором.

2.32. При проведении измерений плотности среды данным методом пользуются функциональной зависимостью между регистрируемой интенсивностью у-излучения и плотностью среды /=/(q). График-этой зависимости можно разделить на три части: восходящую, область максимума и нисходящую ветвь (рис. 5). Положение максимума

Рис. 5. Общий вид зависимости N=f (q)

зависит от базы прибора, т. е. расстояния между серединой детектора и источника, энергии источника и конструкции самого радиометрического прибора.

2.33.    Такой характер зависимости обусловлен конструкцией двух процессов: рассеяния и поглощения у-излучения. Вероятность ком-птоновского эффекта пропорциональна числу электронов в единице объема. Поэтому с увеличением плотности среды интенсивность рассеянного излучения должна возрастать, что и наблюдается при небольших значениях плотности. Однако в результате многократного рассеяния происходит уменьшение энергии у-кванта и, следовательно, увеличивается вероятность его поглощения за счет фотоэффекта. Постепенно поглощение начинает превалировать, и тогда при увеличении плотности среды интенсивность рассеянного излучения, регистрируемого детектором, уменьшается.

2.34.    Теоретически установленная зависимость /=/(о) не обеспечивает достаточной точности для решения практических задач, так как очень сложно одновременно учесть все факторы, влияющие на изменение регистрируемой интенсивности у-излучения. Поэтому устанавливают функциональную связь между плотностью среды и интенсивностью рассеянного у-излучения, полученную для конкретной аппаратуры и конструкции радиоизотопного плотномера, экспериментально.

Конструктивные схемы датчиков

2.35. Основными элементами датчиков для определения плотности методом рассеянного у-излучения являются: детектор, регистрирующий рассеянные у-кванты, источник радиоактивного излучения и свинцовый экран, расположенный между ними.

2.3С. По условиям применения датчики делятся на глубинные и поверхностные (рис. 6).

Рис. 6. Типы y—У'Д^ат‘ чинов а — датчик для определения плотности в скважинах малого диаметра; б и я — датчики для определения плотности в скважинах большого диаметра; г— датчик для измерения плотности поверхностных слоев; / — источник; 2 — детектор; 3 — разделительный экран

2.37.    По условиям измерения различают 4я-датчики с симметричным излучением и регистрацией, охватывающей все пространство вокруг датчика, и 2я-датчики с односторонним излучением и регистрацией.

2.38.    Датчики (зонды) типа а (рис. G, а), используются для изучения свойств грунтов и пород в скважинах малого диаметра (20--50 мм). Диаметр гильзы, в которой размещаются все элементы зонда, и свинцового экрана делают равным диаметру скважины.

2.39.    Датчики типов б, о (рис. 6, б, в) используются при исследованиях в скважинах большого диаметра (90—120 мм).

2.40.    Измерение плотности тонких поверхностных слоев (5— 15 см) выполняется зондом типа г (рис. 6, г).

Методика определения плотности

2.41.    Основными характеристиками плотномеров, базирующихся на методе рассеянного у-изл учения (у—у-плотномеры), являются: абсолютные скорости счета; форма и крутизна зависимости /=/(q); геометрические размеры сфер, с которых снимается информация; точность измерений.

2.42.    Эти характеристики зависят от аппаратурных, скважинных, контактных и грунтовых факторов.

2.43.    Аппаратурные факторы: активность излучателя; эффективность регистрирующего устройства; длина и диаметр чувствительного объема детектора; спектральная чувствительность детектора; энергетический спектр исходных у-квантов; взаимное расположение источника излучения и детектора (база плотномера); форма, диаметр и толщина экрана-разделителя.

2.44.    Скважинные факторы: диаметр скважин, материал и толщина обсадных труб.

2.45.    Контактные факторы: затрубные зазоры, уплотнения и наличие каверн, зазоры между подошвой прибора и средой (поверхностный плотномер).

2.46.    Грунтовые факторы: химический состав гранулометрический состав, влажность, градиент плотности.

Активность излучателя и эффективность регистрирующего устройства

2.47.    Регистрируемая интенсивность у*^излУ^чения увеличивается пропорционально активности источника.

Активность источника практически не влияет на крутизну зависимости /=/(q). Малая эффективность регистрирующего устройства может ухудшить зависимость скорости счета от плотности. При проведении измерений интегральная регистрируемая интенсивность должна составлять несколько тысяч импульсов в минуту.

В подавляющем большинстве плотномеров применяются радиоактивные источники Со⁶⁰ (1,17 и 1,33 Мэе), Cs¹³⁷ (0,66 Мэе) и Ra²'²⁶ (0,8 Мэе) активностью 1—5 мг-экв Ra.

Длина, диаметр и спектральная чувствительность детектора

2.48.    Эти факторы в значительной степени определяют все характеристики у — у-плотномеров.

Увеличение диаметра и длины детектора приводит к увеличению регистрируемой прибором скорости счета. Такое увеличение не всегда целесообразно, так как при практических измерениях в определенных условиях требуются приборы оптимальных базы и диаметра. Регистрируемые спектры рассеянного у-излучения для сред различной плотности (рис. 7) указывают на целесообразность применения детекторов с большей спектральной чувствительностью в области малых энергий. Использование таких детекторов увеличивает абсолютную скорость счета, крутизну и улучшает форму зависимости /=/(р); кроме того, они позволяют несколько увеличить сферу, с которой снимается информация (рис. 8).

Однако при регистрации у-квантов с энергией менее 150 кэв показания плотномера могут быть искажены за счет вариации химического состава. Регистрацию детектором мягкого излучения можно предотвратить экранировкой его стальной или свинцовой пластиной с массовой толщиной 2—3 г/см². При работе со сцинтилля-ционным детектором тот же результат можно достигнуть дискриминацией импульсов, поступающих от детектора.

Энергетический спектр исходных у-квантов

2.49.    Применение источников с большой энергией излучения позволяет увеличить величину сфер, с которых снимается информация. Однако при этом ухудшается крутизна зависимости /=/(q), так как уменьшается массовый коэффициент ослабления.

Использование источников с меньшей энергией излучения смещает максимум зависимости /=/(q) в сторону меньших плотностей при постоянной величине базы плотномера.

Взаимное расположение источника излучений и детектора

2.50.    База прибора в наибольшей степени определяет форму и крутизну зависимости /=/(о).

Рис. 8. Регистрируемые спектры рассеянного уизлучения, снятые со слоев различной толщины (источник Ra”*)

Рис. 7. Регистрируемые спектры рассеянного уиз-лучения для различных плотностей I~q - 0.1в    ?—q—0.92 *!см%:    J—q—1    *|eм,: 4-q— I.4S    5-q=*    1.8    </f**

При выборе конструкции у—-у-плотномера важно определить оптимальную базу прибора, которая в основном определяется необходимой степенью дифференциации исследуемого слоя по вертикали, активностью и энергией используемого источника, диапазоном плотностей, скважинными условиями и необходимой точностью измерений. В практике грунтовых исследований в основном пользуются ниспадающей ветвью зависимости I=I(q). Увеличение базы в этом случае приводит к улучшению зависимости /=»f(Q). С другой стороны, это влечет за собой уменьшение дифференциации плотности по вертикали и вызывает резкое уменьшение регистрируемой интенсивности у-излучения.

Опыт показывает, что для грунтовых условий измерений наиболее целесообразно использовать приборы с базой 20—40 см.

Ориентировочно максимум зависимости /=/(q) можно определить по зависимости

(17)

Рмакс —

1

\iL

исходной

где L — база прибора;

р — массовый коэффициент ослабления у-квантов энергии.

Форма, диаметр и толщина экрана-разделителя

2.51. В плотномерах экран-разделитель предназначается для защиты детектора от прямого излучения источника и рассеянного излучения в самом приборе. Последнее определяет его диаметр и отчасти форму. Обычно экран-разделитель изготовляют из свинца. Рекомендуемая толщина разделителя равна для Со⁶⁰ и Cs¹³⁷ не менее 14—15 и 10—12 см соответственно.

Форма экрана сильно влияет на регистрируемую скорость счета, в некоторой степени на крутизну зависимости / = /(о) и горизонтальный радиус сферы, с которой снимается информация (радиус влияния Я_г).

В основном применяют экраны-разделители трех форм: конической, цилиндрической и цилиндрической, переходящей в конус, обращенный к источнику.

Применение экрана-разделителя конической формы по сравнению с цилиндрическим увеличивает регистрируемую скорость счета в 2—3 раза, но уменьшает чувствительность прибора /е_Пр изменению плотности исследуемой среды. Радиус влияния зависит от конусности экрана и имеет максимальную величину при угле конусности, равном 45°. Если расстояние между источником и детектором превышает рекомендуемую толщину экрана, его желательно составлять из двух частей: ²/₃ у источника, а ^!/з у детектора.

Диаметр экрана-разделителя должен быть равным внутреннему диаметру гильзы прибора.

Диаметр скважин, материал и толщина обсадных труб

2.52. При проведении измерений плотности прибором, основанным на методе рассеянного у-излучспия, особое внимание нужно уделять диаметру скважин, в которых производятся измерения. Незначительное увеличение диаметра скважин резко увеличивает регистрируемую скорость счета (рис. 0). При этом величина прироста

скорости счета практически остается постоянной при измерениях на грунтах различной плотности. Это позволяет при небольших увеличениях диаметра скважин (до 5 мм) использовать ту же самую тарировочную зависимость /—/(q) с введением поправки па увеличение регистрируемой интенсивности за счет наличия зазоров.

О 5    10    15    20tyMM

Рис. 9. Влияние увеличения диаметра скважин на регистрируемую скорость счета

Ч 3 2

При большем различии диаметров уменьшается крутизна зависимости /=/(()) и требуется корректировка используемой тарировочной зависимости данного прибора.

Проведение измерений в скважинах, заполненных водой, требует получения тарировочных зависимостей /—/(q) применительно к данным условиям измерений.

Для обеспечения достаточной точности и упрощения интерпретации полученных результатов измерения следует проводить на скважинах одинакового диаметра (желательно меньшего) с обсадными трубами, изготовленными из одного и того же материала и имеющими строго одинаковую толщину стенок.

Затрубные зазоры, зазоры между подошвой прибора и средой (поверхностный плотномер), уплотнения и наличия каверн

2.53. Перечисленные факторы существенно искажают показания плотномера. Затрубные зазоры значительно увеличивают регистрируемую скорость счета: ухудшают крутизну зависимости N=f(Q) и уменьшают радиус влияния. Поэтому нежелательно проведение измерений в обсаженных скважинах, пройденных буром диаметром более чем обсадные трубы, а также в обсадных трубах, имеющих наружные соединительные муфты. При забивке обсадных труб в грунт происходит уплотнение прилегающих к труое слоев. Тариро-вочиая зависимость N-=1(q) в этом случае должна учитывать данное уплотнение. Проведенные эксперименты показали, что способ забивки (статический, динамический и вибрационный) обсадных труб диаметром до 50 мм в различные грунты не оказывает существенного влияния на качество получаемых данных о плотности. Уплотнение учитывается при тарировке прибора в обсадных трубах, забитых в эталонную среду. Такой метод измерений целесообразно использовать в неустойчивых водонасыщенных сыпучих и текучих грунтах.

Наличие зазора между подошвой датчика поверхностного плотномера и грунтом значительно увеличивает регистрируемую скорость счета (аналогично увеличению диаметра скважины). Каверны в стенках или за обсадной трубой также искажают показания плотномера. При этом скорость счета может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от ее расположения. Нахождение каверны напротив детектора вызывает увеличение скорости счета, а напротив источника — уменьшение [для ниспадающей ветви зависимости

Л/" = /(q)]. При измерении поверхностным плотномером в местах наложения прибора не должно быть трещин или пустот, а если этого нельзя избежать, их следует засыпать так, чтобы плотность засыпаемого материала примерно равнялась плотности грунта.

Гранулометрический состав, влажность

2.54. При проведении измерении на средах, включающих крупноразмерные фракции, необходимо уделять особое внимание контактным условиям, которые могут в значительной степени исказить показания плотномера. Гранулометрическая крупность материалов должна быть не более 0,1 L, так как в противном случае объем, с которого снимается информация, не будет характеризовать средней плотности исследуемого массива.

Влияние влажности при измерении плотности имеет довольно сложный характер, объясняемый повышенной электронной плотностью и уменьшенным значением фотоэлектрического поглощения воды по сравнению с твердой фазой i рунта. По этой причине при измерениях на сухом грунте с объемным весом 1 г/сж³ и воде скорость счета на воде получается выше. При экранировке детектора слоем железа толщиной 5 мм это превышение составляет ~5%.

С другой стороны, измерения на влажном и водонасыщенном грунте показывают некоторое занижение скорости счета, которое получается в силу того, что происходит более интенсивное рассеяние у-квантов и поглощение их твердой фазой грунта.

Учет влажности можно производить поправочным коэффициентом К, равным (без экранировки детектора)

100 4- со

^- 100+ 1,08ш ’    ⁽¹    *

где (о — весовая влажность в %.

Вертикальные градиенты плотности

2.55. Информация о плотности снимается путем регистрации Y-квантов, рассеянных в среде, окружающей прибор. При однородной плотности объем, с которого снимается информация, и регистрируемая скорость счета имеют вполне определенную величину. Изменение плотности в этом объеме приводит к изменению потока у-квантов, фиксируемого детектором.

В практике измерений наиболее часто встречаются два случая:

1)    контактирующие слои имеют мощность более 2 L: при этом условии сфера, с которой снимается информация, полностью вписывается в исследуемый слой;

2)    слой с однородной плотностью, включающий в себя прослойку толщиной менее 2 L.

В первом случае при непрерывной регистрации скорости счета вблизи контакта двух сред, отличающихся по плотности, получаются переходные значения скорости счета (рис. 10), обусловленные тем, что информация поступает из того и другого слоя. Значение скорости счета принимает постоянную величину, когда информация снимается только из одной среды. Характер переходной скорости счета зависит от соотношения плотностей контактирующих сред и базы

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИП ИНСТИТУТ ОСНОВАНИИ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИИ ГОССТРОЯ СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РАДИОИЗОТОПНЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ Москва — 1971

прибора. Начало изменения регистрируемой интенсивности у-кван-тов соответствует расположению верхнего края детектора на расстоянии 5 см от верхнего слоя, а конец — моменту, когда источник вышел из нижнего слоя на 5—10 см (в зависимости от плотности).

Во втором случае регистрируемая скорость счета будет иметь

максимум или минимум (первый соответствует условию, когда прослойка по плотности меньше вмещающего слоя; второй — больше). Мощность прослойки (ориентировочно) определяется расстоянием между точками перегиба. Прослойки толщиной 0,1—0,2 L очень незначительно оказывают влияние на скорость счета. Поэтому для лучшего расчленения исследуемого массива по вертикали желательно применять плотномеры с меньшей базой.

3. НЕЙТРОННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ГРУНТОВ

Назначение и область применения

3.1.    Данный раздел устанавливает методику определения влажности грунтов радиометрическим способом по регистрации тепловых, надтепловых нейтронов или захватного у*излучения, а также по степени ослабления пучка быстрых нейтронов.

3.2.    Нейтронный метод определения влажности используется для измерения влажности грунтов в естественном залегании и насыпных грунтов (до глубины 20—30 м), контроля замачивания грунта, изучения режима влажности грунта и т. д.

Физическая сущность метода

3.3.    Измерение влажности нейтронным методом проводится радиометрическими приборами — датчиками, содержащими источник быстрых нейтронов и детектор, регистрирующий тепловые (надтепловые) нейтроны, или захватное у-нзлучение. либо то и другое вместе.

3.4.    При проведении измерений влажности пользуются функциональной связью между водородосодержанием среды, которое в основном зависит от влажности, и регистрируемой плотностью потока тепловых (надтепловых) нейтронов или захватного у-излучения.

3.5.    Метод основан на том, что быстрые нейтроны, испускаемые источником в окружающую прибор среду, испытывают соударения с ядрами химических элементов и рассеиваются, передавая им свою энергию. В результате многократных столкновений нейтроны замедляются до скорости теплового движения.

Основными параметрами, определяющими рассеяние и замедление быстрых нейтронов, являются сечения рассеяния и захвата, а также средняя логарифмическая потеря энергии.

«Рекомендации по использованию радиоизотопных методов для определения физико-механических свойств грунтов» разработаны НИИ оснований и подземных сооружений Госстроя СССР в соответствии с планом научно-исследовательских работ института.

В Рекомендациях изложены основные правила проведения радиометрических измерений плотности, влажности и абразивности грунтов, определения направления и скорости фильтрации, а также тарировки радиометрических приборов, оценки погрешностей измерения, обработки результатов непрерывной записи и рекомендуемая регистрирующая аппаратура.

Рекомендации предназначены для инженерно-технических работников научно-исследовательских и проектно-изыскательских институтов, строительных лабораторий, занимающихся исследованиями свойств грунтов.

Рекомендации составлены канд. техн. наук М. И. Смородиновым, инженерами А. Л. Морозовым и И. В. Лавровым.

3-2-4

План I кв. 1970 г.. № 17

ПРЕДИСЛОВИЕ

Устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений — сложные комплексы строительного производства, базирующиеся на достижениях механики грунтов, позволяющей достаточно точно учитывать деформации грунтовых оснований под действием внешней нагрузки. Сложность вопросов, изучаемых механикой грунтов, связана с тем, что грунт представляет собой дисперсную среду, в порах которой заключены вода и газ.

Грунтовое основание может быть слоистым, неоднородным, с переменным уровнем грунтовых вод. Деформация основания зависит от вида грунта, поэтому механика грунтов тесно связана с инженерной геологией и грунтоведением. Эти науки взаимно дополняют друг друга в области разработки полевых методов исследования грунтов для проектирования сооружений.

Изучение свойств, состава грунтов и изменчивости их в разрезе отложений можно удовлетворительно решить методами, позволяющими оценивать свойства грунтов в условиях их естественного залегания. В этой области признанным направлением изучения грунтов является использование ядерных излучений.

Применение радиоактивных изотопов и источников ядерных излучений при инженерно-геологических и гидрологических исследованиях, для контроля качества выполнения земляных работ и в научных исследованиях получило значительное развитие как в Советском Союзе, так и за рубежом.

Практика использования радиоактивных методов в строительстве показала, что они значительно ускоряют и удешевляют проведение исследований.

В настоящее время создан ряд установок и приборов (Всегин-гео, ВНИИГиМ, НИИ оснований и др ), позволяющих определять некоторые физические характеристики грунтов в естественном залегании.

Применение радиоизотопных методов совместно с другими методами исследований позволяет оценить в нолевых условиях прочностные и деформативные свойства грунтов.

Дирекция института

J.l. Настоящие Рекомендации распространяются на определение свойств грунтов, а также на изучение направления и скорости фильтрации грунтовых вод радиоизотопными методами при инженерно-геологических изысканиях, научных исследованиях и других работах.

1.2. При работе с радиоизотопными приборами следует выполнять требования «Санитарных правил работы с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений» ¹ и «Правила перевозки радиоактивных веществ» ². Персонал, занятый па выполнении работ, сдает экзамен по технике безопасности руководителю работ.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ГРУНТОВ Гаммаскопический метод Назначение и область применения

2.1.    Данный раздел устанавливает методику радиометрических измерений плотности грунтов путем просвечивания их пучком у-квантов.

2.2.    Гаммаскопический метод используется для послойного определения плотности грунтов до глубины 1,5 л в лабораторных и полевых условиях.

Физическая сущность метода

2.3.    Метод основан на ослаблении интенсивности пучка у-кван-тов при прохождении его через слой вещества в зависимости от плотности последнего.

2.4.    При прохождении через вещество у-кванты в основном взаимодействуют с электронами, передавая им всю или часть своей энергии. Для квантов с энергией 0,3—3 Мэе основное значение имеют два процесса: фотоэлектрическое поглощение и комптоновское рассеяние. При фотоэлектрическом поглощении происходит полное поглощение у-кванта атомом. При комптоновском рассеянии у-квант не исчезает, а только передает часть своей энергии электрону.

2.5.    Измерение плотности материалов производится по двум схемам, которые различаются по принципу регистрации узкого или широкого пучка у-лучей.

2.6.    При использовании узкого пучка регистрируются только у-кванты, не взаимодействовавшие со средой при прохождении их от источника до детектора (рис. 1). При широком пучке детектор регистрирует у-кванты, как не взаимодействующие со средой, так п испытавшие комптоновское рассеяние (рис. 2).

Конструктивные схемы датчиков

2.7. Конструктивные схемы датчиков (см. рис. 1 и 2) для определения плотности гаммаскопическим методом включают в себя источник излучения и детектор (газоразрядный или сцинтилляцион-ный счетчик у-квантов).

Рис. !. Схема определения плотности узким пучком уквантов

2.8. В качестве детекторов применяют различные типы счетчиков. Графическая зависимость эффективности газоразрядных и сцинтилляционных счетчиков от энергии у*^излучения приведена на рис. 3 к 4.

2.9.    В большинстве датчиков используются радиоактивные источники Со⁶⁰ (1,17 и 1,33 Мэе), Cs¹³⁷ (0,66 Мэе) и Ra²²⁶ (0,8 Мэе) активностью 1—5 мг-экв Ra. Применение источников большей активности не рекомендуется но условиям техники безопасности.

2.10.    При проведении измерений гаммаскоиическим методом применяют гри схемы:

а)    по схеме рис. 2, а производят измерение плотности грунтов на глубину до 1,5 м путем параллельного опускания или поднятия источника и детектора по высоте исследуемого слоя;

б)    схема на рис. 2, б применяется при определении плотности поверхностных слоев мощностью 20—60 см\

в) схема рис. 2, в обычно используется для лабораторных определений плотности образцов, монолитов, смесей, суспензий и т. д.

2.11. Измерения в узком пучке производят путем коллимации у-квантов. Коллимация осуществляется в основном двумя способами:

Рис. 4. Зависимость эффективности сцинтилляцион-ных счетчиков (кристалл Nal (Tl) от энергии у-кван-тов

/—кристалл 0 30X20 мм; 2— кристалл 0 40X40 мм: 3—кристалл размером 60X60 мм; 4— кристалл 0 80X80 мм; 5—кристалл 0 120X120 мм; 6— кристалл 0 200X200 мм

применением свинцовых коллиматоров (см. рис. 1) или сцинтилляцн-онного детектора, способного различать регистрируемое излучение по энергиям.

Методика проведения измерений

2.12. При использовании узкого пучка плотность определяют по формуле

(1)

In /₀//

М ’

где / — регистрируемая интенсивность при просвечивании слоя грунта в имп/мин\

/₀ — интенсивность, регистрируемая при отсутствии грунта (поглощающей среды), в имп/мин; d — толщина просвечиваемого слоя в см;

ц — массовый коэффициент ослабления у-излучения в грунте, зависящий от энергии излучения и химического состава среды.

Теоретические значения и для источника Со⁶⁰ ц=0,0562 см²/г\ для истЬчника Cs¹³⁷ р,—0,0773 см²/г.

2.13.    Использование метода узкого пучка на практике затруднено, так как требует использования громоздких коллимирующих систем (конструктивная коллимация), а также значительно уменьшает эффективность использования источника у-квантов. Применяется при необходимости тщательной дифференции изучаемого образца (монолита) по высоте. Длина коллимационного отверстия должна составлять не менее 5 диаметров при диаметре не более 1 см.

2.14.    В практике измерений чаще используют широкий или частично коллимированный пучок у-квантов. В этом случае детектор регистрирует не только первичные у-кванты, но и вторичные рассеянные. у лучи, пришедшие к детектору после одного или нескольких рассеяний, обладают энергией, меньшей, чем энергия первичного излучения. Таким образом, в общем случае детектор регистрирует определенный непрерывный спектр у-излучения. Характер спектра регистрируемого у-излучения зависит от расположения в среде источника по отношению к детектору, состава и физико-механических свойств рассеивающей и поглощающей среды, конструкции прибора и геометрии измерений.

In I₀/I л М

2.15.    При просвечивании широким пучком плотность определяется по формуле

Р =

(2)

где t) — коэффициент, учитывающий регистрацию рассеянного излучения (т]<1)-

Коэффициент г] получают экспериментально путем непосредственного измерения на средах определенной плотности. Величина его зависит от характера регистрируемого у-спектра. Последний зависит не только от перечисленных в п. 2.14 факторов, но и от массовой толщины поглощающего слоя (Г=д^). Особенно существенно изменение коэффициента г\ происходит при малых значениях 7*<30-т-40 г/см². При Г>60-4-70 г/см² этот коэффициент остается практически постоянным. Определение коэффициента г| следует производить при нескольких значениях Т (не менее 5—6).

2.16. При проведении измерений плотности широким пучком у-квантов слой, с которого снимается информация, составляет /+(4--8) см в зависимости от плотности, где / — длина катода детектора.

2.17. Значения р—у*^излУ^че,1ИЯ Со⁶⁰ и Cs¹³⁷ для основных породообразующих элементов приведены в табл. 1.

Массовые коэффициенты ослабления у-излучения для основных породообразующих элементов

Таблица 1 Э/.ементы

Источники Н,0 I Si i Al О Na Mg К Со80 1 0,0627|0,0560 ! 0,0546 0,05бб|о,0539 0,0559|o,0547 Cs**7 ! I 0,0845|0,0774 j0,0764 I 0,0771 0,0734 0,076 jo,0752

Коэффициент р для воды примерно на 11 % больше, чем для скелета грунта, так как электронная плотность водорода в два раза больше, чем для других элементов, слагающих грунты.

2.18. Если исследуемая среда состоит из твердой фазы (скелет грунта) и воды, закон ослабления пучка у^{квантов} принимает следующий вид:

/ = /_ое-^{(МгРг + м}в^рв^)</ ,    (3)

где Q_r — число граммов твердой фазы в 1 см³ (объемный вес твердой фазы грунта);

Qu — число граммов воды в 1 см³ (объемная влажность, выраженная в г!см³);

р_г, р_в — массовые коэффициенты ослабления для грунта и воды.

Логарифмируя, получим:

(МгРг + МвРв) — In ~j~ .

откуда

In /₀// Mr d

Рг

(4)

Р — Рг + Рв —

Для определения плотности грунтов с высокой точностью необходимо знать влажность.

Для узкого пучка выражение (4) примет вид

Р = '^1П '^о1! - -0,4 Рв    (5)

Mr d

или

In I₀/I Mr d

(6)

0,11 сорг,

р =

где о) — весовая влажность, равная

1

Санитарные правила работы с радиоактивными веществами н источниками ионизирующих излучений (N¹ 333—60). Госатомиздат, 1963.

2

Правила перевозки радиоактивных веществ (Хя 349—60). Гос-атомкздат, 1961.