Методика измерений плотности и влажности грунтов [144]

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.

Результаты расчета абсолютной средней квадратической погрешности измерения плотности прибором УР-70 в зависимости от ее абсолютных значений приведены на рис. 3.3. Увеличение диаметра скважин от 50 до 100 мм сопровождается увеличением погрешности измерений более чем в 2 раза. При дальнейшем увеличении диаметра скважин наблюдается снижение погрешности измерений в области больших значений при резком возрастании погрешностей в области малых значений плотности. Это обусловлено тем, что точка инверсии зависимости интенсивности рассеянного гамма-излучения от плотности с увеличением диаметра скважин смещается в область более высоких значений. Сделанные выводы, по-видимому, можно распространить и на другие типы радиоизотопных влагоплотномеров в силу несущественных различий параметров первичных измерительных преобразователей этих приборов.

Рис. 3.3. Зависимость средней квадратической абсолютной погрешности измерения плотности  () от ее абсолютных значений для сухих (а) и водозаполненных (б) скважин различного диаметра
В процессе радиоизотопных исследований в различных гидрогеологических и инженерно-геологических скважинах установлено, что градуировочные зависимости влагоплотномера для таких скважин, получаемые в лабораторных условиях на модельных средах с известной влажностью и объемной массой, обычно не обеспечивают на практике требуемой точности результатов измерений. Это связано с тем, что в лабораторных условиях практически невозможно смоделировать реальные условия прискважинной зоны. Поэтому градуировку приборов для заданных конструкций скважин целесообразно осуществлять на основе сопоставления радиоизотопной информации с результатами опробования традиционными методами опорных скважин, проходка которых осуществляется с отбором керна. Тем не менее, при использовании скважин общего назначения для радиоизотопных измерений в некоторых случаях удается получить лишь качественную информацию о строении массива и свойствах слагающих его пород. Как правило, это происходит, когда:

- диаметр бурения скважин превышает наружный диаметр обсадной трубы более чем на 30 мм;

- проходка скважины осуществляется с промывкой;

- скважина имеет двойную обсадку или гравийную обсыпку.

В этих случаях для получения количественной информации необходимо применять двухзондовые модификации аппаратуры радиоактивного каротажа, обладающие большей глубинностью и меньшей чувствительностью к влиянию прискважинной зоны.

В отличие от разовых измерений при режимном изучении гидрогеологических и инженерно-геологических процессов технология оборудования измерительных скважин приобретает решающее значение независимо от типа используемой аппаратуры. При проходке скважины не должны быть нарушены естественное сложение и свойства пород в прискважинной зоне и должно быть обеспечено плотное прилегание колонны обсадных труб к породе с гидроизоляцией внутреннего пространства скважины. Выполнение этих требований в настоящее время представляет собой сложную техническую задачу, особенно при значительных глубинах измерительных скважин. Опыт показывает, что одним из вариантов решения этой проблемы является оборудование куста скважин, каждая из которых удовлетворяет указанным выше условиям лишь в ограниченном интервале глубин, в целом скважины обеспечивают перекрытие всей исследуемой толщи.

Режимный вариант измерений накладывает дополнительные требования и на аппаратурно-методическое обеспечение работ. Стандартное в техническом и методическом отношениях проведение радиоактивного каротажа не обеспечивает требуемой точности наблюдений за изменением свойств горных пород, сопровождающим различные процессы. Многолетний опыт использования радиоизотопных методов в режимном варианте позволяет определить основные пути решения этой задачи:

- повышение точности регистрации исходной радиоизотопной информации;

- обеспечение идентичности условий градуировки и поверки аппаратуры в течение всего цикла наблюдений;

- операционный контроль сохранности градуировочных характеристик аппаратуры;

- точная фиксация измерительного зонда в скважине на заданных глубинах.

Достоверность исходной радиоизотопной информации удается повысить за счет перехода на дискретную форму записи результатов измерений с одновременным увеличением времени измерения или числа повторных замеров в одних и тех же точках исследуемого массива. Кроме того, с целью уменьшения погрешностей, связанных с временным дрейфом аппаратуры, измерения в скважинах сочетают с параллельными измерениями в стандартном образце, что позволяет учитывать этот дрейф при обработке информации. Измерения выполняют в режиме дискретного каротажа.

Систематическая составляющая суммарной погрешности измерения свойств радиоизотопными методами, в том числе погрешность градуировки, практически не оказывает влияния на точность оценки изменений этих свойств во времени при сохранении условий измерений. Идентичность условий градуировки и поверки аппаратуры в течение режимных наблюдений обеспечивается использованием эквивалентов стандартных образцов. Такой способ является в настоящее время наиболее простым и доступным. Разработанные для этих целей устройства весьма просты в эксплуатации и обладают приемлемыми массогабаритными характеристиками.
5. Учет влияния факторов, обусловливающих радиационно-метрологические характеристики нейтронных и гамма-гамма-методов
К основным радиационно-метрологическим характеристикам (РМХ) нейтронных и гамма-гамма-методов относятся: абсолютные скорости счета, формы и крутизна кривых зависимости скорости счета от влажности и плотности, диапазон измерений, геометрические параметры показывающих сфер и показывающих слоев, погрешности измерений влажности и плотности.

К факторам, обусловливающим основные РМХ влагоплотномеров, относятся следующие: аппаратурные, скважинные, контактные и почвенно-грунтовые. Для обеспечения высокой точности определения влажности и плотности с помощью РИП необходимо учитывать влияние всех факторов.

где I^скв - абсолютная скорость счета в скважине; I^кку - абсолютная скорость счета в контрольно-калибровочном устройстве (ККУ).

Измерения I^кку производят непосредственно до и после замера I^скв.

Эффективность детекторов излучения, особенно газоразрядных и сцинтилляционных, зависит от температуры. Определения скоростей счета в ККУ и в почво-грунте следует проводить при одной и той же температуре, с допуском ±5°. При значительной разнице температур воздуха на поверхности и в скважине необходимо выдерживать плотномеры и влагомеры перед определением скорости счета некоторое время в скважине, а в ККУ зонд следует вводить на возможно короткое время.

Алюминиевые и дюралевые трубы с толщиной стенок до 2-2,5 мм практически не влияют на скорость счета влагомеров. Стальные трубы при этой толщине значительно уменьшают скорость счета. При толщине стенок 4-5 мм и более стальные и пластмассовые трубы не только "смещают" кривую зависимости скорости счета от влажности вниз или вверх соответственно, но и уменьшают ее крутизну.

Если исследуются скважины больших диаметров, то необходимо корректировать калибровочные зависимости. При измерениях влажности и плотности почво-грунтов по скважинам, заполненным водой, нужно учитывать смещение зависимости скорости счета от влажности и плотности, поэтому, как и в предыдущем случае, следует пользоваться калибровочными зависимостями для скважин с водой.

Зазоры между скважиной и обсадной трубой, а также между скважиной и зондом, если она не армирована, искажают показания влагомеров и особенно плотномеров. В сухих скважинах при влажности почво-грунтов 30% зазоры в 4 и 10 мм уменьшают скорость счета влагомеров на 1,5 и 3% соответственно. Показания скважинных плотномеров увеличиваются примерно на 3-5% на каждый миллиметр увеличения кольцевого зазора. При заполнении затрубного пространства водой (при проведении измерений ниже уровня грунтовых вод) величина погрешности за счет наличия зазора несколько снижается для плотномеров и возрастает для влагомеров.

Сплошной двухмиллиметровый зазор под подошвой датчика приводит к уменьшению скорости счета влагомеров на 1-3% и к увеличению скорости счета плотномеров на 3-6% при различных значениях влажности и плотности почво-грунта. Резко влияют на скорость счета и локальные пустоты под датчиком, особенно под детектором. Поэтому при определениях плотности и влажности поверхностными плотномерами и влагомерами выбирают ровную без каверн поверхность грунта, к которой плотно притирают подошву датчика зонда.

Для уменьшения погрешностей определения плотности и влажности, вызванных деформацией окружающего зонд концентрического слоя почво-грунта при вдавливании зонда или обсадных труб, необходимо по возможности уменьшать диаметр проходки скважин.
Учет почво-грунтовых факторов [115]
К почво-грунтовым факторам относятся химический состав, гранулометрический состав, плотность (при измерении влажности), влажность (при измерении плотности), вертикальный градиент влажности или плотности, граница раздела двух слоев грунта.

Химический состав. При определении плотности дисперсных грунтов, сложенных в основном легкими элементами (z_эф = 11,514,4), химический состав мало влияет на показания плотномеров, имеющих стальной корпус, или при определениях в скважинах, обсаженных стальными трубами. Погрешность при толщине стальной трубы более 3 мм не превышает 1%. Наличие тяжелых элементов (железо, кальций и др.) в минералах грунтов приводит к увеличению погрешности в определении их плотности. Если калибровочная зависимость плотномеров построена для грунтов со средним содержанием тяжелых элементов, то вариацию их содержания можно не учитывать.

Заметные ошибки определения плотности могут быть получены при изучении глинистых и других грунтов, в химический состав которых входит водород. Это связано с аномальными гамма-лучевыми свойствами водорода, у которого отношение "электронной" плотности к истинной близко к 2, в то время как для большинства остальных химических элементов это отношение близко к 1. В большинстве породообразующих минералов водород входит в состав химически связанной воды и гидроксильных групп. В глинистых минералах содержание химически связанной воды изменяется от 2 до 3 массовых % для лессовых пород и до 7-10 массовых % для каолинитовых глин. Поправка на водород твердой фазы грунтов вводится в виде эквивалентного содержания химически связанной воды. Еще большим содержанием водорода характеризуется органическое вещество, для которого эквивалентная влажность составляет примерно 45%. При высоком содержании в грунтах органического вещества следует вводить поправку, соответствующую примерно 4,5 массовых % эквивалентного содержания химически связанной воды на каждые 10 массовых % гумуса [115]. Для уменьшения влияния водородосодержания на показания плотномера его калибровку следует проводить на эталонах с эквивалентной влажностью 20-30%. В этом случае погрешность определения плотности большинства грунтов не будет превышать 1%.

Влияние химического состава на показания влагомеров сильнее, чем на показания плотномеров. Кроме различий в водородосодержании породообразующих минералов существенную роль играют различия в их способности замедлять быстрые нейтроны и поглощать тепловые нейтроны. На показания влагомеров влияют такие элементы, как бор, литий, марганец, хлор, кадмий, железо и др. Содержание этих элементов оказывает различное влияние на влагомеры разных конструкций.

Следует отметить, что содержание в грунтах химически связанной воды и большинства аномальных поглотителей нейтронов связано с глинистой фракцией. Концентрация бора, лития и других редких элементов в глинах обусловлена, главным образом, явлениями сорбции и тем выше, чем дисперснее грунт. Поэтому при измерении влажности песчаных грунтов часто возможно использование одной калибровочной кривой для всех генетических и петрографических разновидностей песков. При измерениях влажности глинистых грунтов необходимо уточнять калибровочную зависимость для глин с различными минералогическим составом и содержанием органического вещества.

Гранулометрический состав почво-грунтов сказывается на показаниях плотномеров и влагомеров: при наличии пустот, образовавшихся при проходке или армировании скважин, а также при подготовке поверхности (для поверхностных измерений), при наличии крупных гранул (щебень и т.п.) в составе почво-грунта и наличии межгранулярных пустот.

Для уменьшения влияния пустот, возникающих при проходке скважин в песчано-глинистых грунтах, содержащих сравнительно крупные твердые включения, необходимо производить дополнительные замеры выше и ниже заданной глубины для оценки степени расхождения и выбраковки аномальных значений.

Межзерновые пустоты начинают сказываться при крупности гранул более 1 мм. Погрешности измерений плотности резко возрастают при крупности гранул более 50 мм. Учет крупности гранул необходим начиная с 5-10 мм [115].

Влияние влажности и плотности. При измерениях влажности грунтов влагомерами определенное влияние оказывает плотность их твердой фазы. Степень влияния различна при различной влажности: по мере увеличения влажности почво-грунта относительное влияние плотности твердой фазы на показания влагомеров уменьшается. Данные разных авторов указывают, что увеличение плотности твердой фазы на 0,1 г/см³ приводит к завышению оценки влажности на 0,5-1 объемных %, что необходимо учитывать при изучении неоднородных грунтов.

Учет влияния влажности грунтов на показания плотномеров аналогичен учету водородосодержания.

Вертикальные градиенты влажности и плотности. Градиентные погрешности возникают при измерениях в почво-грунтах с резко выраженной вертикальной неоднородностью плотности или влажности, когда вертикальные размеры квазиоднородных блоков соизмеримы с разрешающей способностью плотномеров и влагомеров, составляющей несколько дециметров (например, над зеркалом грунтовых вод, вблизи дневной поверхности, при наличии прослоев иного гранулометрического состава). В этих случаях показания плотномеров и влагомеров не являются средними для измеряемой толщи. При интерпретации данных, полученных с помощью плотномеров и особенно влагомеров в градиентных средах, следует учитывать, что наблюдаемые аномалии имеют большую, чем в действительности, протяженность и сглаженную форму.

Граница раздела двух сред. В этом случае возникают наибольшие погрешности в определении плотности и влажности грунта, особенно при частом переслаивании маломощных пропластков с резко различающимися показателями плотности и влажности. Точный учет всех возникающих погрешностей невозможен из-за недостаточно разработанной теории процессов распространения нейтронов и гамма-квантов в таких средах. Результаты экспериментальных исследований показывают следующее [115]:

- при измерениях вблизи самих плоскостей раздела могут наблюдаться небольшие скачкообразные изменения скоростей счета (альбедо-эффект) в направлении, обратном тому, которое ожидается в связи с изменением плотности или влажности;

- тонкие слои (менее 10 см) с различием показателей влажности в 2-3 раза и плотности в 1,5 раза практически не выделяются по показаниям выпускаемых промышленностью влагомеров и плотномеров;

- в слоях 10-50 см наблюдаемые значения плотности и влажности отклоняются от истинных в сторону значений, характерных для вмещающей среды;

- в простых случаях (одна граница раздела, слои мощностью более 50 см) измерения через небольшие равные интервалы (5-10 см) позволяют провести качественную и количественную интерпретацию. Используя приемы, описанные в [115], в этом случае по функции показаний плотномера или влагомера по глубине, можно получить функцию истинных значений плотности и влажности почво-грунта.

Следует отметить, что в естественных условиях границы между слоями различной плотности (влажности) часто размыты, поэтому найденные границы пластов, мощности их в некоторой степени условны. Для более точного, надежного решения необходимо использовать дополнительную информацию о литологии исследуемого разреза или данные гамма-каротажа, обладающего большей детальностью.

Приложение 4

Значения e_max, e_min и e_x, согласно формуле (159), можно представить в следующем виде:

где e_0,max, e_0,min и e_0,x - приведенные значения коэффициентов пористости анализируемого грунта; K_60,10 - коэффициент разнозернистости анализируемого грунта; e_x - коэффициент пористости изучаемого грунта.

Из выражений (2), (3) и (4) можно написать следующие уравнения:

e_0,max / e_max = e_0,min / e_min = e_0,x / e_x; (5)

e_0,max / e_0,min = e_max / e_min; (6)

e_0,x / e_0,min = e_x / e_min; (7)

e_0,x / e_0,max = e_x / e_max. (8)

Подставляя в формулу (1) выражения (2), (3) и (4), получаем:

Решая выражение (9) относительно e_0,x, получим:

Из выражений (2), (3) и (4) следует, что при различных значениях коэффициента разнозернистости грунта K_60,10 и при одинаковой форме частиц, входящих в его состав, значения e_max, e_min и e_x будут различными по величине, но при этом значения e_0,max, e_0,min и e_0,x будут постоянными.

Из сказанного выше следует, что значение e_0,max и e_0,min можно определить только один раз по формулам при любом значении коэффициента разнозернистости укладываемого грунта. Подставляя полученные значения e_0,max и e_0,min в выражение (9) и задаваясь значением I_d, получим расчетное приведенное значение коэффициента пористости.

В любой точке грунта, уложенного в сооружение, при различных значениях коэффициента разнозернистости K_60,10, но при одинаковой форме частиц, должны соблюдаться следующие условия:

где - определяется расчетом по формуле (4); e_x - коэффициент пористости грунта, полученный расчетом по данным определения его плотности.

Только при соблюдении условий (10) и (11) в любой "точке" уложенного грунта, при любых значениях коэффициента разнозернистости и при одинаковых значениях вертикальных нагрузок деформируемость грунта будет одинаковой. Контроль за укладкой грунтов по величине коэффициента относительной плотности I_d, определяемой по формуле (1), осуществлять практически почти невозможно, так как определение e_max и e_min для каждой пробы разнозернистых песчано-гравелистых грунтов и горной массы вызывает большие трудности и практически неосуществимо.

Для определения с достаточной для практических целей точностью величин e_0,max и e_0,min можно пользоваться данными исследований по изучению модельных грунтов.

Модельный грунт может подбираться с различными значениями коэффициента разнозернистости. Форма частиц модельного грунта должна соответствовать форме частиц укладываемого грунта (т.е. модельный грунт должен подбираться из грунта, укладываемого в плотину).

Если выражение (10) поделить на e_0,min и обеспечить отношение e_0,max / e_0,min = C, то формулу (10) можно написать в виде:

(e_0,x / e_0,min)  [C – I_d (C - 1)]; (13)

или

Согласно равенству (7) выражение 13* можно изменить,

(e_x / e_min)  [C (1 – I_d) + I_d]. (14)

Грунт, уложенный в сооружение, должен удовлетворять одному из условий (11)-(13*) или (14).