1、核子湿度密度仪的使用及安全防护,主讲人:刘汉文,一、高速铁路路基的特点及其与普通铁路路基的区别 自20世纪60年代第一条高速铁路在日本建成以来，世界范围内出现了竞相修建高速铁路的热潮，高速铁路的出现对传统铁路的设计、施工和养护维修提出了新的挑战，在许多方面变化和改变了传统的设计方法和观念。就路基工程而言，主要表现为以下三个特点： 1. 高速铁路路基的多层结构系统 高速铁路线路结构，已经突破了传统的轨道/道床/土路基这种结构型式，既有有碴轨道也有无碴轨道。对于有碴轨道，在道床和土路基之间，已抛弃了将道碴层直接放在土路基上的结构形式，作成了多层结构系统。例如：法国采用道碴层/碴底层（级配粒料）/基
2、础层（级配良好的砾石）/防污层（砂/土工纤维）；日本在道床和基床之间加设了5cm厚的沥青混凝土；德国在道床与基床之间加设了路基保护层即PSS层。 2. 控制变形是路基设计的关键 控制变形是路基设计的关键，采用各种不同的路基结构型式的首要目的是为高速线路提供一个高平顺、均匀和稳定的轨下基础。由散体材料组成的路基是整个线路结构中最薄弱、也是最不稳定的环节，是轨道变形的主要来源。它在多次重复荷载作用下所产生的累积永久下沉（残余变形）将造成轨道的不平顺，同时其刚度对轨道面的弹性变形也起关键性的作用，因而对列车的高速走行条件有重要的影响。,前 言,高速列车对轨道变形有严格的要求，因此，变形问题便为高速铁
3、路设计所考虑的主要控制因素。就路基而言，过去对注重于强度设计，并以强度作为轨下系统设计的主要控制条件。而现在强度已不成为问题，一般在达到强度破坏前，可能已经出现了不能容许的过大有害变形。日本东海道新干线的设计时速为220km，由于其在设计中仅仅采取了轨道的加强措施，而忽略了路基的强化，以至从1965年开始，因为路基的严重下沉，致使路基病害不断，线路变形严重超限，不得不对线路以年均30 km以上的速度大举整修，10年内中断行车200多次，列车运行平均速度也降到100110 km/h。 3. 列车/线路整体系统的相互匹配路基是重要组成部分 变形问题的解决相当复杂，是一个世界性的难题。日欧各国虽然实
4、现了高速，但他们都是通过采用高标准的昂贵的强化线路结构和高质量的养护维修技术来弥补这方面的不足。日本对此不惜代价，在上越和东北新干线上，高架桥延长数所占比例分别为49%和57%，路基仅占1%和6%。所以，变形问题是轨下系统设计的关键。由于普通铁路行车速度慢、运量小，因此在以往的设计中，只孤立地研究轮/轨的相互作用，并把这种相互作用狭义地理解为轮/轨接触部位的几何学、运动学、动力学的关系，而忽略了路基的影响，其中各个部分的设计也只局限于本专业范围内。对于高速铁路，轮/轨系统应该是车轮、钢轨、道床、路基整个系统各部分相互作用的整体。因为包括路基在内的轨下系统的垂向变形集中反映在轨面上，并且又直接影
5、响着轮、轨作用的大小。因此，必须把轮/轨系统的各组成部分放到整个系统中去考察，建立适当的模型，着眼于各自的基本参数和运用状态，进行系统的最佳设计，实现轮/轨系统的合理匹配，尽可能将低轮/轨作用力，以保证列车的高速、安全运行。其中轨上各部分应尽量降低车辆轮载和簧下质量，轨下的道床、路基部分必须提供一个坚实稳定的轨道基础，以减少变形，同时有保持适当的弹性。,德国著名的高速铁路专家Birmann指出：铁路路基作为承受轨道和列车荷载的基础，如果选择了合理的刚度（弹性模量），则能明显地影响轮载的分配，可以使轨面的最大支承力减少60%70%，而且还可以改善基床动应力的分布，减弱重复荷载的动力作用，减少列车
6、荷载对线路的不良影响。但这并不是要求路基不存在变形，因为列车不可能在一个绝对刚性的基础上作高速稳定运行，而只能依循着不平顺的走行面和刚度有变化的轨道运行。 因此，由于高速铁路运行速度快、技术标准高、对路基的要求严格，控制路基变形已成为高速铁路路基的最大特点。因此，高速铁路路基与普通铁路路基的本质区别在于机床表层厚度增加，压实标准提高，同时对路基填料及路桥过渡段的刚度提出了更高的要求。 在国际上，铁路路基的设计和施工控制的参数主要有：压实系数、相对密度、孔隙率或空气率、地基系数K30与变形模量Ev1和Ev2及动态变形模量Evd等等。其中地基系数K30与变形模量Ev1和Ev2及动态变形模量Evd的
7、试验和所反映的问题有一定的类似。在我国和日本，地基系数K30已成为铁路路基设计和施工中的一个基本的参数。了解其与变形模量Ev1和Ev2及动态变形模量Evd的关系，正确理解各参数的意义和特点，有利于分析比较各国的路基设计标准，学习和借鉴国外的先进经验。这在当前的客运专线和无碴轨道的建设中非常重要。,1930年美国工程师proctor通过试验首先提出：同一种土，在相同的压实功能下，其干容重d随土中含水量的不同而发生变化。室内击实试验和现场碾压机械都获得填土的最佳含水量opt和与之对应的最大干容重d，同时o to还规定了室内击实试验的仪器规格和试验规程。自此，世界各国均以此压实理论和试验方法指导施工
8、，并且都以填料的压实系数（压实系数 等于现场填料压实干容重除以室内击实试验最大干容重）控制压实标准，以判断压实土的强度和变形特性。填土容重的现场量测早些时候采用环刀法、灌砂法及注水法进行，均属对压实土面的破坏性量测方法。每种测试方法都适用于不同的填料情况。环刀法只用于不含砾石颗粒的细粒土和无机结合料改良土。注水法只适用于粒径不大于2毫米的粗粒料。确定填料最大干容重的室内击实试验，最初为标准的o to型，我国采用前苏联的“南实处标准”。随着高速、重载铁路的出现，它们对路基提出了更高的要求，从而一些大型的压实机械相继出现。因此，为便于把室内击实试验结果比较正确的应用于设计与施工，适用于大型碾压机具
9、，在击实试验中，提高了重锤质量和落距，出现了修正的o to击实仪及重型击实试验。,二、压 实 系 数,由于传统的环刀法、灌砂法及注水法测定填土容重的方法需要测定其含水量，而测定填土含水量的烘干法从试验中得出结论需要时间很长，与现代化高效率的施工碾压机械常常发生矛盾，并且受外界因素的影响较大。为此，利用微电子技术，通过放射性元素（射线和中子射线）测量填土的密度、含水量的仪器自80年代产生，即核子湿度密度仪。该方法能在现场快速、准确、方便地测定填土的密度和含水量，能满足现场填土压实系数。是一种无损检测的方法，具有操作方便、明显直观、非常适合于机械化路基填土施工。,核子湿度密度仪原理使用说明,图1
10、密度坐标,图2 水分坐标,用途,被测材料（细泥土、粗泥土级配碎石、沥青混泥土小于等于6.3厘米）湿密度水分重、干密度、含水量和含水率、压湿度、孔隙率。,三、核子湿度密度仪,工作原理 MC-3C和MC-4C型核子湿度密度仪内部装有两种放射源。铯137r源用来测量密度，镅241/铍中子源用来测量水分。中子源安在机壳底部位置不变。r源装在辐射源金属杆底部内，随测量深度而变。 测量密度时，铯137r源发出r射线进入被测材料。如果材料的密度较低，大量的r射线就会穿过它，被装在仪器内的盖草密勒计数管检测到，那么在单位时间内计到的数就较大。反之，如果材料的密度较高，高密度的材料吸收了部分r射线，起了辐射屏蔽
11、作用，在单位时间内计到的数就较小。然后，微处理器把检测管接收数值（称为密度计数值）除以存储在仪器内的密度标准计数值，得到计数比，再把计数比送入密度计数程序可算出被测材料的密度（这种密度包含被测材料水分，又称为湿容重）。 测量水分时，中子源放射的中子流进入被测材料，被测材料水分中的氢原子与高能中子相碰撞使之减速，减速后的慢中子被仪器内的氦3探测管接收到。被测材料含水量大，在单位时间内所转化的慢中子数也多，检测管接收的慢中子数就多。反之就小。然后，微处理器把接收的慢中子数（称为水分计数值）除以水分标准计数值得到水分计数比，再把计数比送入水分计数程序可算出被测材料的水分重。,测量范围 密度范围是1.
12、122.73克/立方厘米，美国CPN公司MC-3C、MC-4C；TROXLER公司3440；HUMBOLDT公司5001C；密度测量深度都是30厘米，水分测量深度是固定的， 一般是被测材料表面的15厘米。其中，CPN公司MC-S-24密度测量的深度是60厘米，MC-S-36测量90 厘米，501DR测10 米或20 米，它们是分层测量密度和含水量。 上述仪器符合下列标准： 本仪器符合下述ASTM（美国试验与材料学会）标准 D2922用原子方法测定 现场土和含骨料土的密度 D3017用原子方法测定土和含骨料土的含水率 D2950用原子方法测定现场含沥青材料的密度,采用新图型式液晶显示器，测量条件
13、及所测结果全部一次显示，使用者能一目了然，全面了解测量情况，也减少了操作者为读数靠近放射源的时间。 该仪器被测材料体积较大，反映填料密湿度的实际情况。若采用仪器自录测量时，可连续记录128次的测量条件和结果，调出存储的内容方便灵活，配上打印机还可按需要打印。能按选定的测量计数时间进行测量，计数时间的选择范围大；也可按测量要求精度进行测量，缩短每个测点的测量时间。辐射的深度能自动检测、显示或记录。 水分测量深度是固定的，一般是离采料表面15厘米深处的平均值。 标准计数后，可根据显示器上的有关数据的大小来判断仪器的性能好坏和稳定性。 有电子日历、计时装置、并和测量结果同时显示和记录。,MC-3C和
14、MC-4C特点：,. 正常测量方式(Normal) 核子密度湿度仪测量方法有两种：一种是反射式测量（不打孔测量），另一种是透射式测量（打孔测量如图3）。反射式测量MC-3C、MC-4C有两档：一个是AC档（如图1），测量厚度是5.2厘米。另一个是BS档（如图2），测量厚度7.2厘米。其它型号的仪器只有一档，深度是7.1厘米左右。长沙生产的只有反射式测量没有透射式测量，测量深度是7.2厘米左右。 如下图1、图2、图3所示；,测量方式有三种：,图1 AC位置放射式测量 图2 BS位置放射式测量,图3 透射式测量,薄层测量方式(Thin layer) 本仪器具有薄层罩面的测试功能，厚度小于50毫米采
15、用薄层测量方式。可以快速测量沥青路面罩面层的密度，首先需要知道薄层下的基层的湿密度以及罩面层的厚度，这两个参数在测量之前是先确定下来的，因为在未铺复盖层时则可用本仪器测定基层的密度，而复盖层的厚度是已知的，用BS（或AC）反射法，置于薄层罩面状态，可以测量薄层复盖面的密度。 1） 按STEP+START键仪器进入测量方式选择菜单：COUNTING MODE 计数模式Current：NORMAL Normal 正常方式Thin layer 薄层方式Trench Wall 沟壁方式STEP ENTER choise按STEP 键挑选，按ENTER键输入。,2） 用STEP将光标移至薄层方式，再按E
16、NTER键（一个小正方形黑色闪烁光标移到Thinlayer（薄层）的第一个字母T上面按ENTER键）。薄层方式提示输入罩面层材料的厚度以及基层材料的密度：THIN LAYER 薄层方式Lift：25mm 厚度25mm（薄层厚度）Under. 2.72克/立方厘米 基层的湿密度值2.72克/立方厘米Enter Lift value.Enter Under value.3) 用键盘输入罩面层厚度及基层材料湿密度后分别按ENTER键,仪器处于薄层测量方式.4) 仪器的受柄放在BS或AC位置按SEART键进行薄层试验,仪器进行计数时,显示屏显示“THIN”（薄层）在试验。,沟壁测量方式(Trench
17、Wall ),沟槽回填土的测试,首先要按前述要求准备水平试验平面.沟槽开挖物的宽度大于等于610mm（24英寸）时，采用正常的方式测量，将本仪器放于沟糟的底部中心，以避免侧壁反射的影响。 沟糟等开挖无物的宽度小于610mm（24英寸）时，就要用仪器的沟糟测试方式，并使用3英寸的标准块来校正由于沟壁所放射的中子的影响。如下图1所示。,图1 仪器在沟槽中放置A=B,管沟的测量 管沟中有开口的管道时，MC-3C的面向应如图2，但探头的定端与管道之间的距离不能小于3英寸（50mm）,图2 仪器在孔上放置A50mm,测量画面说明,图一 测土,图二 测沥青,所谓基本画面就是仪器测量后而显示的画面。其含义必
18、须搞清。它的特点是光标在显示器左上角R上闪动，此时键盘上各键才有上述功能，按启动键（START）进行现场测量前，光标必须在R上闪动，否则应查明原因。如光标在第一行第二个字上闪动时必须按STER+CLEAR联合键后，再按其他任何键才能起作用。,图三 孔隙率,R10001-3代表第10001号测点的第三次测量条件及结果显示在该画面上。它仅供采用仪器自动记录测量时使用。R后的测点记录号是人工任意选择。范围在099999五位的有效数字组合。“”后的数字为核记录号的测量次数，仪器随测量次数自动记录。“”是把记录号和测量次数分开，防止混在一起。 0325 1235表示最后一次测量时间是3月25日23点35
19、分。 Dabs Da代表自动检测，BS代表最后一次检测的位置。 ET00：ET代表现场测量实际计数时间为30秒（冒号前为分，冒号后为秒）。仪器开始测量时，ET自动变为RT，其时间也一秒一秒递减直到为零时测量结束。RT00：00又自动变为ET00：30。 T00：30T 代表现场测量前使用者选定的时间是30秒。如果T字变为P字则代表测量前选定的精度测量。 gcc代表公制，单位是克/立方厘米；pcf则代表英制，单位为磅/立方英尺。 wet 代表湿密度。 h2o 代表体积含水量。,dry 代表干密度。Dn 代表测量的数据，单位是克/立方厘米，显示在该行Dn右边的数分别是湿密度1.972。水分重0.1
20、72，干密度1.8。Pr 代表测量的精度。湿容重、水分重、干密度的精度分别在该行的右边显示。% 代表百分率。该行右边显示的数分别是：含水量9.6%，干压实率为90.9%。Md 代表输入的数是被测材料室内试验的最大干密度为1.98克/立方厘米。如果Md位置是Mw或Av，分别代表输入的数是室内试验的最大湿密度，Av在测量孔隙率时用。（输入被测材料的比重）Bi 代表偏值。其后显示的两个数分别是湿容重和水分重的偏移量。一般情况下这两个位偏置量都应为零。lob 代表仪器却电，需要充电但在显示lob时还可用几个小时。正常使用的仪器，显示器右下角没有任何符号显示。,键 盘,键盘各个键的功能 键面上部为黑色的
21、12个键都可当数据键使用（以后略述）。键面右下角有A、B、C、D、E、F（16进制）、英文字母的8个键，也可当上述字母键使用，它专供修理仪器时用。BS、AC英文字母的两键供手动输入深度之用。ENTER 输入键。将显示器上的数据送入微处理器。CLEAR 清除键。主要作用：1.清除没按输入键前输错的数据，重新送入正确的数据。2. 显示基本画面或测量的结果（因显示器只显示一分钟就自动消失）。3. 人为停止标准计数或现场测试。此外，在不同的状态下，按该键有特定的功能（以后介绍）。STEP 跳步键。不同的状态下有不同的作用（以后介绍）。START 启动键。用于标准计数和现场测量的启动。ID 选定测点记录
22、号键。和STEP键或ENTER键配合使用有不同的功能（以后介绍）。,PRINT 打印键。仪器外接打印机时可打印测量结果。暂不用不要按。如误按该键，应按CLEAR键退出。%COMP 选择Md、Mw 、Av三者之一按此键。反复按该键，依次转换Md、Mw、Av状态下用此键输入的数据其含义不同（以后介绍）DBIAS 湿容重偏值键。用于输入湿容重的偏移量。MBIAS 水分重偏值键。用于输入水分重的偏移量。TIME 时间键。用于选定测量计数时间。STD 标准键。用于显示标准计数后的有关数据，和START键配合可进行标准计数。,标准计数 1）为什么要进行标准计数 由于辐射的衰变，其辐射强度会缓慢下降。另外电
23、子元件的参数和检测管的灵敏度都有可能稍有变化影响到密度、水分计数值的变化。因此，在使用仪器时，最好每周做一次标准计数。有时标准计数时间虽很短，但测量的环境发生了大的变化，也应重做标准计数。如前所述，仪器测量密度和水分时都要用到计数化。辐射衰变、电子元件参数和检测管灵敏度的变化使计数率下降，但这种变化对现场计数和标准计数的影响是一致的，（代表计数化）=现场计数标准计数，任何时候这种计数比应是一个常数，从而保证了仪器测量的准确性。另外，仪器性能的判断源、中子源衰变的程度，由标准计数后即可看出和分析出，由此看来，使用一台仪器，做好标准计数尤为重要。,如何做标准计数 做标准技术如下图所示。先把标准块放
24、在坚硬的材料上，标准块上有三个凸出铝钉面向上。然后把仪器放在标准块上（仪器底部的三个凹窝应和标准块上三个凸铝钉对准）。分别按以下两种键面即可进行标准计数： STD，START 标准计数时，不需选定计数时间，仪器自动进行一秒一次的采样测定，共256次需四分一十六秒。标准计数开始后，显示器上N后的数在不断递增到256时，标准计数结束，仪器发出两声响音。仪器正在做标准计数，如按了STEP，则停止标准计数，停止前做的标准计数已存入仪器内，如按了CLEAR键仪器退出标准计数，原标准计数不变。 标准计数时，要求仪器周围最少4.5米内不应有放射源，1.5米内不应有其它物质堆放在地面上,操作人员按键后应退出2
25、米以外的地方。 另外,标准计数时,仪器手柄必须在安全(SAFE)位置。否则，不用进行标准计数，显示器会有“把手柄放在安全位置再按启动键”(put rod in SAFE and press START) 提示。,清 理 闸 门仪器在现场测量一段时间后，因r源金属杆要经常上下滑动，有可能将灰尘或泥土等杂物带入闸门内，造成闸门的开关不灵活，手柄向下压时吃力。此时，决不可用力追使闸门打开，必需作清洁处理。清理闸门的方法如下图。首先将手柄放在安全（SAFE）位置，用随仪器带的十字头螺丝刀旋出闸门盖板上的四个埋头螺钉，可将盖板和弹簧推动的钨制闸门一起取出。然后用长柄硬毛刷清理闸门槽中的赃物，绝对不能用手
26、指去清除或触摸腔壁。槽中清理后也要把闸门滑块盖板清理干净，最后用随仪器带来的润滑喷剂喷涂闸门斜面和其它相互摩擦的表面，待其干燥后将闸门装好，再把导管内的放射金属杆喷一些润滑剂，一手抓住导管，一手拿着手柄用力上下推拉五、六次，使金属放射杆往下压时自如。进行上述操作时，人应与站在闸门开关相反的方向上，以保证有最大的辐射屏蔽作用。随仪器带来的润滑油用完，必须到服务中心购置核子湿度密度仪专用的润滑剂，不能随便用其他油作润滑剂否则粘性大，把土及其他物带进仪器内，一方面损坏仪器，另一方面测量的数据不准。,检 定,使用核子湿度密度仪最重要的一个环节就是检定。根据铁道部的行规每年检定一次，因为测量密度用的源半
27、衰期是30年，它每年要衰减1.5%。电子元件参数的改变及接收射线管的衰退，如果继续利用厂家给的A、B、C的参数，使用一年以后测出的数据远远达不到技术要求。必须要在国家质检局授权的单位进行检定，才能拿到规定技术指标。,501DR 深层核子湿度密度仪,应用领域：土木工程 用于公路、铁路、堤坝等建筑物修筑前现场检测地下密度和含水率。 在工程修建过程中，跟踪检测地下密度和含水率的变化。 长期定点检测堤坝、水库、公路和铁路路基的密度和含水率的变动情况。 检测水泥桩基的混凝土的填充均匀度。农业 检测耕地的密度和含水率，推断土壤状况是否符合作物的生长。环境及其它 通过对堆积的密度检测，结合体积，推测堆积物的
28、重量，检测垃圾场地等的添埋密度，判断场地容量。,特点 可用RS232 串行接口将数据传输至电脑或打印机上 可使用普通打印机或便携式专用打印机 用厂家配送的螺丝刀即可进行现场维修，更换部件 可充电，耐用的电池组 集成微处理器，功能选择简单 大屏幕显示，同时读取所有测量数据 可储存1000个测点的测试数据 时钟和日历 16种标定模式适用环境的多种变化,精度 若测试时间为一分钟。 密度为2.0gcc（克/立方厘米），精度为：0.0096gcc 含水率为0.24gcc，精度为0.0024 gcc技术参数 功能：地下深层密度，含水率检测范围 密度-0.96-2.88gcc 水分密度-0-0.64gcc
29、计数时间：用户自定测量时间1、4、16、64或256秒 操作温度：00C至700C 电源：AA镍镉电池焊接成一组。 电池寿命：500至1000次充放电循环，正常使用可以用十年左右。 电源消耗：平均10mA，可进行3000次每次半分钟的测试。 充电：墙插座式的电池充电器进行充电，时间14小时。 显示：点阵液晶显示屏，每屏显示8行，每行20个字符,单位：公制克/立方厘米（ gcc），或英制磅/立方英寸（ pcf）标定：厂家及授权维修中心检定，或用户输入标定系数自标定。放射源：伽玛源：10mci（毫居里）铯-137 中子源：50mci（毫居里）镅-241/铍 封装：双重不锈钢密封运输：N.O.S.UN2974.运输指数0.4。黄色标志，USA DOT7A，A型包装。特别批准文号：USA/0397/S USA/0398/S,谢谢光临！,祝：大家新年快乐 万事如意 合家幸福,
