沉渣厚度檢測(cè)模擬試驗(yàn)及應(yīng)用

樊敬亮 陳 翀，2 高建忠

(1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇南京 210007;2.南京新華泰物探工程測(cè)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(dòng)周圍土層、施工速度快、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為工程基礎(chǔ)中最常用的樁型，因此，對(duì)于灌注樁施工質(zhì)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(guò)程中質(zhì)量控制的對(duì)象之一，因?yàn)榭椎壮猎穸鹊亩嗌儆绊懝嘧兜亩瞬砍休d力及灌注樁的沉降量。

目前檢測(cè)沉渣厚度主要有重錘法和電阻率法。重錘法是依靠測(cè)試人員的手感來(lái)判斷沉渣界面位置，從而得到沉渣厚度，方法簡(jiǎn)便，但誤差較大。電阻率法因?yàn)闄z測(cè)速度快，檢測(cè)相對(duì)準(zhǔn)確，已成為生產(chǎn)中最常用的灌注樁沉渣厚度檢測(cè)方法。由于不同的沉渣類型產(chǎn)生不同的電阻率，因此，根據(jù)電阻率曲線，利用一般性的判別方法來(lái)判定沉渣厚度的方法會(huì)引起檢測(cè)誤差。

為了應(yīng)對(duì)國(guó)際上石油價(jià)格的劇烈動(dòng)蕩，國(guó)內(nèi)石油儲(chǔ)備庫(kù)工程越來(lái)越多，且工程地點(diǎn)多選在沿海軟土地區(qū)。為了保證儲(chǔ)罐的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，對(duì)儲(chǔ)罐沉降控制十分嚴(yán)格。浙江沿海某大型石油商業(yè)儲(chǔ)備基地工程，由于地質(zhì)條件、罐體重量大等原因，在儲(chǔ)罐運(yùn)行過(guò)程中基礎(chǔ)會(huì)產(chǎn)生沉降，從而對(duì)罐體的使用功能產(chǎn)生不良影響。因此，業(yè)主不僅對(duì)沉渣的施工質(zhì)量控制要求嚴(yán)格，對(duì)沉渣厚度檢測(cè)的精度要求也嚴(yán)格，要求檢測(cè)方在正式檢測(cè)前進(jìn)行沉渣厚度檢測(cè)的室內(nèi)模擬試驗(yàn)，以控制檢測(cè)誤差，保證灌注樁的施工質(zhì)量及石油儲(chǔ)備庫(kù)的安全運(yùn)營(yíng)。

1 沉渣厚度要求及檢測(cè)原理

沉渣是指成孔后殘留在孔底的沉淤，包括鉆孔過(guò)程中鉆機(jī)切削和孔壁塌落的泥土、礫石和砂等。沉渣力學(xué)性質(zhì)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(guò)厚將降低樁的承載力，導(dǎo)致樁受荷后沉降量增大，影響工程的正常運(yùn)行。

由于沉渣對(duì)樁基承載力及沉降的不利影響，國(guó)內(nèi)有關(guān)規(guī)程對(duì)沉渣厚度提出了限定要求。JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范規(guī)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(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定:“端承型樁不大于50 mm，摩擦型樁不大于150 mm。”上述規(guī)范的規(guī)定雖然不盡相同，但都對(duì)沉渣厚度提出了明確的要求。

電阻率法檢測(cè)沉渣厚度的原理是測(cè)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(dāng)放入孔中探頭上的發(fā)射電極形成電場(chǎng)時(shí)，探頭上的感應(yīng)電極測(cè)量電場(chǎng)的變化，即根據(jù)感應(yīng)電極測(cè)到的電勢(shì)差得到探頭周圍介質(zhì)的電阻率。當(dāng)發(fā)射電極與感應(yīng)電極之間的介質(zhì)成分沒(méi)有變化，即介質(zhì)為成分均勻的泥漿時(shí)，電阻率曲線是一條相對(duì)平滑的曲線;當(dāng)發(fā)射電極與感應(yīng)電極之間的介質(zhì)成分發(fā)生變化，即在沉渣中，感應(yīng)電極記錄的電阻率會(huì)發(fā)生變化。檢測(cè)時(shí)，由發(fā)射電極和感應(yīng)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(dòng)記錄一個(gè)電阻率。把實(shí)測(cè)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(diǎn)即為沉渣頂界面(見(jiàn)圖1)，沉渣厚度為鉆孔底對(duì)應(yīng)的深度減去沉渣頂界面對(duì)應(yīng)的深度。

圖1 沉渣厚度判別示意圖

2 沉渣厚度檢測(cè)模擬試驗(yàn)

沉渣厚度檢測(cè)模擬試驗(yàn)分三步進(jìn)行，第一步是配比不同粒徑材料組成的沉渣，第二步是測(cè)定不同粒徑材料組成的沉渣和泥漿的電阻率，第三步是對(duì)室內(nèi)配成的沉渣進(jìn)行厚度檢測(cè)，以此得到檢測(cè)誤差。

2.1 人工配制沉渣

試驗(yàn)在一個(gè)直徑為600 m的有機(jī)玻璃圓桶內(nèi)進(jìn)行，為模擬灌注樁成孔后的情況，在有機(jī)玻璃圓桶底部鋪設(shè)沉渣。試驗(yàn)沉渣分三種材料:粒徑2 mm＜d≤5 mm的細(xì)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(yàn)時(shí)，泥漿由日常鉆進(jìn)所用的膨潤(rùn)土、自來(lái)水配制，泥漿高度在玻璃圓桶內(nèi)統(tǒng)一為800 mm。

2.2 實(shí)測(cè)沉渣和泥漿的電阻率

為了驗(yàn)證電阻率法檢測(cè)沉渣厚度的可行性，對(duì)50 mm厚度的細(xì)礫石、中砂、粘土和泥漿進(jìn)行了電阻率實(shí)測(cè)。為消除誤差，實(shí)測(cè)次數(shù)為12次，則細(xì)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(yàn)配制的泥漿平均電阻率為27.5 Ω·m。平均電阻率結(jié)果表明:1)細(xì)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(lái)檢測(cè)沉渣厚度理論上是可行的。

2.3 沉渣厚度檢測(cè)誤差試驗(yàn)

為得到沉渣厚度的檢測(cè)誤差，每一種材料的沉渣鋪設(shè)厚度分別為50 mm，100 mm和150 mm，并對(duì)每一種鋪設(shè)厚度進(jìn)行了6次檢測(cè)，沉渣厚度檢測(cè)誤差結(jié)果如下:1)厚度50 mm，100 mm和150 mm的細(xì)礫石沉渣，實(shí)測(cè)沉渣厚度平均相對(duì)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(shí)測(cè)沉渣厚度平均相對(duì)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(shí)測(cè)沉渣厚度平均相對(duì)誤差分別為8.2%，6.4%和5.2%。

從上述沉渣厚度檢測(cè)相對(duì)誤差結(jié)果可以看出:1)隨著沉渣厚度的增加，檢測(cè)相對(duì)誤差逐漸減小。檢測(cè)厚度50 mm的沉渣時(shí)，檢測(cè)相對(duì)誤差8%～10%。檢測(cè)厚度100 mm的沉渣時(shí)，檢測(cè)相對(duì)誤差6%～9%。檢測(cè)厚度150 mm的沉渣時(shí)，檢測(cè)相對(duì)誤差5%～7%。產(chǎn)生上述現(xiàn)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(shù)據(jù)越多，容易判斷表示沉渣頂界面的曲線拐點(diǎn)，因此，檢測(cè)精度也越高。2)沉渣顆粒粒徑越大，檢測(cè)相對(duì)誤差越大。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是，顆粒粒徑越大，顆粒間的排列越疏松，實(shí)測(cè)電阻率誤差也越大。3)沉渣厚度檢測(cè)皆有相對(duì)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(huán)工藝次數(shù)。

3 結(jié)果應(yīng)用

浙江沿海某大型原油商業(yè)儲(chǔ)備基地工程中，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)采用端承型樁鉆孔灌注樁，孔底巖層為中風(fēng)化流紋巖，孔徑800 mm。鑒于對(duì)儲(chǔ)罐沉降的嚴(yán)格要求和沉渣檢測(cè)室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果，業(yè)主方要求施工方采用三次反循環(huán)工藝清理孔底沉渣，而不是通常的二次清孔，然后應(yīng)用電阻率法進(jìn)行沉渣厚度檢測(cè)(見(jiàn)表1)。

表1 沉渣厚度檢測(cè)結(jié)果表 mm

表1顯示:1)取檢測(cè)最大相對(duì)誤差10%計(jì)算，所檢測(cè)的10個(gè)鉆孔孔底沉渣厚度不超過(guò)50 mm，滿足端承型樁沉渣厚度不超過(guò)50 mm的規(guī)范要求。因此可以說(shuō)，根據(jù)沉渣檢測(cè)室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果，業(yè)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(zhì)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(cè)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

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(cè)精度越高。沉渣顆粒粒徑越小，檢測(cè)精度也越高。3)沉渣厚度檢測(cè)精度受主觀和客觀因素的影響。除去檢測(cè)人員操作熟練程度等主觀因素外，客觀因素造成的檢測(cè)誤差最高可以達(dá)到10%。因此，對(duì)于沉渣厚度要求高的端承型樁，為了保證施工質(zhì)量，可以采取增加清孔次數(shù)的辦法來(lái)減少沉渣厚度，以達(dá)到規(guī)范的要求。

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