RADIOMETRINEN REIKÄMITTAUS

TIEN POHJA- JA PÄÄLLYSRAKENTEET TUTKIMUSOHJELMA 1994-2001 Menetelmäkuvaus TPPT 10 Espoo, 4.12.2001 RADIOMETRINEN REIKÄMITTAUS 0.0 0.2 Kuivatil.paino Märkätil.paino Vesipitoisuus 0.4 0.6 Syvyys tien pinnasta, m 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Tilavuuspaino, kn/m 3 Vesipitoisuus, paino-% Jouko Törnqvist Rainer Laaksonen VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka

1 Alkusanat Tien pohja- ja päällysrakenteet tutkimusohjelman (TPPT) lopputulosten tavoitteena on entistä kestävämpien uusien ja perusparannettavien kestopäällystettyjen teiden rakentaminen siten, että myös rakenteiden vuosikustannukset alenevat. TPPT-ohjelmassa kehitettiin tierakenteiden mitoitusta (TPPT-suunnittelujärjestelmä). Suunnittelujärjestelmään kuuluvissa mitoitusohjeissa ja menetelmäkuvauksissa esitetään ne menettelytavat ja keinot, joita käyttäen tierakenne voidaan kohdekohtaisesti suunnitella ja mitoittaa. TPPT-suunnittelujärjestelmään sisältyy myös päällysrakenteen elinkaarikustannustarkastelu, jonka suorittamiseksi esitetään menettelytapa. Suunnittelujärjestelmälle on ominaista, että tierakenteen mitoitus tapahtuu paikkakohtaisilla tiedoilla ja parametreilla (liikenne, ilmasto, pohjamaa, käytettävät rakennemateriaalit, vanhat rakenteet). Mitoituksessa käytettävien pohjamaata ja rakennemateriaaleja koskevien parametrien määritys tapahtuu ensisijaisesti laboratoriokokeilla tai maastossa tehtävin mittauksin ja tutkimuksin. Myös muiden mitoituksessa tarpeellisten lähtötietojen hankinnassa ja ongelmakohtien tai muutoskohtien paikannuksessa käytetään maastossa ja tiellä tehtäviä havaintoja ja mittauksia. Suunnittelujärjestelmään kuuluvat oleellisena osana sitä täydentävät suunnittelun ja mitoituksen lähtötietojen hankintaa käsittelevät menetelmäkuvaukset. Esitettävät menetelmät ja menettelytavat on todettu käyttökelpoisiksi käytännön havaintojen ja kokeiden perusteella. TPPT-ohjelman tuloksena laaditaan myös yhteenveto ohjelmaan sisältyneistä, mitoitusohjeiden laadinnassa hyväksikäytetyistä koerakenteista sekä yhteenveto tien rakennekerrosten materiaaleista ja niiden valintaan vaikuttavista tekijöistä. Tämän Radiometrinen reikämittaus menetelmäkuvauksen ovat laatineet Jouko Törnqvist ja Rainer Laaksonen VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikasta. Menetelmäkuvauksen sisältö on käyty läpi yhdessä tielaitoksen asiantuntijoiden kanssa. Joulukuussa 2001 Markku Tammirinne

2 Sisällysluettelo 1 JOHDANTO... 3 2 RADIOMETRINEN MITTAUSMENETELMÄ... 4 3 MITTAUSMENETTELY... 8 3.1 Mittausputki ja sen asennus... 8 3.2 Mittaus... 9 3.3 Menetelmän tuottamat mittausarvot ja mitoitusparametrit... 10 4 LAITTEISTON KALIBROINTI JA HUOLTO... 12 5 EPÄTARKKUUS... 14 6 KÄYTTÖÄ KOSKEVAT KÄYTTÖTURVALLISUUSVAATIMUKSET... 14 7 MITTAUSHENKILÖSTÖLLE ASETETTAVIA VAATIMUKSIA... 15 8 VIITTEET... 15

3 1 JOHDANTO Radiometrisilla mittauksilla tarkoitetaan menetelmiä, joissa käytetään epäsuorasti hyväksi radioaktiivisten aineiden väliaineessa tapahtuvan säteilyn leviämisestä ja säteilyn vaimenemisesta tehtyjä havaintoja. Haluttu tulossuure on epäsuoraan määritettävissä, jos tulossuureen ja säteilyn käyttäytymisen välillä vallitsee riittävän yksiselitteinen ja matemaattisesti esitettävissä oleva yhteys. Irtomaapeitteiden ominaisuuksien määrittämisessä radiometrisiä reikämittauslaitteistoja on toistaiseksi käytetty ainoastaan satunnaisesti ja useimmiten lähinnä tutkimushankkeissa. Yhtenä syynä tähän on ollut laitteistojen pieni määrä Suomessa sekä niiden suuri hankintahinta. Tulevaisuudessa menetelmän käytön arvioidaan yleistyvän ja osittain korvaavan mm. näytteenottoa kustannustehokkaana in situ-mittausmenetelmänä. Tässä menetelmäkuvauksessa käsitellään gamma -säteilyyn ja neutron -säteilyyn perustuvaa maahan tehdyssä reiässä tapahtuvaa mittausmenetelmää. Radiometristä menetelmää käytetään TPPT suunnittelujärjestelmän mukaisen tien painumalaskennan lähtötietojen hankintaan (Menetelmäkuvaus TPPT 19 "Tien jatkuvan painumaprofiilin laskenta pikselimallilla"). Tällöin pääasiallinen käyttökohde on tuottaa jatkuva tai lähes jatkuva, pistekohtainen vesipitoisuustieto, jota käytetään sähköisellä maavastusluotauksella tehtävässä maastomallin vesipitoisuusmuunnoksessa (Menetelmäkuvaus TPPT 9 Sähköinen vastusluotaus tien painumalaskennan lähtötietojen hankkimisessa ). Menetelmää voidaan käyttää myös tavanomaisia pohjatutkimuksia täydentävänä ja osittain niitä korvaavanakin tutkimusmenetelmänä, esimerkiksi koekuoppien sijasta, kun tutkitaan vanhan tierakenteen tilaa. Englanninkielisessä terminologiassa gamma -säteilyyn perustuvasta luotausmenetelmästä käytetään nimitystä γ- γ -logging ja neutronsäteilyyn perustuvasta menetelmästä n - n logging '. Menetelmä on periaatteessa sama kuin Troxler Electronic Laboratories'in kehittämässä kosteuden ja tiheyden pintamittauslaitteessa, josta Suomessa käytetään yleensä valmistajan mukaista nimitystä 'Troxler'. Mittausmenetelmä on edelleen läheistä sukua päällysteen tyhjätilan ja tiheyden tarkkailuun käytettävälle DOR mittauslaitteelle. Olennaisena erona tässä menetelmäkuvauksessa käsiteltävässä menetelmässä verrattuna edellä mainittuihin menetelmiin on se, että mittaus tehdään maahan tehdyssä reiässä. Mittausreikä tehdään teräsputkella, joka toimii samalla mittausputkena. Tällöin vältetään olennainen osa pintamittausmenetelmien ongelmista, jotka johtuvat mm. säteilyn hallitsemattomasta siroamisesta ympäristöön, jos mittalaitteen ja mitattavan pinnan välinen kontakti ei ole hyvä. Radiometrisen reikämittauksen pääasiallinen käyttökohde on kallioreikien tutkimuksessa rakentamisessa tai malminetsinnässä sellaisissa hankkeissa, joissa tutkimusreikä on yleensä kallioon porattu r ilman tuentaa tai suojaputkea. Kaupallisesti saatavat laitteet on yleensä suunniteltu tähän käyttöön ja satojenkin metrien syvyisten reikien tutkimiseen. Tässä menetelmäkuvauksessa esitetyt laite- ja käyttösovelluskuvaukset perustuvat suhteellisen matalan säteilyintensiteettitason omaavista, venäläisvalmisteisista PPGR - VPGR - laitteista saatuihin käyttökokemuksiin. Laitteistoa ja ennenkaikkea tulkintamenettelyä on VTT:ssä kehitetty 1980-90 -luvuilla soveltumaan irtomaapeitetutkimuksiin. Näissä laitteissa mittaus tapahtuu syvyystasoittain pysäyttämällä mittausanturit kulloinkin mitattavaan tasoon. Tehokkaammilla säteilylähteillä varustetuilla laitteistoilla mittaus voidaan tehdä mittausreiässä näennäisesti jatkuvana (kallioreikäsovellukset) nostamalla tai laskemalla anturia vakionopeudella. Tällöin joudutaan tehostamaan säteilyturvallisuuden varotoimenpiteitä, jotka osaltaan hankaloittavat näiden laitteiden käyttöä tavanomaisissa pohjatutkimuskohteissa.

4 2 RADIOMETRINEN MITTAUSMENETELMÄ Tiheyden ja kosteuden mittauslaitteistot koostuvat anturista (säteilylähde ja vastaanotin), säilytys- ja kuljetuslaitteesta ja pulssilaskurista, kuvat 1 ja 2. Kuvassa 3 on esitetty jatkuvaan mittaukseen soveltuva nykyaikainen mittauskalusto. Pulssilaskuri voidaan tarvittaessa liittää tavalliseen maastokäyttöiseen maastotallentimeen tai tietokoneeseen ja käyttää hyväksi niihin rakennettavia tiedonkeruuohjelmia. Kuva 1. PPGR - tiheysmittari /1/. Kuva 2. VPGR - kosteusmittari /1/.

5 Kuva 3. Mittauskalusto, jolla mittaussondit lasketaan maahan vaijerivinssiä käyttäen. Kuvissa näkyy keskenään varsin samannäköiset gamma- ja neutron -sondit sekä sondin laskemiseen tarvittava kolmijalka vaijeripyörineen. Vasemmassa kuvassa on lisäksi mittaustietokone ja vaijerivinssi, oikeassa kuvassa sondien kuljetusputket. Säteitylähteitä ja niiden kuljetussuojuksia ei kuvissa näy. VTT:llä käytössä olevien sondien (vastaanotin ja säteilijä) ulkohalkaisijat ovat n. 35 mm ja maksimipituus säteilijän kanssa on n. 800 mm. Sondien pienistä halkaisijamitoista johtuen mittausputkena voidaan käyttää sisähalkaisijaltaan 40-42 mm teräsputkea, joka on suhteellisen helppo painaa tai lyödä maahan sekä tiivistää putkeen tunkeutuvaa vettä vastaan. Gamma -säteilyn lähteenä on Cesium-137. Säteilijästä lähtiessään ja maan kautta kulkiessaan vaimentunutta γ -säteilyä mitataan natriumidiodikiteellä, jossa on thallium epäpuhtauksia (NaI(Tl)). Thalliumista irtoavien elektronien välähdykset (photonit) puolestaan törmäävät photokatodille vapauttaen siitä elektroneja. Elektronien irtoaminen vahvistetaan photovahvistinputkessa sähköpulsseiksi, jotka lasketaan laskurilla ja viedään edelleen tuloskäsittelyyn. Yleisesti vastaanotin tunnetaan nimellä Geiger -putki. Gammasäteily vaimentuu väliaineessa noudattaen yhtälöä (1). I = I 0 e αρx (1) jossa I I0 α ρ x = = = = = säteily referenssisäteily materiaalin absorptio materiaalin tiheys etäisyys Kaavasta (1) käy ilmi, että säteilyn vaimenemista säätelee kiinteän väliaineen tiheys sekä sen absorptio. Mikäli väliaine muodostuu kivennäismateriaalista, jossa absorptio on kaikille ainesosille sama tai lähes sama, säteilyn vaimenemisesta voidaan laskea väliaineen tiheys. Väliaineen absorptio mm. eloperäisissä materiaaleissa (liejut, turpeet) sekä mm. eräissä sivutuotemateriaaleissa (tuhkat, kuonat) poikkeavat kivennäismaasta. Näissä materiaaleissa mittaustulosten tulkinta materiaaliparametreiksi on mahdollista, jos mittauksen tulkinnassa voidaan käyttää ao. materiaalin tunnettua absorptiokerrointa.

6 Seosmateriaaleille, esim. edellä mainitut tuhkat ja kuonat, menettely edellyttää käytännössä yhtälön (1) ratkaisemista materiaalikohtaisella kalibroinnilla. Käytännön mittauksessa kivennäismaasta poikkeavien maakerrosten sijainti tulee tällöin tunnistaa muilla menetelmillä, esim. näytteenotolla. Kaava (1) ei myöskään ole sellaisenaan sovellettavissa kaasuille. Tästä seuraa se, että merkittäviä tyhjätiloja omaavissa rakenteissa, kuten karkeissa louheissa ja lohkareisissa maissa, radiometrisen reikämittauksen tiheysmittaustulokset ovat epäluotettavia. Maassa olevissa mineraaleissa on pieniä määriä aineita, jotka säteilevät gammasäteilyä. Tätä säteilyä kutsutaan taustasäteilyksi. Eri maakerroksissa taustasäteilyn määrä on mm. mineraalikoostumuksesta riippuvainen ja vaihtelee siten syvyyden ja paikan funktiona. Jotta kaavaa (1) voidaan soveltaa, taustasäteilyn määrä mittauksista on poistettava. Tämä tapahtuu mittaamalla taustasäteilyn suuruus ilman erillisistä säteilylähdettä. Säteilylähteen aikaansaaman säteilyn lisäys saadaan tällöin vähentämällä mitatusta säteilystä taustan säteily. Taustasäteily itsessään kertoo jossain määrin maakerrosten koostumuksesta, syntyhistoriasta jne, jolloin taustasäteilyä voidaan pitää myös menetelmän tuottamana mittaustuloksena. Tässä menetelmäkuvauksessa tätä asiaa ei käsitellä. Neutron säteilijässä Plutonium-238:n α-partikkelit irroittavat Berylliumin nopeita neutroneita, jotka menettävät energiaansa törmätessään mitattavan aineen vetyatomeihin, joista siroaa edelleen hitaita neutroneita (yhtälöt (2) ja (3)). Hitaiden neutronien takaisinsironta mitataan Helium -kaasun purkauslaskurilla, jonka keräämät sähköpulssit viedään näyttöön ja edelleen tuloskäsittelyyn. 238 Pu 238 U + 4 He (2) 94 92 2 4 He+ 9 Be 12 C+ 1 n (3) 2 4 6 0 Vastaanotettujen pulssien määrä kuvaa siten väliaineessa olevien vetyatomien määrää (tiheyttä). Luonnon kivennäismaalajeissa vetyä esiintyy lähes ainoastaan vedessä, jolloin neutron -mittaustulosta voidaan pitää suoraan veden määrää kuvaavana suureena. Mikäli mitattava materiaali sisältää vetyatomeja muussa muodossa kuin vetenä, se tulee erikseen ottaa huomioon tuloksia tulkittaessa. Tällaisia materiaaleja ovat mm. hiilivetyjä sisältävät päällysteet. Menetelmä ei erottele veden eri olomuotoja. Sula tai jäätynyt vesimäärä tulostuu yhtälailla vapaana vetenä. Tämä on otettava huomioon mitattaessa routinutta maakerrosta. Tulkittava vesipitoisuus ei tällöin tarkoita siis välttämättä maan huokosissa olevan veden määrää, vaan myös jäälinsseinä esiintyvän veden määrää. Luonnossa ei esiinny neutron -taustasäteilyä. Irtomaapeitesovelluksessa edellä mainitun kahden toistaan riippumattoman mittauksen, gamma- ja neuron- säteilymittauksen, tulosten yhdistäminen antaa mahdollisuuden tehdä johtopäätöksiä maapohjan insinööriteknisten suureiden määrittämiseksi, kuva 4. Erillisinä tehtyinä ei mittaustuloksia sitävastoin voida purkaa maalajien ominaisuuksiksi, vaan tulostussuureena on säteilypulssien lukumäärä syvyyden suhteen.

7 Mittaus Tulossuureet Tuloskäsittely (ohjelmalla) Kuva 4. Prosessikaavio gamma- ja neutronsäteilymittausten tulosten laskennasta maakerrosten ominaisuuksiksi. Kuvassa 4 esietyssä menettelyssä tulee huomata - Kalibrointifuktiot k 1 ja k 2 pitää olla tiedossa - Tiheyttä mitattaessa veden ja kivennäismaan kiintoaineksen erilainen absorptio huomioidaan korjaamalla veden näennäistä tiheyttä kertoimella 1.11. - Kivennäismaan kiintotiheys vaihtelee. Perustulkinnassa, kun kiintotiheyden arvoa ei yleensä tunneta, sille oletetaan keskimääräinen vakioarvo 2,67 t/m 3.

8 3 MITTAUSMENETTELY Seuraavassa esitetty mittausmenettely on käytössä VTT:llä ja VTT:n käyttämälle kalustolle. 3.1 Mittausputki ja sen asennus Mittausputkena käytetään yleisemmin teräsputkea ("musta" 1 m tai 1.5 m pitkä vesijohtoputki NS40 (DIN 2440), φ u = 48.3 mm, t = 3.25 mm, φ s = 41.8 mm). Määrämittaisten putkien päihin on sorvattu kierre, jonka nousu on 11 kierr./tuuma. Ensimmäiseksi asennettavan putken alapäähän on asennettu sorvattu kartiokärki (kärkikulma n. 60 ), joka hitsataan vesitiiviisti putkeen. Putket (pituudet asennuskalustosta - yleensä ns. monitoimikaira - riippuen 1.0-2.0 m) liitetään ulkopuolisella muhviliitoksella toisiinsa käyttäen 1,5 vesijohtoputken muhvia (suora malli). Liitokset tiivistetään tarvittaessa joko tappuralla ja vaseliinilla tai teflonteipillä. Tiivistäminen on tarpeen, jos mittausanturien vedenpaineensietokyky ei ole varmistettu tai, jos mittaustulosten tulkinnassa käytetään ainoastaan kuivalle putkelle soveltuvia kalibrointifunktioita. Pitkän aikaa, esimerkiksi useita vuosia tarkkailumittaukseen käytettäviin maassa oleviin putkiin ajanmittaan kondensoituu/vuotaa tiivistämisestä huolimatta mittausta haittaavaa vettä. Mittausputki asennetaan ensisijaisesti painamalla ja varovasti lyömällä tai toissijaisesti täryttämällä haluttuun syvyyteen tai kovaan pohjaan asti. Kiviseen maahan voidaan tarvittaessa tehdä asennusesireikä heijarikairalla tai poraamalla. Porauksessa huuhteluveden tai ilman käyttö ei ole suositeltavaa siitä syystä, että itse mitattava maa löyhtyy tai sen vesipitoisuus muuttuu mittausputken vierellä. Reikää tehtäessä on aina pyrittävä välttämään sitä, että putken ympärille syntyisi tyhjää ja vedellä täyttyvää tilaa. Tyhjä tila näkyy mittaustuloksissa, mutta tilan vaikutusta tuloksiin ei jälkikäteen pystytä tuloksista poistamaan. Yli 50 mm halkaisijaltaan olevaa porakruunua ei tule käyttää. Lyömällä tehtävässä asennuksessa mittausputken kierteistettyyn päähän asennetaan lyöntikappale, kuva 5, joka muodostuu muhvista sekä keskistystangosta. Lyöntikappaleen ja kierteiden vaurioitumisen estämiseksi muhvi kierretään kierteiden pohjaan asti. Kuva 5. Mittausputken asennuksessa käytettävä lyöntipää.

9 Mittausputki voidaan asentaa pystysuoraan tai haluttuun, asennuskoneen mahdollistamaan kaltevuuskulmaan. Putken yläpään sijainti vaakasuunnassa mitataan. Putken yläpään korkeusasema sekä mittausputkea ympäröivän maanpinnan korkeus mitataan. Pystysuorasta suunnasta poikkeavan putken lähtökaltevuus ja suunta mitataan asentamisen jälkeen putken maanpinnalle jäävästä osasta. Jos putken katkaisutaso (muhvin kohta) jää lähelle maan pintaa, käytetään kaltevuuden mittauksessa apuna ylimääräisiä jatkosputkia. Mittausputket numeroidaan. Kertaluonteisessa mittauksessa putki voidaan mittauksen jälkeen nostaa ylös ja käyttää uudelleen. Toistuvissa seuranta-/tarkkailumittauksissa, joissa putki jää maahan pidemmäksi aikaa, putken yläpää suljetaan esimerkiksi sulkumuhvilla. Mittausputkena voidaan käyttää materiaaliltaan ja dimensioiltaan myös muita kuin teräsputkia. Mittaustulosten tulkintaa varten käytettävälle putkimateriaalille on tehtävä tällöin asiaankuuluva kalibrointi. Muina putkina on käytetty ns. sähköputkia, pieniä muovisia viemäriputkia, siivilällisiä pohjaveden mittausputkia jne. Käytettävän mittausputken sisähalkaisija ei saa olla enempää kuin noin 5...8 mm mittaussondin halkaisijaa suurempi. Tätä suuremmissa putkissa anturin liikkuminen putken sisällä heikentää mittauksen luotettavuutta, jos mittauksessa ja kalibroinnissa ei käytetä anturia putkeen keskistävää ohjauskappaletta. Liian ahdasta putkea käytettäessä vaarantuu mittausanturien vapaa laskeminen putken pohjalle, koska asentamisen yhteydessä putkeen syntyy helposti kulmanmuutoskohtia. Mittausputken alapää ulotetaan 0,5 m alimman halutun mittaustason alapuolelle. 3.2 Mittaus Tiheyden mittaus (gamma-säteilymittaus) tehdään kahdessa vaiheessa. Ensin mitataan pelkän taustasäteilyn määrä ilman, että mittaussondiin on kiinnitetty säteilylähdettä. Tämän jälkeen mitataan sondiin liitetyn säteilijän aiheuttaman lisäsäteilyn ja taustasäteilyn summa. Kosteusmäärä mitataan neutronsäteilijällä yhdellä mittauskerralla. Mittauksen tasoväli valitaan tarvittavan erottelukyvyn mukaan. Pienimmillään mittausten väli on tyypillisesti 0.1 m ja suurimmillaan 1.0 m. Pienin järkevä mittausväli riippuu gammasäteilylähteen ja vastaanottimen välisestä etäisyydestä. Tämä väli on eräissä laitteissa portaittain säädettävissä. Sirontaluonteen johdosta hyvin tiheällä (1...5 cm) syvyysmittauksella saadaan aikaan laakea, hitaasti muuttuva tulos, eikä todellinen informaatio ole juurikaan parempaa kuin harvemmalla mittauksella. Tällä hetkellä on kehitteillä ohuempien kerrosten ominaisuuksien tunnistamista helpottava inversio-ohjelma, jolla maahan asennettujen routaeristeiden yms. ominaisuuksia voidaan menettelyllä luotettavasti tulkita. Yhden mittaustason mittaukseen (pulssien laskentaan) tarvittava aika riippuu laitteiston säteilyintensiteetistä sekä haluttavasta mittausresoluutioista eli toistettavuusvaatimuksesta. Säteilymittauksen erityispiirre moniin muihin mittauksiin verrattuna on säteilyn tilastollinen luonne. Säteilylähteen aikaansaama säteilytiheys (pulssia / aikayksikkö) vaihtelee ominaiskohinan verran tietyn keskiarvo ympärillä. Mitä pidempi mittausaika on, sitä suuremmalla todennäköisyydellä ajanjaksona mitattu säteilymäärä lähestyy keskiarvoa. VTT:n käyttämällä laitteistolla säteilymäärä poikkeaa keskiarvosta enintään 2 %, kun mittausjakson pituus on 10 sekuntia. Laitteiston säteilymäärää nostamalla, eli tehokkaammilla laitteistolla, voidaan mittaus samalla mittaustarkkuudella tehdä jatkuvaksi, jolloin anturia lasketaan vakionopeudella mittausputkessa.

10 VTT:n mittauksissa käytetään kullakin mittaustasolla mittaukseen 10 sekuntia. Mittaustasolla tehdään kolme peräkkäistä toistoa, joten tasoa ja mittauskertaa kohden aikaa menee n. 1 minuutti. Toistojen erillinen taltiointi toimii mittausmenetelmän laadunilmaisimena. Mikäli kolmen toiston aikana mitatut pulssimäärät poikkeavat toisistaan enemmän kuin asetetun raja-arvon määrän, mittausten tulkintaohjelmisto on ohjelmoitu antamaan virheilmoituksen. Vastaanottimien tuottamat pulssit 10 sekunnin mittausaikana lasketaan tiedonkeruulaitteella ja tallennetaan laitteen muistiin. 3.3 Menetelmän tuottamat mittausarvot ja mitoitusparametrit Mittauspistekohtainen tiedosto sisältää pistetiedot ja tiheysanturin taustasäteilyn, kokonaissäteilyn ja kosteusanturin neutronsäteilyn jokaisen mittaustason laskuritulokset kolmesta toistomittauksesta. Tulosten jatkokäsittely, jolloin tehdään mitatuista arvoista muunnos tiheys - ja vesipitoisuusarvoiksi, tapahtuu putkikohtaisen kalibrointitiedon avulla. Muunnoksen jälkeen tuloksena on tasokohtainen märkä- ja kuivatiheys, vesipitoisuus, huokosluku ja kyllästysaste. Tulossuureiden laskeminen ja kalibrointitietojen käsittely tapahtuu kätevimmin tietokoneohjelmalla. Laitteistotoimituksiin ei sisälly nykyisellään tulossuureiden laskentaohjelmia vaan ainoastaan sätelyintensiteetiteetin esittämiseen tarvittavia ohjelmia. Tulossuureiden käsittelyohjelmat voidaan laatia esimerkiksi taulukkolaskentaohjelmilla. Ohjelman sisältö on periaatteessa esietty kuvassa 4. Mittaustulokset esitetään pistekohtaisesti. Tulokset voidaan esittää tulkittuina numeroarvoina taulukkomuotoisesti, kuva 6. VTT:n käyttämä graafinen tulostusmalli on kuvassa 7. Tulostuksessa on esitettävä pisteen tunnistetiedot, mittaaja, päivämäärä, korkeustason sidonta sekä antureiden kalibrointivuosi.

Kuva 6. Radiometrisen mittauksen taulukkomuotoinen esitystapa (VTT). 11

12 0 Kohde: PT 11689, Söderkulla -Nikkilä Piste: 2 PL4365 oik 11 Mittauspvm.: 13.12.1994, Mp: +3.458 RADIOMETRINEN N-N JA G-G LUOTAUS Mittaaja: VTT/Yhdyskuntatekniikka/Väinö Räty Tulkinta perustuu kalibrointiin: Rauta48, v. 1992 1 2 3 Syvyys maan pinnalta, m 4 5 6 7 8 9 10 11 6 8 10 12 14 16 18 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Tilavuus- ja kuivatilavuuspaino, kn/m3 Vesimäärä/ kok.tilavuus, g/cm3 0 20 40 60 80 1000.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Vesipitoisuus w, % Huokosluku e, - 0 20 40 60 80 100 Kyllästysaste, % Kuva 7. Radiometristen mittausten tulosten esittäminen graafisesti (VTT) 4 LAITTEISTON KALIBROINTI JA HUOLTO Mittauslaitteisto on kalibroitava säännöllisesti. Suositeltava kalibrointiväli on kaksi vuotta, jos kalibrointifunktiot (kuvan 3 kalibrointifunktiot k 1 ja k 2 ) määritetään pelkästään kokeellisesti. Kalibrointitarve aiheutuu ensiksikin säteilylähteen säteilyintensiteetin pienenemisestä ajan mittaan. Tiheysmittarissa käytettävän Cesium-137 isotoopin puoliintumisaika on 30 vuotta ja neutronsäteilijässä käytettävän Plutonium-isotoopin puoliintumisaika 86 vuotta. Toiseksi kalibrointitarpeen aiheuttaa mittauksiin käytettävien putkityyppien vaihtaminen. Kalibroinnissa säteilyintensiteetin lasku voidaan ottaa huomioon myös laskennallisesti. Tällöinkään anturien kokeellinen kalibrointiväli ei saisi olla suurempi kuin viisi vuotta. Kalibrointifunktiot tulee ajantasaistaa (kalibroimalla tai laskennallisesti) kuitenkin vähintään kahden vuoden välein. Kalibrointi tehdään mittaamalla laitteiston mittausmenettelyn mukaisesti (pulssien otosaika) vesitiheys (neutron -mittaus) ja kokonaistiheys (gamma -mittaus) vähintään neljällä eri arvon aiheuttavalla materiaalilla, joiden tiheysarvot asettuvat laitteen käyttöalueen alueelle. VTT:n käyttämät kalibrointimateriaalit ovat ilma, vesi, kuiva tasarakeinen hiekka (vakiona pysyvä tiheys), kyllästetty tasarakeinen hiekka sekä betoni. Kivennäismaalajeista poikkeaville materiaaleille kalibroinnissa tulee käyttää samaa materiaalia eri vesipitoisuuksissa ja tiheyksissä. Kalibrointipisteinä käytettävien referenssisuureet, vesitiheys sekä tiheys, määritetään vähintään 0,5% virhetarkkuudella. Kalibrointifunktiot määritetään sovittamalla mitattujen pulssien ja tulossuureiden välille paras pienimmän neliösumman periaatteella parhaiten soveltuva sovitusfunktio.

13 Kalibrointimittaukset tehdään riittävän laajassa astiassa, johon asennetaan sekä referenssimateriaali, että mittausputki, jonka sisältä kalibrointimittaukset tehdään. Astian koko tulee valita riittävän suureksi, jotta astian reunan tai pinnan / pohjan ulkopuolelle leviävän säteilyn määrä on alle 2% kokonaissäteilyn määrästä. Kalibroinnin teknisen suorittamisen periaatetta on havainnollistettu kuvassa 8. Laitteisto ei yleensä edellytä erityisiä huoltotoimenpiteitä, vaan tavanomaiset puhtaanapitoon liittyvät toimenpiteet riittävät. Vinssijärjestelmistä sekä tiedonkeruulaitteista on valmistajan antamat huolto-ohjeet. Mittausputki 48 mm, s=3 Gamma -säteilijä Tiheys kalibrointifunktio k 1 Pulsseja / aikayksikkö Neutron-säteilijä Vesi Vesitiheys ρ w Kyllästetty maa kalibrointifunktio k 2 Betoni Pulsseja/aikayksikkö Ilmakuiva maa Ilma Kuva 8. Periaatekuva radiometrisen mittauslaitteiston kalibroinnin suorittamisesta.

14 5 EPÄTARKKUUS Mittaukseen aiheuttavat epätarkkuutta seuraavat tekijät: - kalibroinnin epätarkkuus - mittausputken toleranssivaihtelut ja putken väljyys (intensiteetti vähenee nopeasti etäisyyden funktiona) - tyhjätila putken ja ympäröivän maan välissä - putken lyönnin aiheuttama mitattavan maan tiivistyminen - tulkinnan epätarkkuus (erityisesti e ja S r ) - mitattavassa materiaalissa olevat kivennäismateriaalin absorptiokertoimista poikkeavat ainesosat ja vedyn esiintyminen muissa yhdisteissä kuin vedessä. VTT:n kokemuksen mukaan edellä kuvatuilla menettelyillä tavanomaisissa pohjatutkimusyhteyksissä tiheyden virheraja on suuruusluokkaa 5-10 %. Vesipitoisuuden tulkitun tuloksen virhe on suuruusluokkaa ± 5%. Kun toistomittauksissa käytetään samaa mittausputkea, mittauksilla on erittäin hyvä toistettavuus. Virhe on alle 1%. 6 KÄYTTÖÄ KOSKEVAT KÄYTTÖTURVALLISUUSVAATIMUKSET Säteilylähteiden käyttöä varten on oltava turvallisuuslupa, ellei käyttöä ole säteilylain (592/1991) 17 :n nojalla vapautettu turvallisuusluvasta. Turvallisuusluvan hakemisesta on säädetty säteilyasetuksessa (1512/1991). Turvallisuuslupaa koskevaan hakemukseen on liitettävä säteilyn käyttöorganisaatiota koskeva selvitys (organisaatioselvitys). Organisaatioselvitykseksi yleensä riittää, että nimetään säteilyn käytön turvallisuudesta vastaava johtaja. Jos vastaava johtaja ei itse voi aktiivisesti valvoa säteilylaitteiden käyttöä, vastaavan johtajan avuksi on nimettävä säteilylähteiden käytön turvallisuuteen perehtyneitä vastuuhenkilöitä. Näin on meneteltävä muun muassa silloin, kun säteilylähteitä on paljon tai ne sijaitsevat laajalla alueella eri paikoissa. Säteilylaitteiden käsittelyyn osallistuvien henkilöiden on tunnettava omaan työhönsä liittyvät säteilysuojausmääräykset ja työpaikkakohtaiset ohjeet. Niissä on esitettävä varotoimenpiteet, jotka on otettava huomioon tehtäessä huolto- ja korjaustyötä säteilylähteen läheisyydessä. Lisäksi on annettava toimintaohjeet laitteen rikkoutumisen ja tulipalon varalta. Vastaavan johtajan tehtävät ja pätevyysvaatimukset sekä tiedot organisaatioselvityksen laatimisesta on annettu ST-ohjeessa 1.4. Radiometrisiä mittalaitteita käytetään yleisesti teollisuuslaitoksissa samoissa tiloissa, joissa on vakituisia työpaikkoja. Säteilylähteiden läheisyydessä voidaan myös joutua työskentelemään lyhyitä aikoja. Jos säteilyn käyttö on järjestetty tässä ohjeessa annettujen turvallisuusohjeiden mukaisesti, työntekijöitä ei luokitella säteilytyötä tekeviksi työntekijöiksi. Tällöin myös henkilökohtainen annostarkkailu ja säteilylain (592/1992, muutos 1142/1998) 32 :ssä ja ST-ohjeessa 1.6 tarkoitettu työalueiden luokittelu (valvonta-alue ja tarkkailualue) ovat tarpeellisia vain poikkeustapauksissa, joista Säteilyturvakeskus päättää tapauskohtaisesti. Kun säteilylaite on asennettu käyttöön, annosnopeudet laitteen läheisyydessä eivät saa ylittää jäljempänä esitettyjä standardin ISO 7205 laiteluokituksen mukaisia arvoja. Kun laite on toiminnassa enimmäisannosnopeudet ovat seuraavat: - 500 msv/h 5 cm:n etäisyydellä laitteen pinnasta - 7,5 msv/h 1 m:n etäisyydellä laitteen pinnasta.

15 7 MITTAUSHENKILÖSTÖLLE ASETETTAVIA VAATIMUKSIA Organisaation aloittaessa mittauksen ensimmäistä kertaa, tulee mittausmenetelmän periaatteiden olla mittauksiin ryhdyttäessä tiedossa. Laitevalmistajat eivät ole varautuneet antamaan mittausten suorittamiseen erityiskoulusta, vaan laitteistojen käyttö joudutaan "opettelemaan kantapään kautta". Organisaatioissa tulee nimetä tarvittava määrä mittausvastaavia, joiden tulee mittausmenetelmän yksityiskohtien lisäksi tuntea mm.säteilyturvallisuuden perusteet (vrt. edellinen luku). Itse mittauksen suorittaminen sen jälkeen, kun mittausten suorittamiselle on luotu tarvittavat rutiinit, on suhteellisen yksinkertaista eikä edellytä erityiskoulutusta, vaan tavanomaista käyttöönopastusta voidaan pitää riittävänä. Mittaajan tulee mittausmenetelmän yleisperiaatteiden ja säteilyturvallisuusperiaatteiden lisäksi tuntea laitekohtaiset menettelyt laitteen toimintakelpoisuuden toteamisesta. Kenttämittaukset voidaan pääsääntöisesti suorittaa yhden mittaushenkilön toimesta. Tarve kahdelle mittaushenkilölle tulee vastaan, mikäli mittauspisteen saavutettavuus esimerkiksi autolla on huono. Laitekokonaisuudet painavat - laitteistosta riippuen - noin 20 kg:sta aina 100 kg:aan, painavimman yksikön ollessa n. 30 kg. 8 VIITTEET /1/ Okko, O., Tiheyden ja vesipitoisuuden mittaaminen maa- ja kalliorei'issä PPGR- ja VPGR-laitteilla, VTT Geotekniikan laboratorio 1986. /2/ Okko, O. & Törnqvist, J., Measurements of ρ and w with nuclear borehole probes. XI ECSMFE -Copenhagen 95. Danish Geotechnical Society. Vol. 1, pp. 195 200

Tierakenteen suunnittelu ja mitoitus TPPT Menetelmäkuvaukset TPPT Tierakenteen suunnittelu ja mitoitus Nro 17 Kuormituskestävyysmitoitus. Päällysrakenteen väsyminen 18 Tierakenteen routamitoitus 19 Tien jatkuvan painumaprofiilin laskenta pikselimallilla 20 Päällysrakenteen elinkaarikustannusanalyysi 21 Mitoituksen lähtötietojen hankkiminen TPPT Menetelmäkuvaukset Nro 1 Pudotuspainolaitemittaus (PPL-mittaus) Rakennekerrosmoduulien takaisinlaskenta sekä jännitysten ja muodonmuutosten laskenta 2 3 Liikennerasituksen laskeminen 4 Ilmastorasitus. Pakkasmäärän ja sulamiskauden pituuden määritys 5 Roudan syvyyden määritys 6 Routanousukoe. Routimiskertoimen (SP) kokeellinen määritys 7 Routimiskertoimen määritys 8 Lämmönjohtavuuden määrittäminen 9 Sähköinen vastusluotaus tien painumalaskennan lähtötietojen hankkimisessa 10 Radiometrinen reikämittaus 11 CPTU - kairaus 12 Läpäisevän kerroksen määrittäminen painumalaskennan tarpeisiin 13 Tien rakennekerrostutkimukset 14 Routanousun ja painuman mittaus 15 Tien vauriokartoitus ja vaurioiden kuvaus 16 Palvelutasomittaus (PTM) tien rakenteen parantamisen suunnittelussa