ГлавнаяКонтрольные посты и полевые лаборатории работают под общим руководством центральной лаборатории. Центральная лаборатория, кроме методического руководства и контроля за деятельностью подведомственных лабораторий и постов, заранее определяет оптимальную влажность и максимальную стандартную плотность характерных грунтов в резервах или карьерах, устанавливает рациональный режим работы уплотняющих машин, а также осуществляет общий контроль за определением плотности грунта в земляном полотне.
Качество уплотнения определяют сравнением полученных значений плотности скелета грунта с теми значениями, которые соответствуют требуемой плотности. Качество уплотнения считают отличным, если 90% образцов имеют коэффициент уплотнения грунта земляного полотна не ниже требуемых значений, а 10% образцов показали отклонение в сторону понижения не более 0,02; хорошим, если у 90% образцов коэффициент уплотнения грунта не ниже требуемых, у 5% образцов отклонение в сторону понижения не превышает 0,02 и у 5% образцов отклонение не превышает 0,04. Уплотнение полагают удовлетворительным, если у 90% испытанных образцов коэффициенты уплотнения грунта не ниже требуемых, а у 10% образцов отклонение в сторону понижения не превышает 0,04.
Количество определений плотности грунта назначают в зависимости от ширины уплотняемого слоя, его толщины и высоты насыпи. В слоях, имеющих ширину менее 20 м, выполняют три измерения плотности на каждом поперечнике — одно по оси проезжей части и два на обочинах на расстоянии 1,5—2 м от бровки. В слоях с шириной, превышающей 20 м, делают не менее пяти измерений плотности на одном поперечнике — по оси насыпи, в 2 м от бровки и между этими точками. Поперечники располагают при насыпях высотой до 3 м через 200 м, а при высоте насыпи более 3 м — через 50 м. Кроме того, плотность измеряют над трубами, в конусах и в местах сопряжений с мостовыми сооружениями. Плотности определяют в середине уплотненного слоя при его толщине до 30 см, а при большей толщине слоя делают два измерения по глубине. Таким образом, необходимое на 1 км земляного полотна число контрольных измерений может колебаться от 15 до 200. Практика показывает, что для того, чтобы в 90% случаев плотность была не ниже требуемой, должно быть проведено большое число измерений. Для сокращения их числа можно использовать метод математической статистики.
Качество уплотнения земляного полотна па основе небольшой выборки контрольных измерений (до 25—30) оценивают сопоставлением среднего значения коэффициента уплотнения с требуемым. При этом должно быть выполнено условие, чтобы К≥Ктр.
Доля дефекта в выборке оценивается по кривым распределения Стьюдента (рис. 110) с помощью нормированного отклонения t:
где К = 1/n n∑i=1 Ki — среднее значение коэффициента уплотнения;
Кmin=Kтр-Δ — нижний предел допускаемого коэффициента уплотнения; Δ — допустимая величина отклонения в сторону понижения требуемого коэффициента уплотнения (Δ=0,02—0,04); S=√n∑i=1 (Ki-K)2/n-1 — стандартное отклонение относительно среднего значения коэффициента уплотнения К; Ki — случайные значения коэффициента уплотнения; n — число контрольных измерений.
По рис. 110 определяют в процентах число контрольных измерений, соответствующих, коэффициенту уплотнения ниже требуемого. Если это число не превышает допустимое, то качество уплотнения земляного полотна соответствует заданному уровню.
В противном случае процесс уплотнения необходима продолжать.
Выполнение большого количества контрольных измерений (100 и более) часто связано с большими трудностями.
В этом случае имеется возможность, используя математический метод последовательного анализа, несколько снизить трудоемкость контроля. Согласно этому методу после каждого измерения плотности контрольные измерения возможно прекратить, если окажется, что случайное значение коэффициента уплотнения Ki≥Kпp, где Kпр — приемочный уровень качества уплотнения земляного полотна, т. е. земляное полотно уплотнено до требуемой плотности, или Ki≤Kбр, где Kбр — браковочный уровень уплотнения, что указывает на недостаточное уплотнение грунта.
Контрольные измерения необходимо продолжать, если данные измерений плотности грунтов не позволяют установить качество уплотнения земляного полотна, т. е. имеет место условие Кбр≤Ki≤Kпр; Кпр и Кбр определяют из следующих выражений:
где α=1—рi — вероятность соблюдения условия Ki≥Kтр; р1=0,9; β=1—р2 — вероятность условия Кi≥Kmin; з2=0,99.
Математические принципы контроля качества уплотнения грунтов земляного полотна основаны на законе нормального распределения. Поэтому при их применении нужно исходить из реального факта вариации плотности.
Одним из преимуществ статистического подхода к контролю качества является возможность сокращения числа контрольных измерений плотности грунтов при обеспечении заданной надежности получаемых результатов.
Для контрольного измерения плотности грунтов земляного полотна используют методы, основанные на отборе образцов, и методы, позволяющие вести измерения без нарушения естественной структуры уплотненного слоя грунта.
Наиболее распространен в настоящее время метод определения плотности скелета грунта с помощью стального кольца объемом около 500 см3. При отборе проб кольцо ставят режущим краем на зачищенную поверхность и постепенно через специальное приспособление вдавливают в грунт. Затем извлекают кольцо с грунтом, зачищают его с верхней и нижней сторон и взвешивают, по результатам взвешивания находят плотность.
Метод парафинирования применяют преимущественно в зимних условиях. При этом из уплотненного слоя грунта вырубают монолит объемом не менее 200—300 см3, который взвешивают, затем его парафинируют и снова взвешивают. Объем запарафинированного образца определяют в мерном цилиндре с водой.
На принципе гидростатического взвешивания основан также влагомер-плотномер Ковалева.
Метод режущего кольца прост и достаточно точен, однако он очень трудоемок. Если объемную массу влажного грунта можно определить сразу же после отбора образцов, то получение данных о его влажности, без которых невозможно найти плотность скелета, требует значительного времени. Этот недостаток метода значительно снижает оперативность контроля.
Применение радиационных методов значительно облегчает контроль плотности грунтов земляного полотна, так как обеспечивает возможность одновременного определения объемной массы и влажности грунта в предельно короткий срок. При радиационном контроле используют два метода: гаммаскопический, основанный на поглощении гамма-излучения, и метод рассеянного гамма-излучения.
При гаммаскопическом методе грунт, заключенный между источником и детектором излучения, просвечивают широким пучком гамма-квантов. В этом случае детектором регистрируется как прямое, так и рассеянное излучение. При методе рассеяния гамма-излучения детектор и источник разделены свинцовым экраном, поглощающим прямое излучение, и регистрируется только рассеянное гамма-излучение. Величина регистрируемого гамма-излучения зависит от плотности грунта, активности источника ядерного излучения, а также от длины базы между источником и детектором. Поэтому однозначную зависимость между интенсивностью гамма-излучения и плотностью грунта получают лишь при вполне определенных параметрах радиоизотопных приборов путем их тщательной калибровки.
Метод рассеянного гамма-излучения применим для определения плотности очень тонких (5—15 см) поверхностных слоев грунта при расположении источника и детектора на его поверхности. Толщина слоя грунта, плотность которого определяют поверхностным гамма-плотномером, работающим по принципу рассеяния излучения, зависит от степени уплотнения грунта, от базы гамма-плотномера, а также энергии гамма-квантов. Так, если в качестве источника гамма-излучения применен Со-60, глубина исследования грунта колеблется в зависимости от плотности от 10 до 15 см, а при применении Cs-137 — от 5 до 8 см.
Поверхностные гамма-плотномеры, использующие принцип регистрации рассеянного излучения, не требуют нарушения структуры грунта. Однако на точность в большой мере влияет наличие даже весьма малой воздушной прослойки между прибором и грунтом, что всегда возможно из-за неровности поверхности. Поэтому для получения достоверных результатов измерений нужно тщательно выравнивать поверхность грунта или засыпать неровности песком.
Метод рассеяния гамма-излучения может быть использован также для определения плотности более глубоких слоев грунта. В этом случае измерения проводят в скважинах.
В России на основе метода рассеяния гамма-излучения налажено серийное производство двух типов радиоизотопных приборов: поверхностного гамма-плотномера ПГП-2 (рис. 111) и глубинного гамма-плотномера ГГП-2. Эти приборы состоят из двух функциональных блоков: пересчетного устройства 5 типа ПМ-2 с декатронным индикатором и электромеханическим счетчиком и блока детектирования, состоящего из эталона-контейнера 2 и зонда, в котором размещены цезиевый источник гамма-излучения 1, экран-разделитель 3 из свинца и комплект газоразрядных счетчиков СБМ-20 (детекторов) 4. Принцип работы этих приборов основан на том, что зонд, установленный на поверхность грунта или введенный в скважину, армированную обсадной трубой, реагирует на интенсивность рассеянного ядерного излучения и пропорционально ему вырабатывает импульсы. Электрические импульсы через соединительный кабель поступают в пересчетное устройство и вызывают последовательное срабатывание пересчетиых тригерных ячеек, запускающих электромеханический счетчик. Показания электромеханического счетчика являются исходными данными для определения плотности влажного грунта по калибровочной зависимости.
Устроенные по такому принципу приборы применяют для определения плотности поверхностных слоев грунта до глубины 0,5 м. При этом применяются штыревые гамма-плотномеры, у которых источник гамма-излучения, помещенный на конце штыря, заглубляют в грунт, а детектор размещают на его поверхности (рис. 112).
Измерения на основе гаммаскопического метода могут также проводиться и в более глубоких слоях грунта. В этом случае используют две скважины, параллельные между собой, в одну из которых помещают источник ядерных излучений, а в другую — детектор.
В России гаммаскопический метод определения плотности и влажности грунта применяют с 1955 г. Для просвечивания поверхностного слоя грунта горизонтальным пучком гамма-квантов разработан гамма-плотномер типа «вилки», состоящий из двух параллельных полых стержней, на конце одного из которых помещен источник гамма-излучения, а внутри другого — детектор. При определении объемной плотности вилку вдавливают в грунт на глубину до 20 см и по стрелочному индикатору отсчитывают среднюю интенсивность гамма-излучения на выходе просвечиваемого слоя. Недостатком этого прибора являются искажения результатов измерения ввиду локального уплотнения грунта вокруг полых стержней.
Поэтому распространение получает способ просвечивания поверхностного слоя грунта снизу вверх с помощью вводимого в грунт штыря, в нижнем конце которого размещают источник гамма-излучения, а на поверхности грунта — детектор.
В России по этому способу работает модернизированный гамма-плотномер ПГП-1М. В датчике детектирования этого прибора размещены свинцовый полусферический контейнер, в котором находится стержень с источником Cs-137, блок, состоящий из восьми газоразрядных счетчиков СТС-5, и свинцовый экран-разделитель. Для регистрации уже ослабленного грунтом интенсивности гамма-излучения служит пересчетное устройство типа М-30М, собранное на тиратронах с выходным электромеханическим счетчиком. Гаммаскопическим плотномером ПГП-1М можно просвечивать слой грунта толщиной до 30 см. Плотность влажного грунта находят по калибровочным зависимостям. Для проведения одного измерения гаммаскопическим плотномером требуется около 5—6 мин.
Из зарубежных конструкций наибольший интерес представляют французские гамма-плотномеры серии R, которыми можно измерять плотность влажного грунта до глубины 50 см. Стержневые гамма-плотномеры типа R (см. рис. 112, а) состоят из унифицированной платформы 3 с двумя детекторами Гейгера—Мюллера 2 и свинцового контейнера 4, имеющего вертикальный канал, в котором находится подвижной стержень с источником 1 гамма-излучения Cs-137. Интенсивность излучения, прошедшего от источника к детектору через толщу грунта, регистрируют электронным импульсным гаммасчетчиком 5.
В Ленинградском филиале Союздорнии ведутся работы по совершенствованию стержневых гаммаскопических плотномеров. Один из возможных вариантов конструктивного решения гамма-плотномера приведен на рис. 112, б. Этот прибор, как и ПГП-1М, состоит из свинцового полусферического контейнера 4, в корпусе которого укреплена полая стойка, являющаяся направляющей стержня при его вдавливании в грунт на глубину 30 см и ограничивающая его перемещение вверх. На нижнем конце стального стержня укреплен источник 1 гамма-излучения Со-60 активностью 4 мК (милликюри). Верхняя часть стержня снабжена Т-образной рукояткой, предназначенной для переноски контейнера, вдавливания стержня в грунт и извлечения его из грунта после проведения измерений. В основании контейнера имеется специальный затвор, который с помощью наружного рычага открывает вертикальный канал контейнера перед погружением стержня в грунт и закрывает его после подъема стержня в контейнер. К стойке контейнера прикреплен держатель стакана детектора.
В качестве регистратора интенсивности гамма-излучения применен радиометр 5 типа СРП-2 со стрелочным индикатором. В комплект радиометра входит сцинтилляционный детектор 6, состоящий из фотоумножителя ФЭУ-35 и монокристалла NaI, активированный таллием.
Дополнительное оборудование гаммаскопического плотномера состоит из платформы 3 со скребком для выравнивания поверхности грунта. Платформа служит также опорой кондуктора с перфоратором для введения в твердый и мерзлый грунты, чтобы сформировать скважину для стержня. При измерении платформу устанавливают на выровненную поверхность грунта. После завершения измерений в грунте проводят контрольные измерения в воздухе для проверки стабильности работы радиометра.
Продолжительность разового измерения без учета времени, необходимого на выравнивание поверхности грунта и установку плотномера, составляет 20—30 с, что примерно в 10 раз быстрее аналогичных измерений, проводимых гамма-плотномерами типа ПГП-2, ГГП-2 и R.
Погрешность определения плотности грунтов гамма-плотномерами, в том числе и гаммаскопическими, обусловлена статистическими колебаниями, т. е. флуктуацией распада радиоактивного изотопа, приближенным характером калибровочной зависимости и технологическими факторами.
При работе с импульсным пересчетным устройством относительная стандартная погрешность измерения интенсивности гамма-излучения из-за флуктуации распада радиоактивного изотопа составляет около 1%, т. е. точность измерения достаточно высока. Погрешности технологического характера связаны главным образом с наличием зазора между датчиком детектирования плотномера и поверхностью грунта. Даже небольшой зазор между датчиком и поверхностью грунта повышает показания гамма-плотномеров. Наибольшее влияние зазора проявляется при определении плотности грунта методом рассеяния гамма-излучения, когда источник и детектор излучения расположены на поверхности грунта. По мере заглубления источника в грунт влияние зазора на показания гамма-плотномеров заметно уменьшается, т. е. гаммаскопические плотномеры, по сравнению с гамма-плотномерами, работающими по принципу рассеяния излучения, менее чувствительны к наличию зазора, хотя и для них, чтобы уменьшить погрешность, следует тщательно выравнивать поверхность уплотняемого слоя грунта.
Поверхностные гамма-плотномеры, работающие по гаммаскопическому методу, более удобны для текущего контроля плотности насыпных грунтов. Эти приборы позволяют контролировать плотность слоя грунта толщиной, соответствующей длине штыря, и имеют достаточно высокую точность измерения, так как погрешность составляет не более 2%. Однако недостатком приборов данного типа является необходимость вдавливания штырей а грунт, что заметно усложняет процесс измерения.
Гамма-плотномерами определяют плотность влажного грунта. Чтобы получить значение плотности скелета, необходимо измерить влажность грунта. Это можно сделать нейтронным методом.
Нейтронное измерение влажности грунтов основано на замедлении быстрых нейтронов, источниками которых служат Po+Be, Pu+Be и Ra+Be. Замедление происходит в результате рассеяния нейтронов на ядрах атомов химических элементов грунта. Быстрые нейтроны слабо взаимодействуют с основными минералами грунтов. Исключение составляют ядра атомов водорода, масса которых близка по своей величине к массе нейтрона. Так как водород в грунтах содержится преимущественно в молекулах воды, то, основываясь на этом, устанавливают зависимость между интенсивностью замедленных, т. е. тепловых нейтронов, и объемной влажностью грунта. Нейтроны, потерявшие скорость до уровня, соответствующего тепловой энергии, диффундируют в грунте до тех пор, пока они не будут захвачены ядрами водорода. Этот процесс обычно сопровождается гамма-излучением, который и регистрируется.
Для измерения объемной влажности грунтов применяют нейтронный индикатор влажности (рис. 113). Прибор состоит из зонда, контрольно-транспортного устройства и регистратора импульсов.
Зонд нейтронного индикатора представляет собой патрон, вставленный в стакан. В патроне зонда размещается детектор, состоящий из комплекта четырех газоразрядных счетчиков 3 и свинцового экрана-разделителя 2. В дно стакана вмонтирован источник 1 быстрых нейтронов, которым служит плутоний — бериллиевый препарат активностью 10в5 нейтр/с. Измерение интенсивности медленных нейтронов производят по захватному гамма-излучению.
Контрольно-транспортное устройство является одновременно контейнером 4 для хранения источника быстрых нейтронов и эталонной средой. Регистратором импульсов служит пересчетное устройство 5.
Нейтронный влагомер применяется как для глубинных, так и поверхностных измерений объемной влажности грунтов. Конструкции влагохмеров для глубинного и поверхностного измерения аналогичны. Вместе с тем принцип работы поверхностного влагомера основан на регистрации интенсивности медленных нейтронов бор-фтористым счетчиком.
Погрешность измерения объемной влажности грунтов обусловлена теми же факторами, которые определяют точность гамма-плотномеров, однако чувствительность нейтронных влагомеров зависит также от величины объемной влажности и с ее повышением падает. Это влияет на погрешность измерения, абсолютная величина которой при влажности грунта 10% составляет около ±1%, а при влажности 20—30% колеблется в пределах 1,5±2%.
Итак, при радиационном контроле степени уплотнения грунтов необходимо иметь два радиоизотопных прибора: гамма-плотномер и нейтронный влагомер. Чтобы сократить потери времени на оценку объемной влажности и объемной массы влажного грунта, в некоторых зарубежных странах осваивают комбинированное устройство для определения обеих характеристик одним прибором. Так, разработанный в Англии влагомер-плотномер (рис. 114, а) содержит в одном корпусе два источника ядерного излучения и два детектора. Объемную влажность поверхностного слоя грунта определяют до глубины около 15 см путем регистрации интенсивности тепловых нейтронов. Прибор снабжен также стержнем. В нижней части которого размещается источник гамма-излучения. Объемную массу влажного грунта определяют гаммаскопическим методом путем внедрения стержня в грунт и просвечивания его гамма-излучением. Детектирование гамма-излучения осуществляют газоразрядным счетчиком Гейгера, расположенным на поверхности грунта. Оба детектора соединены с пересчетным устройством.
Имеются также конструкции влагомеров-плотномероь, снабженных радиево-бериллиевым источником (рис. 114, б). Особенность этого источника состоит в том, что он одновременно испускает и гамма- и нейтронное излучение, которое соответственно регистрируется счетчиками Гейгера и борными детекторами. Можно ожидать, что применение таких комбинированных приборов (влагомеров-плотномеров) позволит упростить и удешевить радиационный контроль качества уплотнения земляного полотна.
Радиационный контроль пригоден для оценки качества уплотнения всех разновидностей грунтов, кроме крупнообломочных. В настоящее время в России и за рубежом для контроля качества уплотнения крупнообломочных грунтов применяют метод пробного динамического загружения грунта через жесткий штамп и метод лунок с замещением объема вынутого грунта одномерным песком или водой с использованием резинового мешка.
В разработанной Союздорнии установке динамического нагружения (рис. 115, а) усилие создается энергией падающего груза. Чтобы длительность нагружения соответствовала времени воздействия, возникающего при проезде автомобиля, груз сбрасывается на пружину, которая передает усилие на уплотняемую поверхность через штамп. Установка монтируется на автомобиле ЗИЛ-130. Масса падающего груза равна 39 кг, высота падения — 80 см. Параметры упругого амортизатора обеспечивают динамическое усилие около 710 кгс, а продолжительность действия нагрузки достигает 0,08 с. Штампы имеют площади — 700 и 1400 см2. Нагрузка прикладывается многократно до 20—25 раз. Остаточные деформации — осадки штампа регистрируются индикатором или ручным вибрографом.
Величина деформации осадки штампа, накопленной в процессе многократного воздействия динамической нагрузки, является исходной величиной степени уплотнения. Уплотнение считается достаточным, если в процессе динамических многократных нагружений остаточная деформация осадки штампа для верхнего слоя крупнообломочных грунтов не превышает 0,004 dшт (где dшт — диаметр штампа) и 0,006 dшт — для остальной части насыпи. При этом толщина уплотняемого слоя грунта не должна превышать диаметра штампа.
При содержании в грунте включений гравелистых частиц, щебенки, мерзлых комьев, а также при возведении насыпей из крупнообломочных грунтов контроль за степенью уплотнения осуществляют методом засыпки лунок сухим песком. Однако этот метод весьма трудоемок и имеет ряд недостатков. В частности, на конечный результат влияют такие факторы, как крупность песка, высота и скорость засыпки лунки песком и др. Чтобы повысить точность измерения объема лунки, во Франции и в других странах пользуются денситометром. Последний снабжен резиновым мешком, в который нагнетается вода из мерного сосуда. Мешок заполняет лунку, достаточно плотно прилегая к ее стенкам. Объем лунки определяют по расходу воды.
Аналогичный прибор, рассчитанный уже на контроль плотности земляного полотна, возводимого из крупнообломочных пород, разработан в Ленинградском филиале Союздорнии М. П. Костельовым (рис. 115, б). Он состоит из прозрачного цилиндра, изготовленного из оргстекла. К нижнему дну (диску) цилиндра прикреплена диафрагма — мембрана, которая растягивается под давлением воды и занимает объем лунки. На верхнем диске установлена труба для подачи насосом воздуха и заливки воды в цилиндр, а также расположен манометр для измерения воздуха, вытесняющего воду из цилиндра в полость резиновой диафрагмы. Плотномер имеет также кольцо-кондуктор с внутренним диаметром 18,6 см, которое устанавливают на грунт и фиксируют штырями. Для определения влажности необходимо высушить грунт, взятый из лунки.