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 g и 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 .