灌注樁中鋼筋籠磁異常特征研究

程小順

（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院， 安徽合肥 230001）

灌注樁中鋼筋籠磁異常特征研究

程小順

（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院， 安徽合肥 230001）

灌注樁中鋼筋籠由主筋、加勁筋和箍筋組成。鋼筋籠長度隨樁長變化，單根鋼筋的長度是一定的，為了滿足長樁的需要，鋼筋籠常常由一節(jié)或多節(jié)焊接而成。灌注樁中的鋼筋籠是一磁性體，在地磁場磁化作用下，在其周圍空間分布有磁異常。鋼筋籠是一個(gè)規(guī)則磁性體，本文由重磁位場的泊松公式出發(fā)，推導(dǎo)出鋼筋籠磁異常表達(dá)式，研究了灌注樁中鋼筋籠磁異常分布特征。

灌注樁；鋼筋籠；磁異常；異常特征研究

0　引言

灌注樁由鋼筋混凝土組成，在高層建筑、橋梁等基礎(chǔ)中普遍使用。灌注樁中鋼筋籠是設(shè)計(jì)師根據(jù)灌注樁的使用目的，按規(guī)范要求設(shè)計(jì)的，一般要考慮水平承載力、彎矩和穩(wěn)定性等。樁基礎(chǔ)一般是隱蔽工程，灌注樁中鋼筋籠是否按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工，對建筑物或構(gòu)筑物的安全產(chǎn)生影響，如偷工減料，可能使基礎(chǔ)功能部分喪失，導(dǎo)致事故發(fā)生。

灌注樁中鋼筋籠長度是否滿足設(shè)計(jì)要求是業(yè)主非常關(guān)心的問題。鋼筋籠具鐵磁性，與周圍巖土有明顯磁性差異，其周圍可形成磁異常［1］。本文針對灌注樁中鋼筋籠的特點(diǎn)，對其周圍磁異常特征進(jìn)行探討，為檢測鋼筋籠長度工作提供依據(jù)。

1　基本原理

灌注樁中鋼筋籠由主筋、加勁筋和箍筋組成，是鐵磁性物質(zhì)，在地球磁場磁化下，其周圍存在磁異常，通過理論計(jì)算可以求出鋼筋籠磁異常解析表達(dá)式。

1.1磁化強(qiáng)度矢量及其分量關(guān)系

磁化強(qiáng)度是矢量，在選定的坐標(biāo)系下，磁化強(qiáng)度矢量（M）及其分量關(guān)系如圖1所示。用數(shù)學(xué)關(guān)系表示有：

MX=McosI·cosA′

MY=McosI·sinA′

MZ=MsinI

1.2鋼筋籠磁異常表達(dá)式

圖1　磁化強(qiáng)度矢量及其分量關(guān)系Fig.1 Magnitization vector and its components

鋼筋籠由多根主筋和箍筋組成，有單節(jié)和多節(jié)之分。求得單根主筋和箍筋磁異常，通過求和就可以求得鋼筋籠磁異常表達(dá)式，磁異常表達(dá)式只涉及Za和ΔT。

利用泊松公式單根主筋磁異常各分量表達(dá)式［2～3］：

根據(jù)磁異常各分量，計(jì)算單根鋼筋ΔT磁異常。

采用右手直角坐標(biāo)系，以樁中心軸為Z軸，樁頂面中心點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)。a：鋼筋籠主筋半徑， d：箍筋直徑，r：鋼筋籠半徑，li1、li2第i根鋼筋頂、底埋深。

1.2.1單根主筋磁異常Zai表達(dá)式

通過計(jì)算單樁主筋磁異常Zai表達(dá)式如下：

1.2.2單一箍筋磁異常表達(dá)式

由于箍筋直徑d很小，鋼筋可以近似延伸很小的主筋代替，其長為2πr/n，寬為d，用2πr/n代替（1）、（2）式中a2，并用微分代替增量，單一箍筋磁異常表達(dá)式如下：

1.2.3箍筋產(chǎn)生的磁異常表達(dá)式所有箍筋產(chǎn)生的磁異常如下：

1.2.4單節(jié)鋼筋籠磁異常表達(dá)式

設(shè)單節(jié)鋼筋籠由n主筋，k道箍筋組成，單節(jié)鋼筋籠磁異常表達(dá)式為：

1.2.5多節(jié)鋼筋籠磁異常表達(dá)式

多節(jié)鋼筋籠是有兩節(jié)或兩節(jié)以上鋼筋籠焊接而成，一般搭接長度5～10倍主筋直徑。多節(jié)鋼筋磁異常由各單節(jié)主筋異常和箍筋異常疊加，多節(jié)鋼筋籠磁異常表達(dá)式如下：

2　鋼筋籠磁異常特征

2.1單節(jié)鋼筋籠磁異常特征

根據(jù)（3）、（4）式，對單節(jié)鋼筋籠磁異常進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見圖2和圖3。模型參數(shù)為n=16，k=35，r=0.45m，a=0.01m，d=0.008m。

Za曲線見圖2，ΔT曲線見圖3，觀測孔分別位于鋼筋籠的北、南、中、東、西。

圖2　單節(jié)鋼筋籠不同方位觀測孔磁異常Za曲線圖Fig.2 Magnetic anomaly Za curve for different view holes in one joint cage

圖3　單節(jié)鋼筋籠不同方位觀測孔磁異常ΔT曲線Fig.3 Magnetic anomaly ΔT curve for different view holes in one joint cage

從圖2、圖3可以看出，鋼筋籠Za磁異常曲線與ΔT磁異常曲線特征基本一致，在鋼筋籠頂端和底端附近都有極值出現(xiàn)，中間磁異常變化比較?。籞a磁異常強(qiáng)度較ΔT磁異常強(qiáng)度低；南、北Za磁異常曲線和ΔT磁異常曲線呈鏡像對稱，東、西、中形態(tài)基本一致；鋼筋籠外部磁異常強(qiáng)度明顯高于鋼筋籠內(nèi)部，底端約2m以下逐漸趨于正常場。

圖4　多節(jié)鋼筋籠不同方位觀測孔磁異常Za曲線Fig.4 Magnetic anomaly Za curve for different view holes in more-joint cage

2.2多節(jié)鋼筋籠磁異常特征

多節(jié)鋼筋籠和單節(jié)鋼筋籠磁異常Za特征基本相似，只列出了觀測點(diǎn)在正東、正北的磁異常計(jì)算結(jié)果，見圖4。

從圖4中可以看出兩節(jié)鋼筋籠（圖4（a）、圖4（b））中間多了一個(gè)極值點(diǎn)，三節(jié)鋼筋籠（圖4（c）、圖4（d））中間出現(xiàn)了兩個(gè)極值點(diǎn)，很明顯中間極值點(diǎn)是鋼筋籠焊接部位在異常曲線上的反映。

3　鋼筋籠磁異常衰減特征

圖5　沿正東方向以樁中心（y=0）逐漸增大測孔距離的Za異常曲線Fig.5 Za anomaly curve for ever-increasing hole spacing due eastward from the pile center （y=0）

鋼筋籠磁異常觀測一般要在孔軸與樁中心軸平行的鉆孔進(jìn)行。鉆孔布在何處才能取得滿意的結(jié)果，需要我們對磁異常衰減特征有個(gè)了解。仍然以觀測點(diǎn)在正東、正北的磁異常Za計(jì)算結(jié)果加以探討。圖5是沿著正東方向以樁中心（y=0）逐漸增大測孔距離（y=70cm、100cm、130cm、160cm）的Za異常曲線，表1是正東方向距樁中心不同距離的計(jì)算結(jié)果；圖6是沿著正北方向以樁中心（x=0）逐漸增大測孔距離（x=70cm、100cm、130cm、160cm）的Za異常曲線，表2是正北方向距樁中心不同距離的計(jì)算結(jié)果。

圖6　沿正北方向以樁中心（x=0）逐漸增大測孔距離的Za異常曲線Fig.6 Za anomaly curve for ever-increasing hole spacing due northward from the pile center （x=0）

從圖5、圖6和表1、表2中可以看出：隨觀測孔的距離增加，異常值衰減非?？欤徽狈较蚓嘀行木嚯x160cm的磁異常強(qiáng)度峰值僅為距中心距離70cm的磁異常強(qiáng)度的十分之一，這時(shí)正東方向磁異常極值點(diǎn)基本消失。

4　磁異常極值點(diǎn)與樁頂、底端關(guān)系

鋼筋籠磁異常特征值點(diǎn)與樁頂、底端關(guān)系非常密切，這也是利用磁異常特征確定鋼筋籠長度理論依據(jù)。距樁邊距離越近極限值對應(yīng)的標(biāo)高與鋼筋籠頂、底標(biāo)高越近。圖5、圖6隨觀測孔的距離增加，正東方向磁異常極值點(diǎn)向內(nèi)收縮，直至消失；正北方向磁異常極值點(diǎn)平行上移。以正東方向?yàn)槔懻摯女惓O值點(diǎn)與樁頂、底端關(guān)系，計(jì)算結(jié)果列如表3。ΔT磁異常曲線特征基本一致，Za磁異常強(qiáng)度較ΔT磁異常強(qiáng)度低；觀測孔位置對異常形態(tài)有一定影響，南、北磁異常曲線呈鏡像對稱，東、西、中形態(tài)基本一致；在鋼筋籠頂端和底端附近都有極值出現(xiàn)，中間磁異常變化比較??；鋼筋籠外部磁異常強(qiáng)度明顯高于鋼筋籠內(nèi)部，鋼筋籠底端約2m以下逐漸趨于正常場。

表1　正東方向異常極值與測點(diǎn)關(guān)系Table1 Due eastward anomaly extreme value vs measure point

表2　正北方向異常極值與測點(diǎn)關(guān)系Table 2 Due northward anomaly extreme value vs measure point

表3　磁異常極值點(diǎn)與樁頂、底端關(guān)系一覽表Table 3 Magnetic anomaly extreme value vs pile top， bottom

隨觀測孔距樁中心距離增加，極值點(diǎn)對應(yīng)的標(biāo)高與鋼筋籠頂?shù)讟?biāo)高差值越大。距離每增加30cm，極值點(diǎn)對應(yīng)的標(biāo)高與鋼筋籠頂?shù)讟?biāo)高差值增加約30cm，極值點(diǎn)位置向內(nèi)收斂。

5　結(jié)語

（1） 鋼筋籠Za磁異常曲線與

（2） 多節(jié)鋼筋籠磁異常中間出現(xiàn)極值，極值數(shù)量等于鋼筋籠節(jié)數(shù)-1。

（3）磁異常隨觀測孔距樁中心距離增加，衰減很快，1.6m的磁異常強(qiáng)度約為0.7m磁異常強(qiáng)度的十分之一。

（4）觀測孔距樁中心距離0.7m時(shí)，正東方向Za磁異常極值點(diǎn)標(biāo)高與鋼筋籠頂?shù)酌鏄?biāo)高有較好的對應(yīng)關(guān)系，據(jù)此可以判定鋼筋籠頂?shù)酌鏄?biāo)高計(jì)算鋼筋籠長度。

［1］蒲曉軒，董平，孫斌，等.灌注樁鋼筋籠磁異常定量計(jì)算［J］.物探與化探，2009，33（4）：481～485.

［2］管志寧.地磁場與磁力勘探［M］.北京：地質(zhì)出版社，2005.

［3］地面磁測資料解釋推斷手冊編寫組.地面磁測資料解釋推斷手冊［S］.北京：地質(zhì)出版社，1979.

STUDY ON MAGNETIC ANOMALY OF STEEL REINFORCEMENT CAGE IN BORED CONCRETE PILE

CHEN Xiao-shun
（Institute of Geophysical and Geochemical Survey Technology of Anhui Province， Hefei， Anhui 230001， Chin）

Steel reinforcement cage in bored concrete pile consists of main reinforcement， stiffener and hooping. The cage changes with the length of pile， a single bar has a fixed length， so the cage is usually welded up with one or more joints of sections to meet the need of a long pile. The cage is a magnetic body showing magnetic anomaly under the action of geomagnetic field. Steel reinforcement cage is a regular magnetic body. This paper，starting with the Poisson formula for gravity and magnetic potential field， deducted magnetic anomaly formula for the cage and analyzed distribution features of the cage in pile.

bored concrete pile； steel reinforcement cage； magnetic anomaly； anomalous feature study

1005－6157（2016）03－0217－5

TU437.14

A

2015-11-27

程小順（1962－ ），男，安徽懷寧人，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事地球物理地球化學(xué)勘查工作。