沉渣厚度檢測模擬試驗及應用

樊敬亮 陳 翀，2 高建忠

(1.江蘇省有色金屬華東地質勘查局，江蘇南京 210007;2.南京新華泰物探工程測試中心有限公司，江蘇南京 210007)

鉆孔灌注樁因承載力高、不擾動周圍土層、施工速度快、適應性強等優點，已成為工程基礎中最常用的樁型，因此，對于灌注樁施工質量的控制顯得十分緊迫。其中孔底沉渣厚度是灌注樁施工過程中質量控制的對象之一，因為孔底沉渣厚度的多少影響灌注樁的端部承載力及灌注樁的沉降量。

目前檢測沉渣厚度主要有重錘法和電阻率法。重錘法是依靠測試人員的手感來判斷沉渣界面位置，從而得到沉渣厚度，方法簡便，但誤差較大。電阻率法因為檢測速度快，檢測相對準確，已成為生產中最常用的灌注樁沉渣厚度檢測方法。由于不同的沉渣類型產生不同的電阻率，因此，根據電阻率曲線，利用一般性的判別方法來判定沉渣厚度的方法會引起檢測誤差。

為了應對國際上石油價格的劇烈動蕩，國內石油儲備庫工程越來越多，且工程地點多選在沿海軟土地區。為了保證儲罐的長期安全運行，對儲罐沉降控制十分嚴格。浙江沿海某大型石油商業儲備基地工程，由于地質條件、罐體重量大等原因，在儲罐運行過程中基礎會產生沉降，從而對罐體的使用功能產生不良影響。因此，業主不僅對沉渣的施工質量控制要求嚴格，對沉渣厚度檢測的精度要求也嚴格，要求檢測方在正式檢測前進行沉渣厚度檢測的室內模擬試驗，以控制檢測誤差，保證灌注樁的施工質量及石油儲備庫的安全運營。

1 沉渣厚度要求及檢測原理

沉渣是指成孔后殘留在孔底的沉淤，包括鉆孔過程中鉆機切削和孔壁塌落的泥土、礫石和砂等。沉渣力學性質十分低，其變形模量是樁周土的一半，粘聚力只有樁周土的1/10。顯然，樁底沉渣過厚將降低樁的承載力，導致樁受荷后沉降量增大，影響工程的正常運行。

由于沉渣對樁基承載力及沉降的不利影響，國內有關規程對沉渣厚度提出了限定要求。JGJ 94-2008建筑樁基技術規范規定:端承型樁不大于50 mm，摩擦型樁不大于100 mm，抗拔、抗水平力樁不大于200 mm。GB 50202-2002建筑地基基礎工程施工質量驗收規范規定:“端承型樁不大于50 mm，摩擦型樁不大于150 mm。”上述規范的規定雖然不盡相同，但都對沉渣厚度提出了明確的要求。

電阻率法檢測沉渣厚度的原理是測量鉆孔中泥漿沿深度方向的電阻率變化從而獲得鉆孔底的沉渣厚度。由于鉆孔底比重較大的泥漿與上部以懸浮顆粒為主的泥漿存在明顯的電阻率差異，當放入孔中探頭上的發射電極形成電場時，探頭上的感應電極測量電場的變化，即根據感應電極測到的電勢差得到探頭周圍介質的電阻率。當發射電極與感應電極之間的介質成分沒有變化，即介質為成分均勻的泥漿時，電阻率曲線是一條相對平滑的曲線;當發射電極與感應電極之間的介質成分發生變化，即在沉渣中，感應電極記錄的電阻率會發生變化。檢測時，由發射電極和感應電極組成的探頭以固定的采集間距沿鉆孔深度方向下降，儀器則自動記錄一個電阻率。把實測的電阻率(ρs)畫成一條沿深度(H)方向變化的曲線，曲線的拐點即為沉渣頂界面(見圖1)，沉渣厚度為鉆孔底對應的深度減去沉渣頂界面對應的深度。

圖1 沉渣厚度判別示意圖

2 沉渣厚度檢測模擬試驗

沉渣厚度檢測模擬試驗分三步進行，第一步是配比不同粒徑材料組成的沉渣，第二步是測定不同粒徑材料組成的沉渣和泥漿的電阻率，第三步是對室內配成的沉渣進行厚度檢測，以此得到檢測誤差。

2.1 人工配制沉渣

試驗在一個直徑為600 m的有機玻璃圓桶內進行，為模擬灌注樁成孔后的情況，在有機玻璃圓桶底部鋪設沉渣。試驗沉渣分三種材料:粒徑2 mm＜d≤5 mm的細礫石，粒徑0.25 mm＜d≤0.5 mm的中砂，粒徑d≤0.075 mm的粘土。上述三種材料的沉渣厚度分別為50 mm，100 mm和150 mm。試驗時，泥漿由日常鉆進所用的膨潤土、自來水配制，泥漿高度在玻璃圓桶內統一為800 mm。

2.2 實測沉渣和泥漿的電阻率

為了驗證電阻率法檢測沉渣厚度的可行性，對50 mm厚度的細礫石、中砂、粘土和泥漿進行了電阻率實測。為消除誤差，實測次數為12次，則細礫石、中砂和粘土的平均電阻率分別為50.1 Ω·m，48.4 Ω·m 和 44.3 Ω·m，試驗配制的泥漿平均電阻率為27.5 Ω·m。平均電阻率結果表明:1)細礫石電阻率＞中砂電阻率＞粘土電阻率。2)泥漿電阻率與沉渣材料電阻率相差17 Ω·m以上，表明用電阻率法來檢測沉渣厚度理論上是可行的。

2.3 沉渣厚度檢測誤差試驗

為得到沉渣厚度的檢測誤差，每一種材料的沉渣鋪設厚度分別為50 mm，100 mm和150 mm，并對每一種鋪設厚度進行了6次檢測，沉渣厚度檢測誤差結果如下:1)厚度50 mm，100 mm和150 mm的細礫石沉渣，實測沉渣厚度平均相對誤差分別為9.7%，8.8%和7.0%。2)厚度50 mm，100 mm 和 150 mm 的中砂沉渣，實測沉渣厚度平均相對誤差分別為9.1%，7.4%和6.0%。3)厚度50 mm，100 mm和150 mm的粘土沉渣，實測沉渣厚度平均相對誤差分別為8.2%，6.4%和5.2%。

從上述沉渣厚度檢測相對誤差結果可以看出:1)隨著沉渣厚度的增加，檢測相對誤差逐漸減小。檢測厚度50 mm的沉渣時，檢測相對誤差8%～10%。檢測厚度100 mm的沉渣時，檢測相對誤差6%～9%。檢測厚度150 mm的沉渣時，檢測相對誤差5%～7%。產生上述現象的原因是，沉渣厚度越大，探頭和沉渣厚度之比越小，能采集到的電阻率數據越多，容易判斷表示沉渣頂界面的曲線拐點，因此，檢測精度也越高。2)沉渣顆粒粒徑越大，檢測相對誤差越大。產生上述現象的原因是，顆粒粒徑越大，顆粒間的排列越疏松，實測電阻率誤差也越大。3)沉渣厚度檢測皆有相對誤差，為了保證大型工程的安全，建議增加清理孔底沉渣的反循環工藝次數。

3 結果應用

浙江沿海某大型原油商業儲備基地工程中，儲罐基礎采用端承型樁鉆孔灌注樁，孔底巖層為中風化流紋巖，孔徑800 mm。鑒于對儲罐沉降的嚴格要求和沉渣檢測室內模擬試驗結果，業主方要求施工方采用三次反循環工藝清理孔底沉渣，而不是通常的二次清孔，然后應用電阻率法進行沉渣厚度檢測(見表1)。

表1 沉渣厚度檢測結果表 mm

表1顯示:1)取檢測最大相對誤差10%計算，所檢測的10個鉆孔孔底沉渣厚度不超過50 mm，滿足端承型樁沉渣厚度不超過50 mm的規范要求。因此可以說，根據沉渣檢測室內模擬試驗結果，業主要求施工方采用三次清孔，在清孔工作量只增加50%的前提下保證了施工質量。2)10根灌注樁7000 kN靜載的沉降量皆在15 mm～20 mm之間，也印證了沉渣厚度檢測的準確性。

4 結語

1)不同類型的沉渣，其電阻率特性并不相同。沉渣粒徑越小，電阻率也越小。2)沉渣厚度越大，檢測精度越高。沉渣顆粒粒徑越小，檢測精度也越高。3)沉渣厚度檢測精度受主觀和客觀因素的影響。除去檢測人員操作熟練程度等主觀因素外，客觀因素造成的檢測誤差最高可以達到10%。因此，對于沉渣厚度要求高的端承型樁，為了保證施工質量，可以采取增加清孔次數的辦法來減少沉渣厚度，以達到規范的要求。

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