應(yīng)用磁梯度法檢測樁基礎(chǔ)鋼筋籠長度

摘 要：樁基礎(chǔ)已在我國各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中廣泛使用，樁長是否達(dá)標(biāo)關(guān)系著建筑物的安全性能。通過儀器采集樁身附近的磁場強(qiáng)度，從而根據(jù)磁異常及其梯度可以確定樁內(nèi)鋼筋籠的長度。該文介紹了磁梯度法檢測鋼筋籠長度的基本原理，討論了根據(jù)磁異常曲線確定鋼筋籠接點(diǎn)的分析方法，并且通過一系列工程實(shí)例驗(yàn)證了理論公式，證明了該方法用于檢測鋼筋籠隨著我國工程建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，樁基礎(chǔ)已在高層建筑、橋梁、高架橋、港口碼頭等工程中大量采用，成為我國工程建設(shè)中最重要的一種基礎(chǔ)形式。而基樁的鋼筋籠長度是按照有關(guān)規(guī)范計算確定的，如果基樁的鋼筋籠長度不能滿足設(shè)計要求，將會影響整個樁基礎(chǔ)的承載力、穩(wěn)定性和抗震能力，嚴(yán)重威脅建筑物的安全性能。由于基樁屬于地下隱蔽工程，對其長度難以進(jìn)行開挖驗(yàn)證，因此需要通過非開挖檢測技術(shù)，無損、快捷地檢驗(yàn)基樁鋼筋籠的長度，驗(yàn)證其長度是否滿足設(shè)計要求，從而消除安全隱患。

鋼筋籠受地磁場磁化從而產(chǎn)生感應(yīng)磁場，并且與地磁場疊加產(chǎn)生局部磁異常。因此可以采用磁梯度測試方法：緊鄰基樁樁身（一般不超過1m）打一直徑0.1m左右的鉆孔，深度略大于基樁埋深。用管徑合適的PVC套管放置于鉆孔內(nèi)，然后將儀器磁探頭由套管置入底部，垂直上拉探頭的同時開始測量沿樁身軸線方向的磁場（及梯度），通過測量結(jié)果的變化，反映磁場突然增減的變化情況，從而確定磁性界面（即鋼筋籠端點(diǎn)）的大致數(shù)量以及深度（圖1）。

該方法有以下優(yōu)點(diǎn)：1）檢測設(shè)備簡單便捷，能夠非常準(zhǔn)確地反映近地表尺度內(nèi)的磁異常變化；2）梯度量有正負(fù)之分，在結(jié)果曲線中的表現(xiàn)更加直觀，能夠?yàn)楣ぷ魅藛T的解釋與判斷提供更準(zhǔn)確客觀的依據(jù)，準(zhǔn)確率高，一般不容易產(chǎn)生異議。

1 磁測法原理

由于鋼筋籠屬于鐵磁性物質(zhì)，因此相對于混凝土基樁與周圍巖土，鋼筋籠在地磁場作用下會產(chǎn)生更大的感應(yīng)磁場，假設(shè)鋼筋為無限長線狀體，經(jīng)理論計算，推導(dǎo)出無限長線狀體鋼筋的感應(yīng)磁場強(qiáng)度Z為：

（1）

式中：k為鋼筋磁化率，為垂直方向地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度，S為主筋橫截面積，L為測點(diǎn)到鋼筋籠的垂直距離。假設(shè)有效磁化傾角為90°，由上式可知鋼筋籠感應(yīng)磁場強(qiáng)度Z大小跟主筋與測點(diǎn)的距離L的平方成反比，與主筋橫截面積S成正比，且在與鋼筋籠平行的方向上為定值。

實(shí)際工程中的灌注樁鋼筋籠，基本上埋設(shè)在以第四紀(jì)為主的地層中，因此背景場基本上可以認(rèn)為是一常量，并且可以通過現(xiàn)場實(shí)測獲得，因而基底是鐵磁性物質(zhì)（鋼筋籠）與弱磁性物質(zhì)（混凝土基樁、圍巖）的界面，界面上實(shí)測磁場強(qiáng)度會有較大變化，界面兩側(cè)會逐漸趨于穩(wěn)定的背景場，通過對上述數(shù)值模擬磁場垂直Z分量以及梯度曲線的分析，拐點(diǎn)位置對應(yīng)深度即為鋼筋籠端點(diǎn)埋深。

2 工程應(yīng)用

以下幾個工程實(shí)例中使用的儀器均為武漢巖海公司生產(chǎn)的RS-RBMT鋼筋籠長度磁法測試儀，適用磁場測量范圍為-66666nT～+66666nT，Z磁敏元件轉(zhuǎn)向差不大于300nT，線性度不大于0.2%，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集前均對檢測用儀器設(shè)備進(jìn)行檢查調(diào)試。

2.1 浙江平湖工程實(shí)例

浙江省平湖市橋梁拓寬項目，工程正在處于施工階段，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。后質(zhì)量監(jiān)督部門對其進(jìn)行抽查，發(fā)現(xiàn)相關(guān)資料不全，懷疑已完成灌注樁鋼筋籠長度存在問題，不能滿足設(shè)計要求，受質(zhì)量監(jiān)督單位的委托，在該項目選擇部分疑問樁開展了鋼筋籠長度檢測工作。在距離樁身0.2m處鉆孔，深度為40m，選取PVC材質(zhì)埋管進(jìn)行施工。將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中，使用相關(guān)分析軟件，得到實(shí)際測量的垂直分量信號強(qiáng)度和梯度數(shù)據(jù)，輸出垂直分量和梯度數(shù)據(jù)，作出圖像。

從圖中可以看出鉆孔鉆入深度為39.00m，鉆孔底部在灌注樁底部以下。綜合圖中3條曲線的變化特征，結(jié)合數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果，可以判定引起磁異常的場源即接頭存在的位置對應(yīng)于梯度曲線的極值處和二階梯度異常的零值處?？梢耘卸ㄔ撛囼?yàn)樁在標(biāo)高約-6.60m和-18.90m處有2處顯著的反映特征（鋼筋籠接頭），鋼筋籠頭部、底部磁場反映特征明顯，因此確定有三節(jié)鋼筋籠。在三段曲線中，磁梯度每兩個極值之間還存在兩個相對較小的極值，此時二階梯度值都為零，判斷這六個點(diǎn)為加勁箍筋的位置。由于實(shí)測曲線反應(yīng)良好，因而確定鋼筋籠有效長度在30.9m左右。

由于該單位灌注樁鋼筋籠設(shè)計長度為33.00m，我們得到測量結(jié)果長度為30.90m，與設(shè)計長度相差2.10m。由于本工地現(xiàn)場部分鉆孔位置無法緊靠樁身，加之鉆孔、鋼筋籠均有一定的傾斜度，對測試磁場強(qiáng)度、梯度的強(qiáng)度有一定影響；鋼筋材料以及綁扎方式、焊接方式均存在一定差異，所以該單位在實(shí)際施工中沒有縮短鋼筋籠的長度，實(shí)際工程基本符合設(shè)計要求。

2.2 浙江海寧工程實(shí)例

浙江省08省道海寧馬橋至尖山段改建工程，工程處于施工中，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，后質(zhì)量監(jiān)督部門對其進(jìn)行抽查，發(fā)現(xiàn)相關(guān)資料不全，懷疑鋼筋籠長度存在問題，不能滿足設(shè)計要求，受質(zhì)量監(jiān)督單位的委托，在該項目選擇部分疑問樁開展了鋼筋籠長度檢測工作。

鉆孔前，勘查現(xiàn)場情況。南部灌注樁處于河流的岸邊，由于該河流是主航道，過往的船只較多，大概十分鐘就有一個班次，各個灌注樁之間距離2m左右，灌注樁上部出露鋼筋長度約0.4m，每個灌注樁旁大概1m處均有護(hù)筒。北部灌注樁處于開挖的溝壑中，溝壑深度大概兩米，出露的鋼筋籠長度大概4m，無護(hù)筒。

勘查完畢，在南部和北部工程中各隨機(jī)選擇一根灌注樁檢測。在距離南部待檢測灌注樁0.2m處進(jìn)行鉆孔作業(yè)，鉆孔深度52m，下入PVC管，準(zhǔn)備測量。在距離北部待檢測關(guān)注樁0.2m處進(jìn)行鉆孔作業(yè)，由于鉆孔到一定深度鉆機(jī)打不下去，冒出混凝土漿，猜測下部灌注樁在灌注后混凝土外溢，無法在距離0.2m處打孔。由于衰減的影響，必須保證灌注樁與鉆孔的距離不能過大，于是重新選擇灌注樁，距離0.2m出打孔，鉆孔深度48m，下入PVC管，采集數(shù)據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)室將所采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中，使用軟件輸出垂直分量和梯度數(shù)據(jù)，作出圖像。

從圖34中可以看出鉆孔鉆入深度為48.00m，鉆孔底部在灌注樁底部以下。綜合圖中3條曲線的變化特征，結(jié)合數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果，可以判定引起磁異常的場源即接頭存在的位置對應(yīng)于梯度曲線的極值處和二階梯度異常的零值處?？梢耘卸ㄔ撛囼?yàn)樁在標(biāo)高約-8.00m、-13.80m、-20.80m、-29.20m、-38.00m處有5處顯著的反映特征（鋼筋籠接頭），底部標(biāo)高-38.00m。從圖中還可以看出垂直分量的信號強(qiáng)度的趨勢一直在減弱，可能由于本工地現(xiàn)場部分鉆孔位置無法緊靠樁身，鉆孔、鋼筋籠均有一定的傾斜度，所以對測試磁場強(qiáng)度、梯度的強(qiáng)度有一定影響，導(dǎo)致后半部分圖像判斷難度較大。由于我們在地表實(shí)測鋼筋籠上部低于PVC管1.50m，因而確定鋼筋籠有效長度在49.50m左右。

由于該單位灌注樁鋼筋籠設(shè)計長度為48.00m，我們得到測量結(jié)果長度為39.50m，比設(shè)計長度短了8.50m。所以該單位在實(shí)際施工中縮短鋼筋籠的長度，少用了一節(jié)鋼筋籠，實(shí)際工程基本不符合設(shè)計要求。

從圖中可以看出鉆孔鉆入深度為51.70m，鉆孔底部在灌注樁底部以下。綜合圖中3條曲線的變化特征，結(jié)合數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果，可以判定引起磁異常的場源即接頭存在的位置對應(yīng)于梯度曲線的極值處和二階梯度異常的零值處?？梢耘卸ㄔ撛囼?yàn)樁在標(biāo)高約-4.20m、-9.60m、-18.50m、和-30.00m處有4處顯著的反映特征（鋼筋籠接頭），鋼筋籠頭部底部反映明顯，因而確定鋼筋籠有效長度在30.00m左右。標(biāo)高-4.20m、-9.60m、-18.50m、-30.00m處信號強(qiáng)度峰值一直在衰減，可能由于本工地現(xiàn)場部分鉆孔位置無法緊靠樁身，鉆孔、鋼筋籠均有一定的傾斜度，所以對測試磁場強(qiáng)度、梯度的強(qiáng)度有一定影響。而在標(biāo)高-4.2m處，出現(xiàn)的磁異常明顯與后面的點(diǎn)不同，應(yīng)該為受到外界因素的干擾，判斷為受到距離灌注樁1m左右護(hù)筒的影響。

由于該單位灌注樁鋼筋籠設(shè)計長度為48.00m，我們得到測量結(jié)果長度為30.00m，與設(shè)計長度相差較多。雖然本工地現(xiàn)場部分鉆孔位置無法緊靠樁身，加之鉆孔、鋼筋籠均有一定的傾斜度，對測試磁場強(qiáng)度、梯度的強(qiáng)度有一定影響；鋼筋材料以及綁扎方式、焊接方式均存在一定差異，但從實(shí)測曲線來看，所以該單位在實(shí)際施工中縮短鋼筋籠的長度，少用兩節(jié)鋼筋籠，實(shí)際工程不符合設(shè)計要求。

2.3 南通某工程基礎(chǔ)PHC管樁長度探測

PHC管樁即預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁。是采用先張預(yù)應(yīng)力離心成型工藝，并經(jīng)過10個大氣壓（1.0Mpa左右）、180℃左右的蒸汽養(yǎng)護(hù)，制成一種空心圓筒型鋼筋混疑土預(yù)制構(gòu)件，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長為10m，直徑從300～800mm。

PHC管樁具有施工速度快、價格低、承載力高、質(zhì)量穩(wěn)定、養(yǎng)護(hù)時間短、施工方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來在我國沿海地區(qū)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是，PHC管樁屬薄壁混凝土桿件，抵抗彎曲荷載的能力較差，樁身破壞的工程質(zhì)量事故時有發(fā)生。特別是5.12汶川大地震發(fā)生后，我國沿海地區(qū)的地震潛害性得到了高度關(guān)注，沿海地區(qū)中大量采用的PHC管樁在地震中的表現(xiàn)性狀及抗震設(shè)防問題越來越引起重視。如果施工單位偷工減料，縮短其長度，那么將對抗震性能造成巨大安全隱患。檢測PHC管樁的長度，可以有效的監(jiān)督施工質(zhì)量，震懾不法開發(fā)商的偷工減料問題，對出現(xiàn)問題的工程提供有效的鑒定。

2.3.1 工程背景

南通某工程屬于已建成樓房，是已完工工程，施工時間為2008年9月。居民遷入樓房一段時間后，發(fā)現(xiàn)樓房沉降情況明顯，懷疑施工方縮短了PHC管樁長度，由于PHC管樁屬于隱蔽工程，無法自行查看其長度，向有關(guān)部門反映情況，相關(guān)部門委托對該工程PHC管樁長度進(jìn)行檢測。

該工程PCH管樁底部多處于粉細(xì)砂與粉質(zhì)粘土交界層，設(shè)計長度滿足抗震要求。但如果施工單位偷工減料，縮短管樁長度，如果發(fā)生地震，會造成粉細(xì)砂流失，使建筑整體或部分沉降，嚴(yán)重威脅工程質(zhì)量，更無法滿足抗震要求。因出現(xiàn)了沉降問題，所以提出檢測管樁長度。

2.3.2 鉆孔與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

由于PHC管樁同樣是由鋼筋混凝土構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)與鋼筋籠灌注樁類似，所以同樣可以采樣磁測法判定管樁中鋼筋籠的長度，由于PHC管樁屬于全籠樁，通過判定鋼筋的長度即可確定管樁的長度。

根據(jù)工程情況和測試要求做好預(yù)算，在管樁中心開始鉆孔，鉆孔深度比樁底端深1～2m，下入PVC管，假設(shè)儀器，開機(jī)測量數(shù)據(jù)，測量完畢，根據(jù)現(xiàn)場得到數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單評估，重復(fù)測量一到兩次。返回實(shí)驗(yàn)室，導(dǎo)出11號樁，39號樁，86號樁和39號樁實(shí)測數(shù)據(jù)，制成圖像。

2.3.3 數(shù)據(jù)處理與解釋

（1）11號樁。

從圖37中可以看出鉆孔鉆入深度為20.00m，鉆孔底部在管樁底部以下。綜合圖中3條曲線的變化特征，結(jié)合數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果，可以判定引起磁異常的場源即接頭存在的位置對應(yīng)于梯度曲線的極值處和二階梯度異常的零值處。可以判定該試驗(yàn)樁頭部在標(biāo)高約-2.00m底部在標(biāo)高-12.00m。因而確定鋼筋籠有效長度在10.00m左右。由于該單位灌注樁鋼筋籠設(shè)計長度為16.00m（10.00m+6.00m），我們得到測量結(jié)果長度為10.00m，與設(shè)計長度相差6.00m，說明該施工單位在施工中少用了一節(jié)樁，不符合設(shè)計要求。

（2）39號樁。

從圖中可以看出鉆孔鉆入深度為20.00m，綜合圖中3條曲線的變化特征，結(jié)合數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果，可以判定引起磁異常的場源即接頭存在的位置對應(yīng)于梯度曲線的極值處和二階梯度異常的零值處?？梢耘卸ㄔ撛囼?yàn)樁頭部在標(biāo)高約-2.00m底部在標(biāo)高-12.00m。因而確定鋼筋籠有效長度在10.00m左右。

由于該單位灌注樁鋼筋籠設(shè)計長度為20.00m（10.00m+1.00m），我們得到測量結(jié)果長度為10.00m，與設(shè)計長度相差10.00m，說明該施工單位在施工中少用了一節(jié)樁，不符合設(shè)計要求。

（3）86號樁。

從圖中可以看出鉆孔鉆入深度為20.00m，鉆孔底部在管樁底部以下。綜合圖中3條曲線的變化特征，結(jié)合數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果，可以判定引起磁異常的場源即接頭存在的位置對應(yīng)于梯度曲線的極值處和二階梯度異常的零值處?？梢耘卸ㄔ撛囼?yàn)樁頭部在標(biāo)高約-2.00m底部在標(biāo)高-18.00m，接頭位置在標(biāo)高約-8.00m。因而確定鋼筋籠有效長度在16.00m左右。

由于該單位灌注樁鋼筋籠設(shè)計長度為16.00m（10.00m+6.00m），我們得到測量結(jié)果長度為16.00m，與設(shè)計長度一樣。所以改樁的施工符合設(shè)計要求。

（4）65號樁。

從圖中可以看出鉆孔鉆入深度為20.00m，鉆孔底部在管樁底部以下。綜合圖中3條曲線的變化特征，結(jié)合數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果，可以判定引起磁異常的場源即接頭存在的位置對應(yīng)于梯度曲線的極值處和二階梯度異常的零值處。可以判定該試驗(yàn)樁頭部在標(biāo)高約-1.00m底部在標(biāo)高-11.00m。因而確定鋼筋籠有效長度在10.00m左右。

由于該單位灌注樁鋼筋籠設(shè)計長度為16.00m（10.00m+6.00m），我們得到測量結(jié)果長度為10.00m，與設(shè)計長度相差6.00m，說明改施工單位在施工中少用了一節(jié)樁，不符合設(shè)計要求。

3 結(jié)語

工程實(shí)例表明，磁測法可以有效的測量灌注樁鋼筋籠的長度。理論分析和模型樁測試結(jié)果表明，鋼筋籠的頂?shù)酌婧徒宇^處在其磁場強(qiáng)度垂直分量梯度曲線中表現(xiàn)為極值點(diǎn)，該點(diǎn)的二階梯度為零。

在測量灌注樁鋼筋籠的時候，多數(shù)工地鉆孔位置無法完全貼近樁身，并且鉆孔和鋼筋籠之間有一定傾斜，對測試磁場強(qiáng)度有一定的影響，從而影響了梯度，造成結(jié)果存在一定的誤差，為了保證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，必須保證鉆孔和管樁距離在一米以內(nèi)。在不同的工程中，鋼筋材料以及綁扎方式、焊接方式均存在一定的差異，造成磁荷分布不規(guī)律在鋼筋籠頂部和底部之間存在雜亂的異常反映，也會給數(shù)據(jù)解釋帶來一定的困難，但測試數(shù)據(jù)中鋼筋籠籠頂和籠底的異常反映明顯，所以對測試灌注樁鋼筋籠總長結(jié)果影響有限。

在測試PHC管樁鋼筋籠的時候，測孔嚴(yán)格位于樁中心，避免了測孔傾斜帶來的判斷誤差，成果較好地反映了所抽檢基樁接頭的位置情況，較準(zhǔn)確的測定了各節(jié)樁的下放位置。PHC樁屬于全籠樁，測出了鋼筋籠的長度也就相應(yīng)的測出了全籠樁的長度，從而查明真相，解決工程隱患，同時能起到一定防范和警示作用。

磁測法能夠有效的檢測灌注樁鋼筋籠的長度，而對于全籠樁的工程檢測可以依據(jù)鋼筋長度確定全籠樁的長度，所以磁測法可以間接的測出全籠樁樁長。磁測法適用于在建工程的檢測，也可用于已完工工程的檢測，同時不受地形限制，將此法推廣，可以有效檢測鋼筋混凝土工程，監(jiān)督施工質(zhì)量，為老舊工程改造提供資料，為工程事故鑒定提供依據(jù)。

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關(guān)鍵詞：磁梯度法 鋼筋籠長度 灌注樁

中圖分類號：TU47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（b）-0069-04