基于電磁感應(yīng)效應(yīng)的橋梁樁體直徑檢測(cè)試驗(yàn)

摘 要：高壓旋噴混凝土樁是地基防滲和加固工程中的常用手段，樁徑的控制是影響樁身整體質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)不能實(shí)時(shí)、有效地檢測(cè)樁徑。為了動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)地檢測(cè)樁體直徑，本文以采用高壓旋噴混凝土樁進(jìn)行地基加固的工程項(xiàng)目為背景，基于電磁感應(yīng)技術(shù)，通過(guò)物理模型試驗(yàn)分析樁體在不同工況下的電磁感應(yīng)信號(hào)變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，樁徑大小會(huì)對(duì)感應(yīng)信號(hào)響應(yīng)造成較大的影響；樁體探測(cè)深度與探測(cè)方位不會(huì)對(duì)電磁感應(yīng)信號(hào)響應(yīng)造成較大影響；采用電磁感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)能夠獲取樁體施工過(guò)程中各方位、各深度相對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)漿液擴(kuò)散范圍和樁徑信息，以達(dá)到隱蔽工程可視化的目的，提高施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高壓旋噴混凝土樁；地基防滲；電磁感應(yīng)技術(shù)；物理模型試驗(yàn)；電磁感應(yīng)信號(hào)

中圖分類號(hào)：U 448" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國(guó)地下空間的利用程度逐漸提高，對(duì)止水圍護(hù)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)也更嚴(yán)格。在地下工程中，經(jīng)常通過(guò)高壓旋噴混凝土連續(xù)成樁組成基坑止水帷幕來(lái)實(shí)現(xiàn)地下水阻斷[1-2]。該技術(shù)通過(guò)高壓噴射混凝土混合物形成一種緊密的混凝土樁墻，可以有效地阻止外界水源進(jìn)入基坑內(nèi)部，提高地下結(jié)構(gòu)的防水隔水能力。由于其具有適用范圍廣、環(huán)保性高、靈活性好、經(jīng)濟(jì)合理、止水效果好以及噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，因此在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用[3]。但是，在實(shí)際樁體施工的過(guò)程中，受施工機(jī)械、地下水條件以及土層性質(zhì)等因素的影響，會(huì)出現(xiàn)樁體偏位、賦水、樁體斷裂以及樁身部分位置存在孔洞與變徑、夾泥或縮頸等問(wèn)題，使樁間發(fā)生滲水，最終導(dǎo)致止水帷幕失去隔水作用，嚴(yán)重影響工程結(jié)構(gòu)的承載性能，存在較大的安全隱患。為了實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)以及精準(zhǔn)地檢測(cè)樁體直徑，本文基于電磁感應(yīng)技術(shù)，通過(guò)物理模型試驗(yàn)，分析了不同探測(cè)深度、不同探測(cè)方位的電磁感應(yīng)信號(hào)變化規(guī)律，為類似工程提供借鑒。

1 檢測(cè)技術(shù)原理和信息處理方式

1.1 電磁感應(yīng)探測(cè)原理

以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，與瞬變電磁法相結(jié)合的人工源電磁探測(cè)法為電磁感應(yīng)探測(cè)技術(shù)。該技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)接地線源或不接地回線朝地下產(chǎn)生1個(gè)電磁場(chǎng)，使地下導(dǎo)體形成渦旋電流；渦旋電流電磁場(chǎng)的間隙內(nèi)會(huì)再次形成一個(gè)磁場(chǎng)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)磁場(chǎng)消失時(shí)，第二個(gè)磁場(chǎng)不會(huì)馬上消失。利用接地電極或線圈對(duì)二次磁場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)分析時(shí)間與磁場(chǎng)間的關(guān)系，得到導(dǎo)體的空間形態(tài)電性分布結(jié)構(gòu)。這種探測(cè)技術(shù)具有靈敏度高、分辨率高以及受地質(zhì)體影響小等特點(diǎn)，因此，其廣泛應(yīng)用在工程領(lǐng)域中。在工程中經(jīng)常采用電磁感應(yīng)探測(cè)技術(shù)檢測(cè)樁的具體情況，例如樁身是否完整、樁身信息變化等，當(dāng)導(dǎo)體電阻率不同時(shí)，其表現(xiàn)的電磁感應(yīng)響應(yīng)信號(hào)規(guī)律也不同。通過(guò)分析被監(jiān)測(cè)體電磁感應(yīng)信號(hào)的變化情況來(lái)達(dá)到動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隱蔽工程的目的。

1.2 檢測(cè)信號(hào)處理理論

脈沖渦流檢測(cè)法（PEC檢測(cè)方法）是一種無(wú)損檢測(cè)方法，其用于檢測(cè)金屬材料或構(gòu)件的內(nèi)部缺陷?；陔姶鸥袘?yīng)原理，向被檢測(cè)材料或構(gòu)件施加一個(gè)交變的磁場(chǎng)，使其產(chǎn)生渦流。然后根據(jù)渦流的分布和變化來(lái)判斷內(nèi)部缺陷的位置和大小。該研究通過(guò)該方法來(lái)處理和分析獲取的檢測(cè)信號(hào)。

2 樁徑檢測(cè)模型試驗(yàn)

權(quán)莊河大橋工程位于濟(jì)南市東部，起自歷城區(qū)彩石街道規(guī)劃春暉路，向東至大東環(huán)昌家莊互通順接章丘南環(huán)路，跨越歷城、高新和章丘三區(qū)，全長(zhǎng)9.015km，規(guī)劃為城市主干路，紅線寬37m。場(chǎng)地內(nèi)地質(zhì)復(fù)雜，存在軟弱地層和砂土層，針對(duì)該項(xiàng)目地質(zhì)條件復(fù)雜的情況，為保證基礎(chǔ)穩(wěn)定并保障安全，采用高壓旋噴混凝土樁對(duì)地基進(jìn)行加固。本文以該高壓旋噴混凝土樁為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。

2.1 模型樁的制作

預(yù)制3種不同直徑的獨(dú)立模型樁，并在樁體中心部位留出1個(gè)孔道洞，洞口直徑100mm，用于安裝電磁儀探測(cè)管，模型樁的養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3d。3種直徑樁分別定義如下：1號(hào)樁（D=400mm）、2號(hào)樁（D=600mm）、3號(hào)樁（D=800mm）、樁長(zhǎng)均為2m。模型樁所用混凝土材料配合比為鐵磁性粉狀易磁材料：普通硅酸鹽水泥∶砂土=2kg∶180kg∶600kg，注意在配制的過(guò)程中要保證易磁材料均勻分布。

2.2 試驗(yàn)方案

這次共制定2種檢測(cè)方案，檢測(cè)信號(hào)的儀器為六通道巷孔瞬變電磁儀，圖1為模型樁示意圖。具體的2種方案如下：保持探測(cè)方位不變，以探測(cè)深度為變量，具體步驟為將正東方向（方位A）設(shè)置為初始探測(cè)方向，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)，首先將探頭1號(hào)通道對(duì)準(zhǔn)該方向，即對(duì)準(zhǔn)方位A，其次沿著逆時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)5次探頭，旋轉(zhuǎn)角度為60°，分別標(biāo)記為方位B～F，最后每旋轉(zhuǎn)一次后采集一次電磁感應(yīng)信號(hào)。保持探測(cè)深度不變，以探測(cè)方位為變量，具體步驟為起始深度（0mm）設(shè)置為模型樁底面向上500mm的位置，以這個(gè)部位為基礎(chǔ)分別向上垂直提升探測(cè)管100mm，整個(gè)過(guò)程共提升6次，每次提升后對(duì)電磁感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集，總提升高度為100mm～600mm。

3 結(jié)果分析

采用PEC信號(hào)處理法對(duì)最初獲取的信號(hào)進(jìn)行去噪處理和取對(duì)數(shù)處理，除去背景值和干擾，并對(duì)信號(hào)特征進(jìn)行放大。對(duì)曲線形態(tài)進(jìn)行分析后，可知當(dāng)前期條件不同時(shí)的電磁感應(yīng)響應(yīng)曲線大致相同，主要在后期階段才出現(xiàn)了和試驗(yàn)條件有關(guān)的特征。為了對(duì)比當(dāng)試驗(yàn)條件不同時(shí)，信號(hào)的差異和響應(yīng)特征，提取后期分叉段信號(hào)，如圖2所示。

3.1 探測(cè)方位的影響分析

3種直徑模型樁在方案1中A、C、E探測(cè)方位的信號(hào)響應(yīng)比較結(jié)果如圖2（a）～圖2（f）所示。

從圖2（a）～圖2（c）中能夠看出，從1號(hào)樁至3號(hào)樁，分叉段信號(hào)幅值逐漸增加，即電磁感應(yīng)強(qiáng)度降低速度會(huì)隨著樁徑的減少而變緩。當(dāng)制備樁所用的混凝土配合比一致時(shí)，樁的直徑越小，其中所含有的易磁材料量就越小。因此小直徑樁的電阻率也就越大，通過(guò)電磁感應(yīng)效應(yīng)對(duì)樁進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，電磁感應(yīng)強(qiáng)度就呈現(xiàn)速度較快的持續(xù)衰減；與此同理能夠得出，大直徑樁的電磁感應(yīng)強(qiáng)度表現(xiàn)速度較慢持續(xù)衰減。從圖2（d）～圖2（f）中能夠得到，3種直徑樁在不同檢測(cè)方位下的分叉段曲線變化趨勢(shì)基本一致，其中，2號(hào)樁的曲線分叉段分散程度大于1號(hào)樁和3號(hào)樁，2號(hào)樁B和D的電磁感應(yīng)曲線分布較為分散，其余4個(gè)方位的曲線較為集中。在模型樁樁徑相同而探測(cè)方位不同時(shí)的信號(hào)曲線之間并未表現(xiàn)出與探測(cè)方位有關(guān)的響應(yīng)特征。在理想條件下，樁體中的鐵磁性易磁材料分布均勻，各方位的易磁材料含量基本一致，因此，電阻率也大致相同，不會(huì)對(duì)電磁感應(yīng)強(qiáng)度的降低速度造成影響。導(dǎo)致各探測(cè)方位電磁感應(yīng)曲線存在差異的原因是檢測(cè)儀器未調(diào)試精準(zhǔn)、儀器不穩(wěn)定以及易磁材料分布不均勻等。

根據(jù)上述分析可知，在樁體中均勻加入易磁材料后，隨著樁徑增加，其電磁感應(yīng)強(qiáng)度降低速度逐漸降低；樁體電磁感應(yīng)信號(hào)響應(yīng)不會(huì)受到探測(cè)方位較大的影響。因此，當(dāng)工程中旋噴成樁時(shí)，能夠通過(guò)同一旋噴360°、噴射深度相同過(guò)程里檢測(cè)信號(hào)的變化情況來(lái)得到不同方位的具體樁徑信息，判斷樁身不同深度時(shí)的漿液擴(kuò)散范圍、橫截面的半徑（直徑）的均一度，對(duì)旋噴成樁的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2 探測(cè)深度的影響分析

對(duì)3種直徑模型樁在方案2600mm、400mm和200mm探測(cè)深度的信號(hào)響應(yīng)進(jìn)行比較。結(jié)果表明，從1號(hào)模型樁至3號(hào)模型樁，信號(hào)幅值逐漸增加；當(dāng)600mm和300mm探測(cè)深度時(shí)，信號(hào)曲線分叉幅度較大。隨著模型樁直徑增加，其電磁感應(yīng)強(qiáng)度降低速度逐漸減少且樁徑大小會(huì)對(duì)感應(yīng)信號(hào)響應(yīng)造成較大的影響。

對(duì)方案2中3種直徑模型樁在200mm、300mm、400mm、500mm以及600mm探測(cè)深度下的信號(hào)響應(yīng)進(jìn)行比較，結(jié)果表明，3種直徑模型樁在各探測(cè)深度的電磁感應(yīng)響應(yīng)曲線變化趨勢(shì)基本一致，同時(shí)分布比較集中；同樣的，當(dāng)樁徑相同時(shí)，而探測(cè)深度不同時(shí)的信號(hào)曲線間并未表現(xiàn)出與探測(cè)方位有關(guān)的響應(yīng)特征。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是在理想條件下，鐵磁性易磁材料不會(huì)受到其自重的影響而均勻分布在樁體中，易磁材料在樁體各深度處的含量基本一致。因此，電阻率也大致相同，不會(huì)對(duì)電磁感應(yīng)強(qiáng)度的降低速度造成較大影響。導(dǎo)致各探測(cè)深度下電磁感應(yīng)曲線存在差異的原因是在試驗(yàn)場(chǎng)地的干擾、人工制樁出現(xiàn)誤差以及儀器不穩(wěn)定等。通過(guò)分析可知，樁體電磁感應(yīng)信號(hào)響應(yīng)不會(huì)受到探測(cè)深度的影響。同時(shí)，結(jié)合探測(cè)方位對(duì)樁體電磁感應(yīng)信號(hào)響應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生較大影響的分析結(jié)果，當(dāng)進(jìn)行旋噴成樁施工時(shí)，可對(duì)電磁感應(yīng)探頭進(jìn)行改造，并將其安裝在噴嘴下方，在噴嘴動(dòng)態(tài)螺旋上升的過(guò)程中完成樁體電磁波信號(hào)的收集工作，能夠得到成樁過(guò)程里不同方位（360°）、不同深度（由下而上）下動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的漿液擴(kuò)散范圍和樁徑信息，在隱蔽工程中良好地運(yùn)用電磁感應(yīng)技術(shù)，將難監(jiān)測(cè)、難控制的隱蔽工程可視化，提高其施工質(zhì)量和效率。

4 結(jié)論

為了在高壓旋噴樁施工過(guò)程中及時(shí)得到樁徑信息并進(jìn)行控制，本文以某采用高壓旋噴混凝土樁地基加固工程為例，通過(guò)設(shè)置不同樁徑、不同探測(cè)方位以及不同探測(cè)深度對(duì)電磁感應(yīng)技術(shù)的模型樁進(jìn)行試驗(yàn)，主要得到以下2個(gè)結(jié)論：1）通過(guò)物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證了電磁感應(yīng)技術(shù)在樁徑檢測(cè)方面有較好的效果，為高壓旋噴樁樁徑的檢測(cè)開拓了思路。當(dāng)成樁時(shí)將電磁感應(yīng)探頭裝于噴嘴下方部位，隨著噴嘴動(dòng)態(tài)螺旋上升，能夠得到成樁過(guò)程里不同方位（360°）、不同深度（由下而上）下動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的漿液擴(kuò)散范圍和樁徑信息，良好運(yùn)用隱蔽工程中電磁感應(yīng)技術(shù)，將難監(jiān)測(cè)、難控制的隱蔽工程可視化，提高施工質(zhì)量和效率。2）隨著模型樁直徑增加，電磁感應(yīng)強(qiáng)度降低速度逐漸變緩，樁徑大小會(huì)對(duì)感應(yīng)信號(hào)響應(yīng)造成較大的影響；在模型樁樁徑相同、探測(cè)方位不同時(shí)的信號(hào)曲線之間并未表現(xiàn)與探測(cè)方位有關(guān)的響應(yīng)特征；3種直徑模型樁在各探測(cè)深度下的電磁感應(yīng)響應(yīng)曲線變化趨勢(shì)基本一致，同時(shí)分布比較集中；同樣的，當(dāng)樁徑相同、探測(cè)深度不同時(shí)的信號(hào)曲線間并未表現(xiàn)出和探測(cè)方位有關(guān)的響應(yīng)特征。

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