基于充電法判定基樁鋼筋籠長度的理論與應(yīng)用技術(shù)試驗(yàn)研究

榮黎 ，李俊 ，余敏 （安徽省建設(shè)工程測試研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000）

地下隱蔽工程質(zhì)量檢測工作中，基樁鋼筋籠長度的判定是其重要的工作之一。基樁鋼筋籠長度的判定工作通常采用井中物探（井中磁法、電法或電磁法）方法。然而，井中物探需在樁中鉆孔或在樁邊成一PVC套管的鉆孔，應(yīng)用鋼筋籠的天然鐵磁性特征的井中磁法和井中測量的充電法，判測井需在目標(biāo)基樁中間或0.5m以內(nèi)，一般一判測井只能判測一基樁，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。為了能使基樁鋼筋籠長度的判定工作做到快速，經(jīng)濟(jì)，高效，我們從方法的基本理論著手，經(jīng)過反復(fù)比對(duì)試驗(yàn)，首先以井中磁法為參照點(diǎn)，采用類似于錨桿無損檢測的應(yīng)力波檢測方法進(jìn)行比對(duì)，由于基樁配筋率遠(yuǎn)低于錨桿，鋼筋籠底部波阻抗相對(duì)樁砼來說變化非常小，而鋼筋本身波速高且衰減快，相對(duì)于較短的基樁，采用應(yīng)力波檢測方法效果較差。進(jìn)而我們又進(jìn)行了判測井在目標(biāo)基樁0.5m以內(nèi)井中磁法和充電法進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果完全吻合。為了提高效率，我們又進(jìn)行了一判測井判測多根樁（充電樁籠）的充電法試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果較復(fù)雜但具有一定的規(guī)律性，判測規(guī)律主要取決于判測井與判測樁的距離、位置及周邊樁籠的位置和距離，經(jīng)過從理論到實(shí)驗(yàn)的反復(fù)比對(duì)試驗(yàn)，取得了較滿意的試驗(yàn)成果。為了擺脫耗工費(fèi)時(shí)的鉆井檢測方式，更好的提高基樁鋼筋籠長度的判測工作效率，我們又開發(fā)了基于充電法判定基樁鋼筋籠長度的靜探測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)現(xiàn)已獲得國家頒布的實(shí)用新型發(fā)明專利。

1 充電鋼筋籠的電場

充電的鋼筋籠非常細(xì)長，可看做線型接地長電極，由電極流入地下的電流強(qiáng)度為I,電極長度為2l；P點(diǎn)至電極垂直距為b；至電極兩端的距離為r1和r2；與電極兩端的連線和電極間的夾角分別為θ1、θ2（圖1），P點(diǎn)的場勢為

a=（r1+r2）/2（等勢橢球面的半長軸）

在yz平面上半焦距為l,半長軸為a=(r1+r2)/2，半短軸為的橢圓繞z軸旋轉(zhuǎn)一周所形成的橢球面族即為其等勢旋轉(zhuǎn)橢球面。

圖1 有限線源模型示意圖

因?yàn)樵搱鰟轂樾D(zhuǎn)對(duì)稱的橢球場，水平方向全對(duì)稱，忽略x方向，取yoz坐標(biāo)平面進(jìn)行運(yùn)算：

2 充電樁籠周邊樁籠（穩(wěn)定電流場中的導(dǎo)體）感應(yīng)電場

充電法采用穩(wěn)定電流場，而充電樁籠周邊的其它樁籠就是穩(wěn)定電流場中的導(dǎo)體。穩(wěn)定電流場和靜電場一樣都是勢場。由于電流場問題可以利用靜電問題來換算（用靜電類比法），可以從研究靜電場問題的解法入手。

金屬導(dǎo)體處于靜電場中，金屬的自由電子在外電場的作用下相對(duì)于晶格作定向運(yùn)動(dòng)，并在導(dǎo)體的一個(gè)側(cè)面集結(jié)，使該側(cè)面出現(xiàn)負(fù)電荷。而相對(duì)的另一側(cè)面則出現(xiàn)正電荷，這就是靜電感應(yīng)現(xiàn)象。由此產(chǎn)生的電荷稱為感應(yīng)電荷。相對(duì)側(cè)面上的感應(yīng)電荷電量相等而符號(hào)相反。感應(yīng)電荷在空間必然產(chǎn)生電場，該電場與原來的電場疊加，改變了空間各處的電場分布。感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場稱為感應(yīng)電場，用表示。空間任意一點(diǎn)的場強(qiáng)可表示為：

在金屬導(dǎo)體中，自由電子沒有定向運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)任一點(diǎn)的電場強(qiáng)度都等于零的狀態(tài)稱為靜電平衡狀態(tài)。

處于靜電平衡的金屬導(dǎo)體具有如下的性質(zhì)：

①整個(gè)導(dǎo)體是等勢體，導(dǎo)體表面是等勢面。

②導(dǎo)體表面附近的場強(qiáng)處處與表面垂直。

靜電平衡的導(dǎo)體上的電荷分布具有以下規(guī)律：a.電荷只分布在導(dǎo)體的表面上；b.面電荷密度與電場強(qiáng)度的大小成正比；c.曲率越大的地方，面電荷密度也越大

3 充電法判定鋼筋籠長度的解釋模型

充電法采用穩(wěn)定電流場即勢場，勢場問題的解即為解邊界問題。可分為兩類，第一類問題為已知帶電場源及相關(guān)的邊界條件，欲求其場的分布。第二類是感應(yīng)電場問題，如導(dǎo)體置于外電場中，導(dǎo)體被極化，感應(yīng)電場與一次場相疊加即為滿足邊界條件的合電場。因此，充電勢場解釋的目的就是解決上述兩類問題。

通常勢場的解釋模型分為兩類，一類是反演問題，即已知場的分布去尋求場源，另一類是正演問題，即是已知場源去尋求場的分布。通常物探方法對(duì)場源知之甚少，多為反演推斷問題。然而，作為有限線源的鋼筋籠模型參數(shù)較明確（唯一要確定的就是長度），因此，充電法判定鋼筋籠長度的解釋模型可以完全以前面所討論的線型電場及感應(yīng)電場理論為依據(jù)，采用正演擬合法進(jìn)行解釋（見圖2）。

圖2 充電法判鋼筋籠長度建模解釋流程圖

4 充電法判定鋼筋籠長度的應(yīng)用實(shí)例及效果

實(shí)例為充電法在某棟樓群樁當(dāng)中較為典型的判別實(shí)例。

例中可看出在9m附近有較大峰值，可判為半籠的充電電位梯度曲線，由于受旁邊全籠的影響，在12m以下又迅速升起；而可判為全籠的充電電位梯度曲線由于受到旁邊半樁籠的影響，在9m附近有不同程度的小峰值；由此，可以看出樁籠之間的相互干擾，其相互影響的程度主要取決于充電目標(biāo)樁籠及周邊樁籠與檢測點(diǎn)的相對(duì)位置。

為了進(jìn)一部證實(shí)所作的推斷，對(duì)部分較典型的樁籠（2根）通過所建的解釋模型進(jìn)行了正演計(jì)算，所計(jì)算的理論曲線和實(shí)測曲線基本吻合，充分證實(shí)了該方法的有效性和合理性。

5 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

①充電法作為一種人工穩(wěn)定等位線形場源，具有信號(hào)穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，操作靈活方便，解釋明晰簡便等明顯的優(yōu)點(diǎn)，定能在判定樁籠工作中發(fā)揮越來越大的作用。

圖3 靜探-充電法平面位置示意圖（二）

充電法進(jìn)行群樁籠判定是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，既可體現(xiàn)其方法的高效性（一孔多測），又由于樁籠的相互干擾，大大增加了其方法的復(fù)雜性，根據(jù)本人在幾千根群樁籠的判識(shí)實(shí)踐，得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

a.盡管樁籠為長徑比較大的良導(dǎo)體，測距不易過大，從理論論證，到實(shí)判經(jīng)驗(yàn)可知：粗略判識(shí)時(shí)不易大于樁籠長度的一半，精確判識(shí)時(shí)不易大于樁籠長度的八分之一。

圖4 充電電位梯度及擬合曲線

b.群樁檢測時(shí)，為盡可能減少相互干擾，測試孔應(yīng)打在群樁中間，使周邊測試樁籠與測試孔距離保持一致。

c.資料解釋應(yīng)遵循由近致遠(yuǎn)，先易后難，逐點(diǎn)分析干擾源的判別原則，對(duì)于測點(diǎn)外圍的樁籠以及一次場干擾嚴(yán)重曲線難以判別的樁籠必需進(jìn)行多測點(diǎn)重復(fù)檢測，綜合分析，以確保判識(shí)精度。