Міністерство освіти і науки України
Кафедра водогосподарської екології, гідрології та природокористування

Реферат
на тему:
„МЕТОДИ РАДІОАКТИВНОГО ПРОФІЛЮВАННЯ ПЕВЕРХНЕВИХ ВІДКЛАДІВ”
Содержание:
Введение......................................................................................3
Методы радиоактивного профилирования поверхностных отложений ..................................................................................4
Выводы........................................................................................12
Литература..................................................................................13
Введение
Использование методов рассеянного гамма- и нейтронного излучения для определения объемного веса и влажности поверхностных отложений и пород в обнажениях возможно не только для точечных измерений этих параметров и отдельных ключевых пунктах, но и для получения непрерывных диаграмм изменения свойств по нужному профилю.
Методы радиоактивного профилирования поверхностных отложений
Важным достоинством ядерных методов следует считать возможность получения с их помощью непрерывной количественной информации по глубине исследуемого разреза путем применения ядерного каротажа. Это преимущество является особенно важным, если учесть значительную изменчивость свойств пород в разрезе в пределах различных типов отложений, что наблюдается повсеместно.
Наконец, ядерные методы можно совмещать с пенетрационными, что обеспечивает проведение инженерно-геологических исследований комплексом полевых методов и позволяет получать информацию о физико-механических свойствах пород и их литологическом строении без бурения скважин.
Метод поглощения гамма-излучения. Сущность метода состоит в том, что гамма-излучение, проходя через вещество, поглощается им в зависимости от массы вещества, заключенного между источником и детектором излучения. При определенных условиях регистрируемая интенсивность проникающей гамма-радиации зависит только от плотности среды. Поскольку метод поглощения гамма-излучения позволяет определять массу вещества, находящегося на пути гамма-лучей, то в этом смысле он эквивалентен весовому способу определения массы іn situ. Метод хорошо развит, и имеется большое число опубликованных работ, в которых рассмотрены физические основы, теория, аппаратура и область применения в инженерной геологии и грунтоведении.
Установлено, что метод позволяет определять объемную массу пород с высокой степенью точности (до ±0,01 г/см3). При этом объемная представительность получаемых значений объемной массы в зависимости от толщины исследуемого слоя пород составляет 15 дм3.
На практике в полевых условиях нашли применение три схемы определения объемного веса методом поглощения гамма-излучения (рис. 1). Схема а используется при проведении измерений в двух параллельных скважинах. Глубина измерений в этом случае зависит исключительно от технической возможности бурения параллельных скважин. Практически такие скважины удается пробурить на глубину 5—10 м. Схемы б и в применяются для измерения объемной массы в поверхностном слое грунта в вертикальной б и горизонтальной в плоскостях.
В разработанных конструкциях приборов для определения плотности пород методом поглощения гамма-излучения применяются источники излучения Со-60 и С-137 активностью 2—7 мг-экв. В качестве детекторов излучения использовались как счетчики Гейгера-Мюллера, так и сцентилляционные детекторы.
Метод рассеянного гамма-излучения. Применение этого метода для определения объемной массы пород основано на имеющейся функциональной зависимости между регистрируемым рассеянным гамма-излучением и плотностью рассеивающей среды.
В самом общем случае интенсивность рассеянного гамма-излучения, кроме плотности среды, зависит от энергии первичного гамма-излучения и расстояния между источником излучения и детектором. Эта зависимость носит экстремальный характер. Начальный участок кривой зависимости J??=f(?) характеризуется возрастанием интенсивности рассеянного излучения с увеличением плотности среды. Далее имеем инверсионный участок, характеризующийся неоднозначной зависимостью рассеяния гамма-квантов при изменении плотности. Наконец, при дальнейшем увеличении плотности среды наблюдается падение интенсивности рассеянного излучения.
Доинверсионный участок кривой J??=f(?) имеет наибольшую чувствительность к изменению плотности и является наиболее выгодным для практического определения плотности пород. Однако им редко удается воспользоваться, так как он соответствует изменению объемной массы в пределах от 0 до 1 г/см3. Этот участок зависимости наиболее выгодно использовать для изучения плотности торфяников, сапропелей и некоторых других типов природных образований, имеющих объемную массу меньше 1 г/см3. На практике мы встречаемся с грунтами и породами, у которых объемная масса, как правило, более 1,3— 1,4 г/см3, поэтому для изучения их плотности применяются обычно послеинверсионные зонды.
К факторам, влияющим на определение плотности пород методом рассеянного гамма-излучения, относятся: влияние длины зонда и мощности источника излучения, влияние химического состава пород и их влажности. Сюда же относятся условия калибровки зондов и оценка возможных ошибок при практических работах. Установлено, что точность определения плотности пород данным методом не хуже ±0,03г/см3, а объем породы, для которой получаем среднее значение плотности, может составлять от 1 до 20 дм3 в зависимости от условий измерения.
В практике инженерно-геологических исследований получили распространение три схемы измерения объемной массы пород методом рассеянного гамма-излучения.
Схема (а) используется при измерении плотности в поверхностном слое грунтов в обнажениях и горных выработках. Конструкции гамма-плотномеров, работающие по этой схеме, позволяют определять объемную массу грунтов, как в отдельных точках массива, так и непрерывно по заданному профилю поверхностных отложений методом гамма-гамма-профилирования. В последнем случае для перемещения измерительного зонда и регистрирующей аппаратуры может быть использован автомобильный транспорт.
Схему (б) применяют в зондах, предназначенных для измерения объемной массы грунтов в обсаженной скважине. В этом случае измерения можно производить как в отдельных точках по глубине скважины, так и непрерывно по методу гамма-гамма-каротажа.
Схема (в) по принципу измерений не отличается от предыдущей схемы. Здесь лишь исследования выполняются без предварительного бурения скважины путем вдавливания зонда с помощью специальных устройств.
Выбор необходимой схемы измерения зависит от требований решаемой инженерно-геологической задачи и условии определения объемного веса.
? е т о д р а с с е я н н о г о н е й т р о н н о г о из л у ч е н и я. Этот метод развит для определения влажности грунтов. Он основан на имеющейся функциональной зависимости аномального замедления быстрых нейтронов до тепловой энергии водородсодержащей средой. Такие параметры взаимодействия нейтронов с водородом, входящим в состав молекул воды, как потеря энергии на один акт взаимодействия, необходимое число соударении для замедления до тепловой энергии и сечение рассеяния тепловых нейтронов, превосходят на целый порядок и более соответствующие параметры породообразующих элементов. Сечения поглощения тепловых нейтронов оказываются весьма высокими лишь для некоторых элементов. К аномальным поглотителям нейтронов тепловых энергий относятся В, Cl, Cd, Li, К, Fe. Учитывая последнее обстоятельство, для определения влагосодержания пород методом рассеянного нейтронного излучения на практике применяются два способа. Первый из них основан на регистрации тепловых дейтронов и используется в тех случаях, когда в исследуемых породах отсутствуют сильные поглотители тепловых нейтронов. Второй способ основан на регистрации нейтронов надтепловых энергий и используется при исследовании влагосодержания засоленных пород.
Для практического определения влажности нашли применение три схемы измерения, аналогичные схемам измерения плотности грунтов. Области их применения и условия измерений также аналогичны определению плотности. Следует лишь добавить, что при измерениях в поверхностном слое грунта влажность изменяется в зависимости от температуры окружающей среды и от выпадения атмосферных осадков.
В промышленных образцах нейтронных влагомеров, которые выпускаются фирмами различных стран, в том числе и в Советском Союзе, в качестве источников нейтронов используются радий-бериллиевые, полоний-бериллиевые, актиний-бериллиевые и америций-бериллиевые препараты. Наиболее распространенными детекторами тепловых нейтронов являются пропорциональные счетчики, наполненные B10F3, а также сцинтилляционные детекторы-кристаллы йодистого лития, активированного таллием, и кристаллы сернистого цинка, активированного бором. Имеют распространение газоразрядные счетчики гамма-излучения с кадмиевым экраном. В последнее время нашли применение гелиевые пропорциональные счетчики, которые эффективны для регистрации надтепловых нейтронов,
При использовании гамма-плотномеров и нейтронных влагомеров различных конструкций существенное значение имеет тарировка используемых приборов, с помощью которой получают количественную зависимость между регистрируемым излучением и параметром плотности или влажности для конкретного прибора. В настоящее время получили распространение три способа тарировки: теоретический, экспериментальный и расчетно-экспериментальный. В свою очередь экспериментальный способ тарировки приборов осуществляется как в лабораторных, так и в полевых условиях.
Такие измерения осуществляются при перемещении измерительного датчика по поверхности исследуемых отложений, по своей сути они напоминают исследования методом радиоактивного каротажа. Однако в этом случае измерения ведутся в условиях геометрии полупространства рассеивающей среды. Процесс измерения рассеянного гамма- и нейтронного излучении при движении измерительного датчика с целью получения диаграммы изменчивости объемного веса и влажности поверхностных отложений получил название радиоактивного профилирования, которое включает: гамма-профилирование (ГП), гамма-гамма-профилирование (ГГП) и нейтрон-нейтронное профилирование (ННП).
Методы радиоактивного профилирования (РП) разрабатываются применительно к решению задач инженерно-геологического картирования поверхностных отложений, а также для геотехнического контроля за качеством работ при возведении различных земляных сооружений: земляного полотна автомобильных и железных дорог, земляных плотил и дамб для гидротехнических сооружений и пр.
Разработку методов радиоактивного профилирования применительно к задачам автодорожного строительства начал В. Г. Фирстов (1962), в дальнейшем эти работы развивал Ф. С. Завельский (1964).
Принципиальная схема ведения измерений методами РП показана на рис. 1. Установка для измерений состоит из прицепного измерительного датчика типа волокуши, который включает источник гамма-лучей или быстрых нейтронов, экран от прямого излучения и детектор. При ведении нейтрон-нейтронного профилирования с нулевой базой измерения, т. е. при расстоянии между источником нейтронов и детектором близким к нулю, экран от прямого излучения исключается из принципиальной схемы. Измерительный датчик прицепляют к автомашине или другому транспортному средству (например, катку при дорожно-строительных работах), на котором размещена регистрирующая аппаратура. Для целей радиоактивного профилирования можно использовать любую серийно выпускаемую аппаратуру радиоактивного каротажа, а также поисковый автомобильный радиометр типа РА-69.
В методическом отношении применение радиоактивного профилирования не отличается от методов радиоактивного каротажа скважин. Разница заключается лишь в геометрии рассеивающей среды; если при радиоактивном каротаже рассеяние гамма- и нейтронного излучения происходит в условиях полного пространства 4?, то при методах РП этот процесс происходит в полупространстве 2? рассеивающей среды. Кроме того, при радиоактивном профилировании легче исключить влияние технических помех, которые обычно возникают при РК за счет конструкции скважины. При радиоактивном профилировании измерительный датчик, перемещающийся вслед за движущейся автомашиной, имеет непосредственный контакт с исследуемой средой, но поскольку он не погружается в грунт, исключается возможность возникновения ошибок, связанных с нарушением плотности сложения и влагосодержанием грунтов.
На рис. 2 приведены характерные диаграммы гамма-гамма и нейтрон-нейтронного профилирования, позволяющие получать эпюры изменчивости объемного веса и влажности поверхностного слоя почво-грунтов. Для установления масштаба диаграмм измерительные датчики тарируют на калибровочных площадках.
Исследования показали, что разрешающая способность метода гамма-гамма-профилирования по глубинности не отличается от этого параметра для ГГК и составляет для источника кобальт-60 около 15 см при объемном весе грунта 1,75 г/см3 и для цезий-137 около 7—8 см при том же объемном весе породы. Оптимальная база измерения (расстояние между источником излучения и детектором) по условиям глубинности и чувствительности метода составляет 40— 45 см. Чувствительность метода при указанной базе измерения позволяет регистрировать объемный вес с точностью ±0,02—0,03 г/см3.
Разрешающая способность метода нейтрон-нейтронного профилирования по глубинности в зависимости от влагосодержания среды достигает 35 см. При малых влажностях среды (до 20—25%) наибольшая чувствительность метода к изменению влагосодержания соответствует нулевой базе датчика. При влажности, превышающей ЗО/о, измерения следует вести с базами датчиков 45—50 см, используя послеинверсионную область зависимости J??=f(W).Точность определения влажности методом ННП составляет ±1,0% абсолютного значения влажности.
При использовании методов радиоактивного профилирования существенный интерес представляет возможная скорость движения автомобиля с датчиком. В зависимости от скорости движения автомобиля при постоянных параметрах датчика и измерительной аппаратуры изменяются условия осреднения регистрируемых параметров объемного веса и влажности грунтов по трассе движения. При скорости движения 10—15 км/час профильные диаграммы измеряемых величин могут быть записаны в масштабе 1 : 25 000—1 : 10 000. Если требуется записать диаграммы в более крупном масштабе, то скорость движения значительно снижается и должна составлять не более 5 км/час.
Весьма перспективным представляется использование методов гамма-нейтронного профилирования для контроля за качеством укладки грунтов в земляные сооружения.
Выводи
Как показали последние исследования ?. И. Данилина, при использовании методов радиоактивного профилирования особое внимание следует обращать на два обстоятельства. Во-первых, на точность измерения весьма существенное влияние оказывает микрорельеф исследуемых поверхностных отложений. Для снижения до минимума влияния этого фактора необходимо, чтобы датчик (можно с балластной пригрузкой) имел достаточный вес и, двигаясь, сглаживал микронеровности. При наличии па профилируемой поверхности значительных микронеровностей количественная интерпретация получаемых данных оказывается затруднительной. Во-вторых, на результаты измерений может оказывать большое влияние неравномерность распределения исследуемых физических свойств (объемного веса и влажности) грунта в первых 20—30 см по глубине. Эта неравномерность в основном является следствием закономерностей испарения и влагонасыщения поверхностного слоя.
Литература:
Г.Н. Бондарик „полевые методы инженерно-геологических исследований” 1981 -317-119с.
Геодезия / В.Д.Большаков, Е.Б.Клюшин, И.Ю.Васютинский. -М.: Недра, 1991 - 238с.
СниП 2.01.07-87 .
“ Инженерные изыскания в строительстве “ Абрамов, М: Строиздат 1982.
“ Справочник по инженерной геологии “ Чуринов М. В. , М: “ Недра “ 1974 .
Справочник по инженерной геологии / Под ред. М.В.Чуринова. -М.: Недра, 1974 .