磁法灌注樁鋼筋籠長(zhǎng)度檢測(cè)試驗(yàn)條件及效果分析

郝 志 鵬

(山西省建筑科學(xué)研究院有限公司,山西 太原 030001)

0 引言

當(dāng)前我國(guó)工程建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展，灌注樁基礎(chǔ)由于其固有的各種優(yōu)點(diǎn)，已在高層建筑、橋梁、高架等工程中大量采用，成為我國(guó)工程建設(shè)領(lǐng)域中最重要、應(yīng)用最廣泛的一種基礎(chǔ)形式。灌注樁樁身材料包括混凝土及鋼筋籠，其中的鋼筋籠是按照有關(guān)規(guī)范要求，根據(jù)樁身荷載的大小和受力性質(zhì)，樁周土的情況，抗震設(shè)防烈度等通過設(shè)計(jì)計(jì)算確定的，灌注樁鋼筋籠是樁身主要材料之一。

根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》有關(guān)條款，灌注樁樁身完整性是反映灌注樁樁身的截面尺寸的相對(duì)變化以及樁身材料的密實(shí)性和連續(xù)性的綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]。因此，當(dāng)混凝土灌注樁鋼筋籠長(zhǎng)度不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可認(rèn)為其樁身材料不滿足連續(xù)性要求，樁身完整性存在缺陷。灌注樁鋼筋籠在樁身受力過程中發(fā)揮巨大作用，如果灌注樁鋼筋籠長(zhǎng)度不滿足設(shè)計(jì)要求，將會(huì)影響整個(gè)樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和抗震性能，構(gòu)成極大的安全隱患，直接影響建筑物的質(zhì)量和安全。目前全國(guó)各地已發(fā)現(xiàn)多起施工企業(yè)利用建設(shè)單位和監(jiān)理單位監(jiān)管不嚴(yán)的漏洞偷工減料，鋼筋籠長(zhǎng)度不夠給工程建設(shè)項(xiàng)目帶來巨大的安全隱患和不可彌補(bǔ)的后果[2]，全國(guó)多個(gè)行業(yè)和省份已制定地方標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，來推廣和指導(dǎo)灌注樁鋼筋籠長(zhǎng)度檢測(cè)工作。

傳統(tǒng)的低應(yīng)變法、聲波透射法、鉆芯法等檢測(cè)手段均為檢測(cè)樁身混凝土材料完整性，無法檢測(cè)鋼筋籠的長(zhǎng)度及鋼筋籠完整性，而本文所述磁法灌注樁鋼筋籠長(zhǎng)度檢測(cè)，主要針對(duì)樁身鋼筋籠長(zhǎng)度檢測(cè)，該方法進(jìn)一步完善了灌注樁樁身完整性檢測(cè)。

1 檢測(cè)原理

隨著建筑科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，樁基工程檢測(cè)技術(shù)也在不斷地發(fā)展和提高，新理論、新方法、新手段不斷涌現(xiàn)，使灌注樁檢測(cè)技術(shù)不斷完善發(fā)展。由于鋼筋籠材料為鋼筋，鋼筋屬于鐵磁性材料，其與混凝土、樁周巖石、地基土之間存在著明顯的磁性差異，因此利用材料之間的磁性差異來進(jìn)行檢測(cè)，以判斷樁身鋼筋籠長(zhǎng)度是一種比較科學(xué)的選擇。

鋼筋籠材料為鋼筋，屬于鐵磁性物質(zhì)，在其周圍會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。鐵磁性物質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與大地所產(chǎn)生的地磁場(chǎng)相互疊加，局部產(chǎn)生磁異常。磁測(cè)法檢測(cè)鋼筋籠長(zhǎng)度的基本原理就是通過測(cè)試鋼筋籠內(nèi)部或周邊一定范圍內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)上述磁異常特征，對(duì)鋼筋籠的空間分布特征做出判斷，以達(dá)到檢測(cè)長(zhǎng)度的目的。對(duì)于兩種具有磁性異常的不同物質(zhì)，例如鋼筋和地基土，在其沿某方向的分界界面附近磁場(chǎng)垂直分量是不連續(xù)的，會(huì)產(chǎn)生突變的情況，同理在分界界面上磁場(chǎng)垂直分量梯度將出現(xiàn)急劇變化的極值點(diǎn)，我們可利用曲線實(shí)測(cè)磁場(chǎng)垂直分量底部的拐點(diǎn)位置及磁場(chǎng)垂直分量梯度底部的極值點(diǎn)位置，綜合判別不同介質(zhì)的分界面。故對(duì)于以研究鋼筋籠長(zhǎng)度為目的的磁測(cè)法，鋼筋籠形成的磁異常即磁場(chǎng)垂直分量是我們測(cè)量研究的對(duì)象，而鋼筋籠底部和樁端地基土的界面就是一個(gè)磁性介質(zhì)的分界面，可根據(jù)實(shí)測(cè)磁場(chǎng)垂直分量來進(jìn)行識(shí)別。

鋼筋籠長(zhǎng)度磁測(cè)井法檢測(cè)，就是通過在灌注樁內(nèi)部或者附近的測(cè)試孔中測(cè)量鋼筋籠內(nèi)或附近磁場(chǎng)垂直分量沿深度方向受鋼筋影響的變化情況，同時(shí)結(jié)合一定的數(shù)據(jù)分析及處理方法，從而對(duì)樁身內(nèi)鋼筋籠的埋設(shè)深度、長(zhǎng)度進(jìn)行判定[3]。

檢測(cè)過程的每一個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試所得的磁場(chǎng)，是各種物質(zhì)磁場(chǎng)疊加的結(jié)果。以研究鋼筋籠長(zhǎng)度為目的的磁測(cè)法，鋼筋籠所形成的感應(yīng)磁場(chǎng)是我們檢測(cè)的主要研究對(duì)象，而其他例如地下管線、構(gòu)筑物、廢棄材料等鐵磁性物質(zhì)以及鐵磁性礦石等材料，其周圍也能形成磁場(chǎng)，對(duì)檢測(cè)來說這些是干擾磁場(chǎng)。檢測(cè)過程中當(dāng)干擾磁場(chǎng)強(qiáng)度比鋼筋籠感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)烈時(shí)，主要檢測(cè)對(duì)象鋼筋籠感應(yīng)磁場(chǎng)的分布特征將會(huì)被掩蓋，因此也就無法正常完成檢測(cè)工作。因此對(duì)于磁測(cè)法檢測(cè)鋼筋籠長(zhǎng)度，要求其樁身中及樁周圍一定范圍內(nèi)除鋼筋籠外，應(yīng)無其他連續(xù)的鐵磁性體干擾物質(zhì)存在。

2 試驗(yàn)條件研究

2.1 測(cè)試孔距離

鋼筋籠感應(yīng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度與測(cè)試點(diǎn)到鋼筋籠的水平距離密切相關(guān)，通過大量試驗(yàn)表明，鋼筋籠磁場(chǎng)強(qiáng)度隨測(cè)試距離的增加而衰減極快[4]。

鋼筋籠長(zhǎng)度測(cè)試時(shí)，探頭必須通過測(cè)試孔完成，若測(cè)試孔設(shè)置在樁身外側(cè)，通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)測(cè)試孔設(shè)置在樁身外側(cè)，測(cè)試距離在0.5 m以內(nèi)時(shí)，鋼筋籠的磁場(chǎng)信號(hào)較好。根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度理論計(jì)算分析可知，隨著測(cè)試距離的增大，鋼筋籠磁場(chǎng)強(qiáng)度迅速衰減：當(dāng)測(cè)試距離為1.0 m時(shí)，鋼筋籠磁場(chǎng)垂直分量異常幅度僅為測(cè)試距離0.5 m時(shí)的30%左右；當(dāng)測(cè)試距離為3.0 m時(shí)，鋼筋籠磁場(chǎng)垂直分量異常幅度僅為測(cè)試距離0.5 m時(shí)的5%左右。故綜合考慮磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度、受檢樁和測(cè)試孔的垂直度，測(cè)試孔與受檢樁的距離宜在0.5 m以內(nèi)，且盡量遠(yuǎn)離非受檢樁，確保受檢樁鋼筋籠信號(hào)影響最強(qiáng)，而非受檢樁鋼筋籠的干擾信號(hào)最弱。

若測(cè)試孔設(shè)置在灌注樁的樁身內(nèi)部，其磁場(chǎng)疊加比樁外測(cè)試時(shí)強(qiáng)烈得多，測(cè)試信號(hào)強(qiáng)度更高，數(shù)據(jù)更加清晰直觀，鋼筋籠底端磁異常位置更易于分辨。在灌注樁樁身成孔宜靠近樁中心，以確保鉆芯過程測(cè)試孔不偏出樁外，順利達(dá)到預(yù)定深度。對(duì)于樁徑大于2 m的灌注樁，一般情況下鋼筋籠的主筋數(shù)量及主筋直徑較大，能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)信號(hào)，模型樁試驗(yàn)及工程實(shí)踐表明，樁身內(nèi)部鉆芯孔距離主筋不大于1 m時(shí)，鋼筋籠底部能夠出現(xiàn)明顯的磁異常分界面，測(cè)試數(shù)據(jù)較好。

測(cè)試距離對(duì)鋼筋籠磁場(chǎng)信號(hào)的采集至關(guān)重要，測(cè)試孔鉆進(jìn)應(yīng)控制好測(cè)試孔垂直度，保持測(cè)試孔和鋼筋籠相互平行，測(cè)試孔鉆進(jìn)過程使測(cè)試距離保持不變，才可能測(cè)得較理想的鋼筋籠磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線。受檢樁樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，其測(cè)試孔的垂直度就越難保證，若測(cè)試孔傾斜度過大影響測(cè)試效果，應(yīng)重新布置測(cè)試孔。

2.2 測(cè)試孔

測(cè)試孔是測(cè)試探頭的通道，測(cè)試孔的直徑主要是根據(jù)測(cè)試探頭的直徑確定，其主要目的是保證測(cè)試探頭升降通暢。目前的傳感器探頭直徑一般在4 cm左右，為保證探頭在測(cè)試孔內(nèi)順暢通行，測(cè)試孔孔徑一般不宜小于6 cm。此外，如果測(cè)試孔深度范圍內(nèi)存在較厚的填土層、砂土層、卵或礫石層時(shí)，成孔后可能會(huì)發(fā)生塌孔，使傳感器探頭無法到達(dá)孔底，或在測(cè)試過程中塌孔，將傳感器探頭埋于孔底無法取出，工程實(shí)踐表明，對(duì)上述地層中進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)設(shè)置PVC管護(hù)孔防止塌孔。同時(shí)為防止管底返砂、返泥而導(dǎo)致堵孔，PVC管宜進(jìn)行封底。工程監(jiān)測(cè)中一般PVC管內(nèi)徑為60 mm～90 mm。

2.3 測(cè)試孔深度

為保證測(cè)試到鋼筋籠底端分界面清晰有效的磁異常數(shù)據(jù)，測(cè)試孔底標(biāo)高應(yīng)低于鋼筋籠設(shè)計(jì)底標(biāo)高至少3 m～5 m，一般可將該段內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值作為背景場(chǎng)值，背景場(chǎng)內(nèi)的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，變化不大，當(dāng)測(cè)試探頭由背景場(chǎng)進(jìn)入鋼筋籠底端分界面處時(shí)，由于鋼筋籠底端的磁異常，測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)生突變，由此判斷檢測(cè)數(shù)據(jù)。如果測(cè)試孔底標(biāo)高低于鋼筋籠設(shè)計(jì)底標(biāo)高不足，則由于周圍磁場(chǎng)干擾，無法測(cè)得平穩(wěn)的背景場(chǎng)值，導(dǎo)致在鋼筋籠底端分界面處磁異常不明顯，無法準(zhǔn)確判定鋼筋籠底面位置，導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)無法判斷。實(shí)際測(cè)試過程中，由于可能塌孔等情況的發(fā)生，而導(dǎo)致探頭往往不能達(dá)到預(yù)定的深度，故一般測(cè)試孔成孔深度都大于3 m～5 m，具體深度根據(jù)檢測(cè)地層情況確定。

2.4 檢測(cè)樁型

當(dāng)前我們的建筑場(chǎng)地，其基本很少有上述地下構(gòu)筑物或者鐵礦石等強(qiáng)烈干擾磁場(chǎng)的影響，即便有地下管線、構(gòu)筑物等，也不可能滿場(chǎng)地均勻分布，故當(dāng)灌注樁按JGJ 94建筑樁基技術(shù)規(guī)范所規(guī)定的最小中心距布置時(shí)，經(jīng)過我單位大量試驗(yàn)表明，一般情況下可滿足磁測(cè)井法的測(cè)試要求。對(duì)于基坑支護(hù)的灌注樁，由于其樁間距非常小，導(dǎo)致樁身相互之間的磁場(chǎng)干擾很大，如采用本方法檢測(cè)，必須經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性。對(duì)于預(yù)制管樁，其樁身內(nèi)部預(yù)應(yīng)力鋼筋長(zhǎng)度與樁長(zhǎng)一致，樁壁內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力鋼筋可形成較明顯的磁場(chǎng)，因此在正常情況下，磁測(cè)井法可用于預(yù)制管樁的檢測(cè)，且一般將管樁內(nèi)部空心部分作為測(cè)井。對(duì)于預(yù)制方樁，其樁身內(nèi)部配筋量較少，就目前的樁徑而言一般無法在樁身內(nèi)部鉆孔，若在樁側(cè)鉆孔，鉆孔垂直度與樁身垂直度存在一定的偏差，尤其在樁端附近可能水平距離較大，上述原因都導(dǎo)致預(yù)制方樁的磁感信號(hào)較弱，判斷較為困難，故預(yù)制方樁采用該方法時(shí)，應(yīng)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性。對(duì)于鋼樁及鋼管混凝土樁，由于其具有很強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁場(chǎng)反應(yīng)很明顯，因而也可采用磁測(cè)井法進(jìn)行檢測(cè)。

3 檢測(cè)效果分析

鋼筋籠底部為磁介質(zhì)分界面，該界面上部為鐵磁性物質(zhì)，下部為無磁性或弱磁性物質(zhì)，超過界面向下逐漸變?yōu)榉€(wěn)定的背景場(chǎng)，鋼筋籠底部位置磁場(chǎng)發(fā)生劇烈波動(dòng)，測(cè)試值Z分量強(qiáng)度急劇變化，出現(xiàn)由極小值轉(zhuǎn)變成大于背景場(chǎng)的拐點(diǎn)(斜率最大處)，相應(yīng)的測(cè)試值Z分量強(qiáng)度梯度曲線出現(xiàn)極小值點(diǎn)，可以有效的分辨出鋼筋籠分界面的存在。通過大量工程試驗(yàn)表明，試測(cè)過程中深度—垂直分量(h—Z)曲線的Z分量拐點(diǎn)位置判讀難度相對(duì)較大，同時(shí)深度—磁場(chǎng)垂直分量梯度(h—dZ/dh)曲線dZ/dh值的靈敏度較高，易受外界的磁場(chǎng)(包括地磁場(chǎng)和干擾磁場(chǎng))影響，造成極值點(diǎn)不明顯，也加大了極值點(diǎn)的判斷難度。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，建議同時(shí)結(jié)合h—Z曲線和h—dZ/dh曲線加以綜合判定。

磁法鋼筋籠長(zhǎng)度檢測(cè)，對(duì)灌注樁而言，可以在樁身內(nèi)鉆孔完成檢測(cè)，也可在樁身周圍土體范圍內(nèi)鉆孔進(jìn)行檢測(cè)。圖1a)為灌注樁樁身內(nèi)測(cè)試孔實(shí)測(cè)特征曲線，其鋼筋籠實(shí)測(cè)長(zhǎng)度為9.0 m。根據(jù)曲線可以看出，測(cè)試深度由下至上其樁端以下背景場(chǎng)測(cè)試的磁場(chǎng)垂直分量較穩(wěn)定，基本在-200 mG～-300 mG之間，磁場(chǎng)垂直分量梯度基本無變化，在0值上下波動(dòng)；在鋼筋籠樁端分界面處，曲線發(fā)生突變，磁場(chǎng)垂直分量Z值先降低再升高，磁場(chǎng)垂直分量梯度則出現(xiàn)明顯的極小值點(diǎn)，故可結(jié)合兩條曲線的變化判斷其鋼筋籠分界面位置；在鋼筋籠樁端分界面以上的樁身內(nèi)，磁場(chǎng)垂直分量基本穩(wěn)定在-50 mG左右，但在同背景場(chǎng)值相比有所上升，其磁場(chǎng)垂直分量梯度基本無變化，在0值上下波動(dòng)；在地面樁頭附近，曲線發(fā)生波動(dòng)，但樁頂處曲線變化對(duì)測(cè)試結(jié)果影響不大，我們測(cè)試主要關(guān)心其鋼筋籠底端位置，及其沿樁身是否出現(xiàn)明顯的變化情況。圖1b)為灌注樁樁側(cè)0.5 m以內(nèi)土體測(cè)試孔中實(shí)測(cè)特征曲線，其鋼筋籠測(cè)試長(zhǎng)度為9.0 m，其測(cè)試數(shù)據(jù)分析基本同圖1a)曲線。圖1c)為樁長(zhǎng)78 m灌注樁鋼筋籠實(shí)測(cè)曲線，其由樁頂面位置至以下39 m范圍內(nèi)，主筋配筋數(shù)量相同；由39 m以下至樁底面位置處，主筋配筋數(shù)量減少一半。根據(jù)曲線可以看出，鋼筋籠樁端分界面處，其數(shù)據(jù)分析及判斷基本同圖1a),圖1b)相似，但由于樁身主筋數(shù)量不同，其樁身上、下兩端產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度也有區(qū)別，尤其在樁身39 m處，由于主筋數(shù)量突變，故上、下端磁場(chǎng)垂直分量測(cè)試曲線明顯有差別，且磁場(chǎng)垂直分量梯度出現(xiàn)極小值，變化比較明顯。圖1d)為預(yù)制管樁孔內(nèi)實(shí)測(cè)特征曲線，測(cè)試管樁樁長(zhǎng)27 m，每節(jié)樁長(zhǎng)9 m，共3節(jié)。其測(cè)試曲線在樁端分界面處，樁身分段法蘭焊接處變化較明顯，測(cè)試數(shù)據(jù)較明顯，判讀結(jié)論較準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

1)灌注樁磁法鋼筋籠長(zhǎng)度檢測(cè)技術(shù)，對(duì)灌注樁樁身完整性檢測(cè)而言是一種比較有效的檢測(cè)手段，該方法彌補(bǔ)了以往完整性檢測(cè)只檢測(cè)混凝土而不檢測(cè)鋼筋籠的缺點(diǎn)。

2)大量工程實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)證明，該方法現(xiàn)場(chǎng)可操作性強(qiáng)、檢測(cè)數(shù)據(jù)一致性較好，檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定，數(shù)據(jù)分析判斷簡(jiǎn)單明確，結(jié)論準(zhǔn)確。

3)由于該方法主要通過磁異常來判斷，應(yīng)用該方法開展鋼筋籠長(zhǎng)度檢測(cè)，應(yīng)注意其檢測(cè)條件和適用范圍。

4)該方法目前對(duì)檢測(cè)基坑支護(hù)灌注樁及預(yù)制方樁，還存在一定的不適用性，今后應(yīng)加強(qiáng)該方面的研究。