Страница 2: Методические рекомендации по применению радиоизотопных плотномеров для контроля уплотнения грунтов при строительстве автомобильных дорог (46150)

х) Кроме торфа.

хх) В диапазоне 50 - 100 об. %.

3. Штыревой гамма-плотномер ШГП

3.1. Гаммаскопический плотномер ШГП предназначен для определения объемной массы грунта верхнего слоя земляного полотна глубиной до 25 см. Прибор можно использовать как штыревой гамма-плотномер с градуировкой по переменной базе и с переменной глубиной зондирования. Штыревой блок ШГП может быть также использован в качестве приставки к поверхностному гамма-плотномеру ПГП-2.

3.2. ШГП с градуировкой по переменной базе состоит из контейнера со штырем диаметром 10 мм, в котором крепится изотоп (60Со), установочной платформы и диска-затвора (рис. 1).

Защитный контейнер представляет собой стальной корпус, внутри которого запрессована втулка, а снаружи навинчена стойка-трубка. Стойка-трубка служит направляющей для штыря, ограничивает его перемещение вверх и предохраняет от механических повреждений. Во втулке размешается наконечник штыря с источником гамма-излучения (60Co). Втулка в нижней части имеет расточку, в которую в транспортном (нерабочем положении вставляется затвор (диск-затвор), а при измерениях - дентрирующий выступ установочной платформы, служащий одновременно фильтром для очистки штыря от грунта.

Рис. 1. ШГП с градуировкой по переменной базе:

1 - контейнер со штырем; 2 - установочная платформа; 3 - диск-затвор; 4 - держатель

Защита оператора от излучения в верхней части полусферы обеспечивается слоем свинца, заполняющим пространство между втулкой и корпусом, а в нижней - слоем свинца затвора.

При измерениях контейнер ставят на выступ установочной платформы, а детектор вставляют в каретку. Каретка свободно перемещается по платформе в направляющих и закрепляется на них специальным зажимом.

На верхних поверхностях направляющих размещена шкала объемных масс грунта.

Штырь вдавливают в грунт и извлекают из него с помощью штанги, имеющей двойную рукоятку. Штанга и штырь соединены между собой шарниром, на который в процессе измерений надевают скользящую трубку, и штанга становится осевым продолжением штыря.

В нерабочем положении контейнер ставят на диск-затвор и скрепляют с ним с помощью байонетного соединения. Штангу в шарнирном соединении переламывают, благодаря чему фиксируется положение штыря и изотопа в контейнере.

3.3. Аппаратура для измерения объемной массы грунта (рис. 2) состоит из штыревого гамма-плотномера ШГП, радиометра СРП-68-01 со сцинтилляционным детектором и электронно-счетного частотомера ЧЗ-12.

ШГП служит для создания гамма-излучения на заданной глубине грунта и для отсчета по шкале измеряемой объемной массы. Детектор, расположенный на поверхности грунта, преобразует гамма-излучение в электрические импульсы, частота которых зависит от интенсивности гамма-квантов, попадающих в детектор. Пульт СРП из поступивших с детектора сигналов формирует стандартные электрические импульсы, которые подаются на вход частотомера за 10 или 100 с. Это время выдерживается автоматически с высокой точностью. Показания частотомера выдаются в виде светящихся цифр на табло. Экспозицию можно регулировать.

3.4. В процессе измерения добиваются заранее заданных показаний частотомера путем перемещения детектора относительно штыря. По положению детектора (по шкале) определяют объемную массу грунта (искомую).

С некоторым приближением, плотность грунта при просвечивании его широким пучком определяют по формуле

                                                       (1)

где  - плотность грунта, г/см3;

J0 - интенсивность излучений в воздухе, имп/мин;

Jгр - интенсивность излучения на выходе из слоя грунта (на поверхности), имп/мин;

 - коэффициент, учитывающий регистрацию рассеянного излучения ( < 1). Коэффициент  определяют экспериментально, путем непосредственного измерения на грунтах определенной плотности. Для значения K =   l  80 г/см2 и выше коэффициент  = const;

 - массовый коэффициент ослабления гамма-излучения в грунте, зависящий от энергии ионизирующего излучения и химического состава грунта, см2/г. Для изотопа 60Сo  = 0,0562 см2/г;

l - база, расстояние между изотопом и детектором, см.

При  т.е. каждому значению плотности будет соответствовать значение l. Таким образом, вдоль линии перемещения детектора может быть расположена шкала объемных масс грунта.

Правильность высказанных соображений подтверждена экспериментально.

3.5. Выполнение измерений штыревым гамма-плотномером ШГП. Для подготовки к измерениям следует подключить пульт СРП и частотомер к источнику питаниях), соединить кабелем выход пульта СРП с входом частотомера и установить детектор в держатель на корпусе плотномера (см. рис 2). Спустя минуту (время, необходимое для установления рабочего режима аппаратуры), измерить число импульсов за 10 с (их должно быть примерно 25600). Повторить измерения, найти среднее значение из трех показаний и разделить его на два. Полученное число (25809 : 2 = 12800) записать.

х) Питание осуществляется от аккумуляторной батареи напряжением 24 В и от преобразователя постоянного тока в переменный (типа ППТ-2).

На месте измерений объемной массы грунта подготовить с помощью скребка площадку размером 30´70 см, так чтобы скребок строго притирался к поверхности грунта. На подготовленную площадку положить установочную платформу с кареткой. Снять плотномер с диска-затвора и установить его на платформу. Зафиксировать шарнир штанги скользящей трубкой и вдавить штырь в грунт до отказах). Вставить детектор в каретку и закрепить ее зажимом. Снять показания частотомера за 10 с. Если полученные показания больше записанного числа, то каретку следует отодвинуть от плотномера, если же меньше - придвинуть. Необходимо добиться, чтобы показания частотомера были близки к контрольному числу (12800) с отклонением не более 100 единиц счета. Ориентировочно перемещение каретки на 1 мм соответствует изменению счета на 100 единиц. После получения нужных показаний следует прочесть значение измеренной объемной массы по шкале установочной платформы с учетом того, что цена малого деления шкалы составляет 0,02 г/см3. Время измерений объемной массы грунта в одной точке около 1 мин. По окончании измерений необходимо отключить питание, разъединить аппаратуру и привести ее в транспортное положение.

х) На мерзлых грунтах, тяжелых суглинках и глинах рекомендуется приготовить с помощью вспомогательного приспособления отверстие диаметром 10 мм для штыря.

Рис. 2. Комплект аппаратуры для измерений объемной массы грунта:

1 - ШГП; 2 - радиометр СРП-68-01; 3 - сцинтилляционный детектор; 4 - электронно-счетный частотомер ЧЗ-12

3.6. Использование ШГП для зондирования по глубине. ШГП можно применить также и для оценки распределения объемной массы грунта по глубине. В этом случае детектор закрепляют неподвижно в одной точке шкалы с помощью зажима. Расстояние между осями штыря и детектора 316 мм; оно отмечено на шкале контрольной риской. Для этого режима получены три градуировочные кривые (рис. 3), соответствующие погружению штыря на выбранные глубины: 24, 18, 12 см. Конструктивно это достигается применением упоров под головку штанги. Из рис. 3 следует, что крутизна кривых всех трех глубин практически сохраняется и позволяет определять значения объемной массы до 2,3 г/см3 с точностью отсчета ?? 0,03 г/см3.

Значения скоростей счета Nгр, Nкту получены по частотомеру ЧЗ-12 как средние из 3 - 6 отсчетов за 10 с. Объемную массу rм задавали настройкой модели грунта. Время отсчитывали электронным таймером частотомера.

3.7. Применение ШГП совместно с ПГП-2. При работе с ПГП-2 результаты получают непосредственно на месте измерения. При этом не требуется нарушать структуру грунта и извлекать из него образцы. Однако ПГП-2 позволяет проводить измерения только в поверхностном слое грунта толщиной до 10 - 15 см. Кроме того, на конечные результаты измерений существенно влияет зазор между подошвой плотномера и грунтом, а также деформация грунта, возникающая из-за прижима гамма-плотномера к контрольной поверхности. Погрешность измерений, по данным завода-изготовителя, составляет 0,1 г/см3. Отмеченные недостатки ПГП-2 можно устранить, если добавить в комплект ПГП-2 ШГП в виде штыревой приставки (рис. 4), что увеличит глубину контролируемого слоя грунта до 25 см.

Устройство приставки отличается от описанного выше ШГП тем, что платформу с кареткой заменяют алюминиевым шаблоном, на котором смонтирован цилиндрический фильтр, а на контейнере вместо держателя детектора устанавливают диск с круговой номограммой плотности грунта. Шаблон позволяет точно фиксировать взаимное расположение приставки и ПГП-2 во время измерений. Предусмотрена возможность вращения шаблона вокруг штыря приставки, что позволяет при одной установке комбинированного плотномера проводить несколько измерений.

Рис. 3. Градуировочные кривые гамма-плотномера со сцинтилляционным детектором для глубины зондирования 24, 18, 12 см

Рис. 4. Комплект ПГП-2 со штыревой приставкой (а)

1 - ШГП; 2 - ПГП-2; 3 - шаблон; 4 - круговая номограмма плотности грунта (б)

3.8. Градуирование ПГП-2 со штыревой приставкой проводили на модели грунта и на образцах со средней плотностью 1,4 - 2,09 г/см3, тщательно приготовленных в формах размером 505070 см. Испытания проводили (в соответствии с инструкцией по эксплуатации ПГП-2) со штыревой приставкой и без нее. Показания регистрировали за 3 мин со среднеквадратической относительной погрешностью 1 - 1,5 %.

Результаты испытаний приведены на рис. 5, из которого видно, что крутизна кривой 1, полученной при работе ПГП-2 со штыревой приставкой, значительно больше крутизны кривой 2 - для ПГП-2 без приставки. Из этого следует, что ПГП-2 со штыревой приставкой более восприимчив к изменению плотности грунта и, следовательно, дает меньшие погрешности.

На основании оценки результатов испытаний (см. рис. 5) получено, что максимальная среднеквадратическая погрешность измерения плотности для ПГП-2 составляет 0,08 г/см3, а погрешность для ПГП-2 со штыревой приставкой 0,01 - 0,02 г/см3.

Pиc. 5. Измерение скорости счетa в зависимости от плотности грунта:

1 - при работе ПГП-2 со штыревой приставкой; 2 - без приставки

3.9. Круговая номограмма плотности устраняет необходимость вспомогательных вычислений и использования градуировочного графика, что значительно упрощает получение результатов измерений. Номограмма представляет собой круг с внешней шкалой скоростей счета за 3 мин и внутренней шкалой объемной массы в г/см3. Показание скорости счета за 3 мин в контрольно-транспортном устройстве по внешней шкале выставляется против индекса на ободке круга. Разрез на кольце выводится на красный индекс внутренней шкалы объемной массы. Затем показание скорости счета за 3 мин в грунте по внешней шкале ставится против индекса на ободке круга, после чего производится считывание на шкале объемной массы по разрезу.

3.10. Метод градуировки гамма-плотномера с помощью модели грунта. Для градуировки и поверки радиоизотопных плотномеров нужны крупногабаритные образцы грунтов, имеющие постоянную объемную массу и сохраняющие ее продолжительное время. Для диапазона значений плотности грунтов от 1,4 - 2,3 г/см3 требуется 5 - 6 таких образцов. Габариты образцов должны исключать влияние границ на показания приборов. Образцы аттестуют на плотность, однородность, влажность, химический состав компонентов грунта и их стабильность во времени.

Приготовление и хранение образцов связано с большими трудностями. Поэтому в Ленинградском филиале Союздорнии была разработана и исследована алюминиевая модель грунта, позволяющая градуировать и проверять гамма-плотномер.

Модель грунта (рис. 6) представляет собой пакет из листов алюминия, разделенных прокладками, создающими воздушные прослойки. Положение пластин по высоте фиксируют стяжками. Модель грунта монтируют на плоском основании путем нанизывания алюминиевых пластин на контрольный стержень. В результате такого монтажа образуется отверстие для штыря плотномера. Между каждой парой пластин вставляют прокладки расчетной толщины. Модель грунта предохраняют от атмосферных влияний. Основными достоинствами модели являются простота изготовления, устойчивость настройки на заданную объемную массу и равномерное распределение плотности по ее глубине. Модель может имитировать объемную массу грунта в широких пределах до значения плотности алюминия (а  2,7 г/см3), причем значение объемной массы можно неоднократно воспроизводить.

Расчетную объемную массу определяют по формуле

                                                          (2)

где м - объемная масса модели, г/см3;

а - плотность алюминия, г/см3;

а - толщина листа алюминия, мм;

в - толщина прокладки (воздушный зазор между пластинами), мм.

При сборке модели для точности ее настройки необходимо:

а) проверить опытным путем плотность алюминиевых листов с погрешностью не более 0,05 г/см3;

б) определить толщину листов и прокладок с погрешностью не более 0,01 мм;

в) определить общую высоту модели с погрешностью, не превышающей 0,5 мм.

Рис. 6. ШГП на модели грунта:

1 - модель грунта; 2 - ШГП; 3 - детектор

При соблюдении этих условий относительная погрешность воспроизведения расчетной объемной массы на модели грунта не превысит 0,5 %. В табл. 2 приведены расчетные данные настройки модели грунта в пределах значений объемной массы от 1,34 до 2,3 г/см3.

Таблица 2