沉渣厚度检测模拟试验及应用

樊敬亮 陈 翀，2 高建忠

(1.江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏南京 210007;2.南京新华泰物探工程测试中心有限公司，江苏南京 210007)

钻孔灌注桩因承载力高、不扰动周围土层、施工速度快、适应性强等优点，已成为工程基础中最常用的桩型，因此，对于灌注桩施工质量的控制显得十分紧迫。其中孔底沉渣厚度是灌注桩施工过程中质量控制的对象之一，因为孔底沉渣厚度的多少影响灌注桩的端部承载力及灌注桩的沉降量。

目前检测沉渣厚度主要有重锤法和电阻率法。重锤法是依靠测试人员的手感来判断沉渣界面位置，从而得到沉渣厚度，方法简便，但误差较大。电阻率法因为检测速度快，检测相对准确，已成为生产中最常用的灌注桩沉渣厚度检测方法。由于不同的沉渣类型产生不同的电阻率，因此，根据电阻率曲线，利用一般性的判别方法来判定沉渣厚度的方法会引起检测误差。

为了应对国际上石油价格的剧烈动荡，国内石油储备库工程越来越多，且工程地点多选在沿海软土地区。为了保证储罐的长期安全运行，对储罐沉降控制十分严格。浙江沿海某大型石油商业储备基地工程，由于地质条件、罐体重量大等原因，在储罐运行过程中基础会产生沉降，从而对罐体的使用功能产生不良影响。因此，业主不仅对沉渣的施工质量控制要求严格，对沉渣厚度检测的精度要求也严格，要求检测方在正式检测前进行沉渣厚度检测的室内模拟试验，以控制检测误差，保证灌注桩的施工质量及石油储备库的安全运营。

1 沉渣厚度要求及检测原理

沉渣是指成孔后残留在孔底的沉淤，包括钻孔过程中钻机切削和孔壁塌落的泥土、砾石和砂等。沉渣力学性质十分低，其变形模量是桩周土的一半，粘聚力只有桩周土的1/10。显然，桩底沉渣过厚将降低桩的承载力，导致桩受荷后沉降量增大，影响工程的正常运行。

由于沉渣对桩基承载力及沉降的不利影响，国内有关规程对沉渣厚度提出了限定要求。JGJ 94-2008建筑桩基技术规范规定:端承型桩不大于50 mm，摩擦型桩不大于100 mm，抗拔、抗水平力桩不大于200 mm。GB 50202-2002建筑地基基础工程施工质量验收规范规定:“端承型桩不大于50 mm，摩擦型桩不大于150 mm。”上述规范的规定虽然不尽相同，但都对沉渣厚度提出了明确的要求。

电阻率法检测沉渣厚度的原理是测量钻孔中泥浆沿深度方向的电阻率变化从而获得钻孔底的沉渣厚度。由于钻孔底比重较大的泥浆与上部以悬浮颗粒为主的泥浆存在明显的电阻率差异，当放入孔中探头上的发射电极形成电场时，探头上的感应电极测量电场的变化，即根据感应电极测到的电势差得到探头周围介质的电阻率。当发射电极与感应电极之间的介质成分没有变化，即介质为成分均匀的泥浆时，电阻率曲线是一条相对平滑的曲线;当发射电极与感应电极之间的介质成分发生变化，即在沉渣中，感应电极记录的电阻率会发生变化。检测时，由发射电极和感应电极组成的探头以固定的采集间距沿钻孔深度方向下降，仪器则自动记录一个电阻率。把实测的电阻率(ρs)画成一条沿深度(H)方向变化的曲线，曲线的拐点即为沉渣顶界面(见图1)，沉渣厚度为钻孔底对应的深度减去沉渣顶界面对应的深度。

图1 沉渣厚度判别示意图

2 沉渣厚度检测模拟试验

沉渣厚度检测模拟试验分三步进行，第一步是配比不同粒径材料组成的沉渣，第二步是测定不同粒径材料组成的沉渣和泥浆的电阻率，第三步是对室内配成的沉渣进行厚度检测，以此得到检测误差。

2.1 人工配制沉渣

试验在一个直径为600 m的有机玻璃圆桶内进行，为模拟灌注桩成孔后的情况，在有机玻璃圆桶底部铺设沉渣。试验沉渣分三种材料:粒径2 mm＜d≤5 mm的细砾石，粒径0.25 mm＜d≤0.5 mm的中砂，粒径d≤0.075 mm的粘土。上述三种材料的沉渣厚度分别为50 mm，100 mm和150 mm。试验时，泥浆由日常钻进所用的膨润土、自来水配制，泥浆高度在玻璃圆桶内统一为800 mm。

2.2 实测沉渣和泥浆的电阻率

为了验证电阻率法检测沉渣厚度的可行性，对50 mm厚度的细砾石、中砂、粘土和泥浆进行了电阻率实测。为消除误差，实测次数为12次，则细砾石、中砂和粘土的平均电阻率分别为50.1 Ω·m，48.4 Ω·m 和 44.3 Ω·m，试验配制的泥浆平均电阻率为27.5 Ω·m。平均电阻率结果表明:1)细砾石电阻率＞中砂电阻率＞粘土电阻率。2)泥浆电阻率与沉渣材料电阻率相差17 Ω·m以上，表明用电阻率法来检测沉渣厚度理论上是可行的。

2.3 沉渣厚度检测误差试验

为得到沉渣厚度的检测误差，每一种材料的沉渣铺设厚度分别为50 mm，100 mm和150 mm，并对每一种铺设厚度进行了6次检测，沉渣厚度检测误差结果如下:1)厚度50 mm，100 mm和150 mm的细砾石沉渣，实测沉渣厚度平均相对误差分别为9.7%，8.8%和7.0%。2)厚度50 mm，100 mm 和 150 mm 的中砂沉渣，实测沉渣厚度平均相对误差分别为9.1%，7.4%和6.0%。3)厚度50 mm，100 mm和150 mm的粘土沉渣，实测沉渣厚度平均相对误差分别为8.2%，6.4%和5.2%。

从上述沉渣厚度检测相对误差结果可以看出:1)随着沉渣厚度的增加，检测相对误差逐渐减小。检测厚度50 mm的沉渣时，检测相对误差8%～10%。检测厚度100 mm的沉渣时，检测相对误差6%～9%。检测厚度150 mm的沉渣时，检测相对误差5%～7%。产生上述现象的原因是，沉渣厚度越大，探头和沉渣厚度之比越小，能采集到的电阻率数据越多，容易判断表示沉渣顶界面的曲线拐点，因此，检测精度也越高。2)沉渣颗粒粒径越大，检测相对误差越大。产生上述现象的原因是，颗粒粒径越大，颗粒间的排列越疏松，实测电阻率误差也越大。3)沉渣厚度检测皆有相对误差，为了保证大型工程的安全，建议增加清理孔底沉渣的反循环工艺次数。

3 结果应用

浙江沿海某大型原油商业储备基地工程中，储罐基础采用端承型桩钻孔灌注桩，孔底岩层为中风化流纹岩，孔径800 mm。鉴于对储罐沉降的严格要求和沉渣检测室内模拟试验结果，业主方要求施工方采用三次反循环工艺清理孔底沉渣，而不是通常的二次清孔，然后应用电阻率法进行沉渣厚度检测(见表1)。

表1 沉渣厚度检测结果表 mm

表1显示:1)取检测最大相对误差10%计算，所检测的10个钻孔孔底沉渣厚度不超过50 mm，满足端承型桩沉渣厚度不超过50 mm的规范要求。因此可以说，根据沉渣检测室内模拟试验结果，业主要求施工方采用三次清孔，在清孔工作量只增加50%的前提下保证了施工质量。2)10根灌注桩7000 kN静载的沉降量皆在15 mm～20 mm之间，也印证了沉渣厚度检测的准确性。

4 结语

1)不同类型的沉渣，其电阻率特性并不相同。沉渣粒径越小，电阻率也越小。2)沉渣厚度越大，检测精度越高。沉渣颗粒粒径越小，检测精度也越高。3)沉渣厚度检测精度受主观和客观因素的影响。除去检测人员操作熟练程度等主观因素外，客观因素造成的检测误差最高可以达到10%。因此，对于沉渣厚度要求高的端承型桩，为了保证施工质量，可以采取增加清孔次数的办法来减少沉渣厚度，以达到规范的要求。

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