Руководство по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергетическом строительстве (стр. 67 )

- градуировка с использованием эквивалентов влажности и плотности горных пород.

Полевая градуировка заключается в установлении зависимости между показаниями РИП при измерениях в условиях естественного залегания пород и значениями влажности и плотности этих же пород, полученными в результате отбора проб. Для этих целей на основе имеющейся информации или предварительного опробования выбирают участки, где предполагается встретить породы определенного литологического типа с требуемыми значениями влажности и плотности.

На выбранной площадке закладывают скважину, конструкция и оборудование которой идентичны конструкции скважины, используемой для радиоизотопных измерений влажности и плотности. Однородность участка по глубине оценивают по результатам измерения распределения интенсивности рассеянного нейтронного и гамма-излучения по скважине. На основе этих измерений выбирают интервалы по глубине не менее 0,5 м, в пределах которых интенсивность регистрируемого излучения составляет ~±5%. В середине каждого из выбранных горизонтов регистрируют показания прибора с заданной повторяемостью (как правило, не менее 5 раз). После измерений в непосредственной близости от скважины или вокруг нее отрывают шурф, по мере проходки которого из каждого выбранного горизонта отбирают пробы для определения влажности и плотности при помощи режущих колец. Для обеспечения эквивалентности показаний полевых радиоизотопных и лабораторных методов определения влажности и плотности пород число проб из каждого горизонта должно быть не менее 10, причем пробы отбирают из объема, соответствующего глубинности измерений данным прибором.

Для построения градуировочной зависимости используют не менее 5 значений влажности и плотности, равномерно перекрывающих требуемые диапазоны измерений. При этом погрешности определения лабораторными методами влажности и плотности сред, используемых для градуировки, должны быть по крайней мере в 3 раза меньше погрешности радиоизотопных измерений. Данный способ градуировки является весьма трудоемким из-за необходимости проходки шурфов, отбора проб и проведения большого числа анализов.

Лабораторную градуировку проводят с помощью образцовых мер (стандартных образцов) с известными значениями влажности и плотности и изготовленных в виде емкостей правильной (как правило, цилиндрической) формы с жесткими стенками, заполненных определенными материалами. Основные требования, предъявляемые к образцовым мерам, следующие:

1) макроскопические сечения и рассеяния, и поглощения нейтронов, и эффективные атомные номера материалов, используемые для приготовления стандартных образцов, должны быть близкими к сечениям для исследуемых горных пород;

2) размеры стандартных образцов должны обеспечивать условия, соответствующие измерениям в бесконечной среде;

3) комплект должен состоять не менее, чем из пяти стандартных образцов;

4) погрешность определения номинального значения свойства каждого образца не должна превышать заданную величину, устанавливаемую с учетом допустимых погрешностей радиоизотопных измерений этого свойства;

5) неоднородность по влажности и плотности в пределах стандартного образца не должна вносить при градуировке дополнительную погрешность, превышающую заданную величину;

6) стандартные образцы не должны изменять свои свойства в течение срока их эксплуатации.

Геометрические размеры модельных сред выбирают из условий

H ³ L + 2,5 h, D ³ d + 3h,

где H - высота модели; L - длина зонда; h - глубинность исследования, т. е. толщина рассеянной среды, из которой поступает на детектор 90% излучения относительно бесконечной среды; D - диаметр модели, d - внешний диаметр обсадной трубы.

В качестве материалов-заполнителей используют горные породы определенного химического и минерального составов, а также искусственные смеси, содержащие в определенных сочетаниях песок, глину и другие вещества с различной степенью увлажнения [144]. Число модельных сред с определенными значениями влажности и плотности, перекрывающими требуемый диапазон возможных изменений этих свойств, зависит от характера градуировочной зависимости и должно быть, как правило, не менее пяти. Использование стандартных образцов, изготовленных из материалов, близких по своему составу к горным породам, обеспечивает наиболее корректную с метрологической точки зрения градуировку РИП. Достоинством стандартных образцов является и то, что при обеспечении сохранности их свойств во времени они могут использоваться для градуировки многократно. Их недостатком является громоздкость и большая масса (~200 кг), а также трудоемкость изготовления, что ограничивает их использование. Поэтому стандартные образцы в первую очередь рекомендуется использовать в базовой геотехнической лаборатории для градуировки образцового прибора-компаратора и последующей калибровки эквивалентных мер для установления градуировочных характеристик РИП и контроля правильности результатов при выполнении особо точных и арбитражных измерений.

Для градуировки и проверки рабочих влагоплотномеров наиболее целесообразно использовать эквиваленты влажности и плотности горных пород, т. е. специальные устройства, позволяющие воспроизводить эффекты взаимодействия измерительных преобразователей РИП с горными породами. Устройства такого рода обеспечивают потоки нейтронного и гамма-излучения, соответствующие заданным значениям влажности и плотности. В основе устройств лежат следующие принципы:

а) введение поглотителей гамма-квантов и нейтронов различной толщины или плотности в пространстве между источником и детектором излучения;

б) изменение толщины рассеивающего слоя в пределах объема, из которого поступает радиоизотопная информация;

в) изменение расстояния между измерительным преобразователем влагоплотномера и рассеивающей средой;

г) введение специальных поглотителей нейтронов и гамма-квантов в рассеивающую среду;

д) изменение длины зонда;

е) использование источников излучения различной активности.

Пример такой градуировки приведен на рис. 3.2. Первоначально при помощи отградуированного независимым способом (например, стандартных образцов) влагоплотномера устанавливают соответствие между показаниями прибора Ii (i = 1, 2, ..., 6), полученными в этом устройстве, и эквивалентными значениями ri измеряемой характеристики. После этого устройство можно использовать как для градуировки других влагоплотномеров, так и для оперативного контроля сохранности полученных ранее градуировочных зависимостей. Новую градуировочную зависимость получают на основе показаний Ii градуируемого прибора в данном устройстве и полученных ранее эквивалентных значений измеряемой характеристики ri (рис. 3.2, б). Опыт показывает, что такой способ градуировки является в настоящее время наиболее простым и доступным. Важным достоинством эквивалентных мер является и то, что они позволяют проводить оперативный контроль градуировочных характеристик влагоплотномеров непосредственно в полевых условиях при минимальных затратах времени.

Рис. 3.2. Пример градуировки радиоизотопных влагоплотномеров при помощи эквивалентов

влажности и плотности. Градуировочный график, полученный на стандартных образцах (а)

и на эквивалентах (б)

Ii - интенсивность регистрируемого излучения для i-го (i = 1, 2, 3, ...) значения параметра pi.

4. Методика измерений плотности и влажности грунтов [144]

В зависимости от характера решаемых задач радиоизотопные влагоплотномеры могут быть использованы для разовых или режимных измерений. В первом варианте их применяют преимущественно для измерения распределений влажности и плотности горных пород по глубине и в плане для последующих расчетов плотности скелета, общей пористости и водонасыщенности. Непрерывные распределения этих свойств по глубине позволяют получать обобщенные показатели естественного состояния пород для отдельных участков разреза и площади.

Высокая производительность при рациональном выборе точек опробования позволяет давать характеристику естественного состояния наиболее распространенных петрографических типов пород в пределах каждого геолого-генетического комплекса, устанавливать общие закономерности изменения свойств пород исследуемого района. В режимном варианте радиоизотопные методы используют для изучения динамики процессов, происходящих в массиве горных пород в естественных условиях или при внешних воздействиях. При этом удается получать информацию о формировании влагозапаса в зоне аэрации о фильтрационных свойствах пород; изучать просадку грунтов, оценивать водоотдачу и изменение воднофизических и гидрогеологических свойств горных пород в процессе откачек. Режимный вариант радиоизотопных измерений характеризуется высокими технико-экономическими показателями по сравнению с другими методами, используемыми для решения тех же задач.

Как известно, радиоизотопные методы измерения влажности и плотности горных пород обладают минимальной погрешностью, при прочих равных условиях, когда для измерений используют скважины возможно малых диаметров, армированные тонкостенными трубами, изготовленными из легких материалов. Практически все известные отечественные и зарубежные влагоплотномеры имеют небольшие диаметры скважинных зондов (35-45 мм) и обеспечены градуировочными зависимостями применительно к скважинам диаметром 40-60 мм, армированным тонкостенными дюралюминиевыми и стальными трубами.

Погрешность измерений несущественно зависит от диаметра сухих скважин при низких значениях влажности, однако резко возрастает с увеличением диаметра для водонасыщенных пород. Если считать удовлетворительными результаты измерений с относительной погрешностью не более ±3%, то в сухих скважинах диаметром до 60 мм измерения возможны во всем диапазоне значений влажности. Для скважин диаметром до 100 мм диапазон измерений ограничивается сверху значениями влажности около 500 кг/м3, для скважин диаметром 135-450 мм - 450 кг/м3. Погрешность измерений в водозаполненных скважинах в несколько раз больше, чем в сухих. В целом можно считать, что измерения влажности в водозаполненных скважинах диаметром до 100 мм возможны при абсолютных значениях влажности, не превышающих 400 кг/м3.