Радиоизотопные методы

Радиоизотопные методы при исследованиях мерзлых грунтов в общем комплексе геофизических методов, как правило, применяют для определения плотности, объемной влажности и производных от этих величин показателей грунта, а также оценки содержания в нем глинистых частиц.

Радиоизотопные методы позволяют определять показатели свойств мерзлых грунтов в естественном залегании.

Плотность грунта определяют методами ослабленного и рассеянного первичного гамма-излучения.

Методы определения плотности g грунта основаны на эффекте рассеяния и ослабления гамма-излучения на электронах атомов вещества, из которого состоит грунт.

Метод ослабленного первичного гамма-излучения (метод просвечивания) заключается в измерении и регистрации плотности потока гамма-квантов N _g , прошедшего через исследуемый слой грунта между радиоизотопным источником и детектором гамма-излучения.

Метод рассеянного первичного гамма-излучения заключается в измерении и регистрации плотности потока гамма-квантов N _g , рассеянных при взаимодействии потока первичного гамма-излучения с грунтом.

Объемную влажность W_o грунта определяют методом рассеянного нейтронного излучения (нейтронный метод).

Метод основан на эффекте замедления быстрых нейтронов на атомах веществ (в основном атомов водорода), из которых состоит грунт и зависимости между водородосодержанием среды и влажностью грунта. Нейтронный метод определения объемной влажности заключается в регистрации потока замедленных (тепловых, надтепловых) нейтронов N_w .

Содержание глинистых частиц (глинистость) оценивается по потоку гамма-излучения исходящего из грунта. Метод основан на зависимости между содержанием радиоактивных элементов в грунте и содержанием в нем глинистых частиц.

Погрешность радиоизотопных измерений складывается из случайной и систематической составляющих, которые зависят от следующих факторов:

· аппаратурных (активность и энергетический спектр радиоизотопных источников, эффективность детекторов, взаимное расположение источника и детектора (база) и взаимовлияние различных излучений при одновременном определении плотности и влажности);

· скважинных (диаметр скважины, толщина стенки и материал обсадных труб, затрубные зазоры, уплотнения и каверны в грунте, обводненность скважины);

· грунтовых (химический состав, неоднородность грунта).

Инженерно-геологические элементы, используемые для поверки радиоизотопных приборов, должны быть мощностью не менее 1 м и иметь коэффициенты вариации: по плотности не более 0,025; по влажности в диапазоне значений: 2-10 % - 0,1; 10-20 % - 0,05; >20 % - 0,025.

Обработка результатов радиоизотопных измерений производится с целью определения действительных значений плотности g ,объемной влажности W_o и оценки вида грунта, а также их производных: плотности в сухом состоянии g _d , природной суммарной влажности W, степени влажности S_r , коэффициента пористости е и т.д.

Результаты радиоизотопных измерений представляют в виде диаграмм N _g = f ( h_i ); N_w = f ( h_i); N _{g e} = f ( h_i ), где h_i - глубина измерений (рис. ).

Пример определения физико-механических свойств мерзлого грунта по данным радиоизотопного каротада

1 - глинистый грунт с валунами - 20 %, с супесью, заполнитель до 40 % гнезда крупного и гравелистого песка, мерзлый, тонкокорковая криотекстура, при оттаивании водонасыщенный; 2 - песок гравелистый, мерзлый. Криотекстура массивная, при оттаивании водонасыщенный

На диаграммах выделяются вертикальные участки с одинаковыми значениями скоростей счета ( N _g , N_w , ), т.е. отклонения от среднего значения не должны превышать 5 % по измеряемому показателю. Затем по среднему значению N _g , N_w , присущему каждому выделенному слою, по градуировочным графикам N _g = f ( g ), N_w = f ( W _о ), определяют действительные значения g , W _о , и приписывают их выделенному слою. После расчленения всех диаграмм на слои и определения действительных значений плотности gи объемной влажности W_о вычисляют производные от этих величин.

Формулы вычисления производных:

· плотность в сухом состоянии (плотность скелета) грунта g _d:

g _d = g - ( W _о g _в )/100,

где g _в - плотность воды;

· суммарная (весовая) влажность ( W _с ):

W _с = ( W _о g _в )/(100 g _d ),

· пористость ( n ):

n = ( D - g _d )/ D ,

где D - плотность твердых частиц, принимаемая в зависимости от вида грунта;

· степень влажности S_r :

S_r = W _о / n ;

· коэффициент пористости е:

е = ( D - g _d )/ g _d .

Термометрия

Инженерно-геокриологические исследования, выполняемые на площадках проектируемых, строящихся и эксплуатируемых зданий и сооружений, а также на опытных площадках, предназначенных для стационарных наблюдений, должны включать измерения температуры мерзлых, промерзающих и оттаивающих грунтов.

Полевые измерения температуры выполняются в целях:

· получения данных для выбора типов фундаментов сооружений и выполнения расчетов при проектировании;

· получения конкретных значений температуры, используемых при интерпретации результатов геофизических исследований;

· оценки и прогноза устойчивости территорий освоения;

· контроля и оценки изменений, происходящих в тепловом режиме грунтов при осуществлении различных инженерных мероприятий.

Измерения температуры должны выполняться в заранее подготовленных и выстоянных скважинах. Для выполнения температурных измерений при геокриологических исследованиях в основном используются следующие виды измерительных преобразователей температуры: термометры расширения; термоэлектрические термометры; термометры сопротивления металлические и полупроводниковые; полупроводниковые приборы.

При подготовке и проведении термометрии необходимо выполнять работы по снижению суммарной погрешности измерений (инструментальной и дополнительной), обусловленной:

· недостаточной выстойкой скважин после бурения и обустройства;

· конвекцией воздуха в скважине;

· конденсацией влаги на стенках скважин;

· недостаточной выдержкой измерительного преобразователя в скважине;

· неточной установкой термометров по глубине скважины;

· неточностью определения момента фиксации температуры грунта;

· недостаточной изоляцией проводов линий связи дистанционных датчиков температуры;

· разогревом датчиков измерительным током.

Для измерения температуры грунтов следует использовать скважины диаметром не более 160 мм, глубиной более 10м пробуренные колонковым способом без промывки на малых оборотах бурового инструмента или ручным буровым комплектом. Не допускается использовать для измерения температуры грунтов скважины, заполненные водой, рассолом или другой жидкостью.

Скважина в пределах оттаивающего слоя грунта должна быть защищена обсадной трубой - кондуктором, заглубленным в вечномерзлый грунт не менее чем на 0,5 м.

Без обсадки разрешается использовать только сухие скважины с устойчивыми стенками.

Для инженерно-геокриологических исследований шаг измерения температуры в скважинах следует принимать: в пределах первых 3 м не более 0,5 м; до глубины 5 м - не более 1 м; ниже - не более 2 м.

При проведении режимных наблюдений на опытных площадках необходимо не нарушать растительный и снежный покров около скважин и на площадке в целом.

После окончания температурных измерений в полученные значения температур должны быть внесены инструментальные поправки, выявленные в результате поверки термодатчиков и измерительных приборов, и учтены дополнительные погрешности измерений, которые оцениваются расчетным или опытным путем применительно к конкретным условиям их проявления.

Результаты наблюдений за температурой грунтов оформляются в виде:

– сводной ведомости значений температуры грунтов, скорректированных с учетом инструментальных и дополнительных поправок;

– графика распределения температуры по глубине для одноразовых измерений температуры или графика термоизоплет – для длительных (режимных) наблюдений согласно приложению 5 ГОСТ 25358-82.

Графики изотерм следует, как правило, совмещать с геологическим разрезом, на котором показываются также границы раздела талых и мерзлых грунтов, полученные средствами инженерно-геологических и геофизических работ, с указанием даты проведения этих работ.