磁法灌注樁鋼筋籠長度檢測試驗條件及效果分析

郝 志 鵬

(山西省建筑科學研究院有限公司,山西 太原 030001)

0 引言

當前我國工程建設事業蓬勃發展，灌注樁基礎由于其固有的各種優點，已在高層建筑、橋梁、高架等工程中大量采用，成為我國工程建設領域中最重要、應用最廣泛的一種基礎形式。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規范要求，根據樁身荷載的大小和受力性質，樁周土的情況，抗震設防烈度等通過設計計算確定的，灌注樁鋼筋籠是樁身主要材料之一。

根據《建筑基樁檢測技術規范》有關條款，灌注樁樁身完整性是反映灌注樁樁身的截面尺寸的相對變化以及樁身材料的密實性和連續性的綜合性評價指標[1]。因此，當混凝土灌注樁鋼筋籠長度不滿足設計要求時，可認為其樁身材料不滿足連續性要求，樁身完整性存在缺陷。灌注樁鋼筋籠在樁身受力過程中發揮巨大作用，如果灌注樁鋼筋籠長度不滿足設計要求，將會影響整個樁基礎的穩定性和抗震性能，構成極大的安全隱患，直接影響建筑物的質量和安全。目前全國各地已發現多起施工企業利用建設單位和監理單位監管不嚴的漏洞偷工減料，鋼筋籠長度不夠給工程建設項目帶來巨大的安全隱患和不可彌補的后果[2]，全國多個行業和省份已制定地方標準和行業標準，來推廣和指導灌注樁鋼筋籠長度檢測工作。

傳統的低應變法、聲波透射法、鉆芯法等檢測手段均為檢測樁身混凝土材料完整性，無法檢測鋼筋籠的長度及鋼筋籠完整性，而本文所述磁法灌注樁鋼筋籠長度檢測，主要針對樁身鋼筋籠長度檢測，該方法進一步完善了灌注樁樁身完整性檢測。

1 檢測原理

隨著建筑科學技術的發展，樁基工程檢測技術也在不斷地發展和提高，新理論、新方法、新手段不斷涌現，使灌注樁檢測技術不斷完善發展。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行檢測，以判斷樁身鋼筋籠長度是一種比較科學的選擇。

鋼筋籠材料為鋼筋，屬于鐵磁性物質，在其周圍會產生感應磁場。鐵磁性物質產生的感應磁場與大地所產生的地磁場相互疊加，局部產生磁異常。磁測法檢測鋼筋籠長度的基本原理就是通過測試鋼筋籠內部或周邊一定范圍內的磁場強度，根據上述磁異常特征，對鋼筋籠的空間分布特征做出判斷，以達到檢測長度的目的。對于兩種具有磁性異常的不同物質，例如鋼筋和地基土，在其沿某方向的分界界面附近磁場垂直分量是不連續的，會產生突變的情況，同理在分界界面上磁場垂直分量梯度將出現急劇變化的極值點，我們可利用曲線實測磁場垂直分量底部的拐點位置及磁場垂直分量梯度底部的極值點位置，綜合判別不同介質的分界面。故對于以研究鋼筋籠長度為目的的磁測法，鋼筋籠形成的磁異常即磁場垂直分量是我們測量研究的對象，而鋼筋籠底部和樁端地基土的界面就是一個磁性介質的分界面，可根據實測磁場垂直分量來進行識別。

鋼筋籠長度磁測井法檢測，就是通過在灌注樁內部或者附近的測試孔中測量鋼筋籠內或附近磁場垂直分量沿深度方向受鋼筋影響的變化情況，同時結合一定的數據分析及處理方法，從而對樁身內鋼筋籠的埋設深度、長度進行判定[3]。

檢測過程的每一個測點測試所得的磁場，是各種物質磁場疊加的結果。以研究鋼筋籠長度為目的的磁測法，鋼筋籠所形成的感應磁場是我們檢測的主要研究對象，而其他例如地下管線、構筑物、廢棄材料等鐵磁性物質以及鐵磁性礦石等材料，其周圍也能形成磁場，對檢測來說這些是干擾磁場。檢測過程中當干擾磁場強度比鋼筋籠感應磁場強度更強烈時，主要檢測對象鋼筋籠感應磁場的分布特征將會被掩蓋，因此也就無法正常完成檢測工作。因此對于磁測法檢測鋼筋籠長度，要求其樁身中及樁周圍一定范圍內除鋼筋籠外，應無其他連續的鐵磁性體干擾物質存在。

2 試驗條件研究

2.1 測試孔距離

鋼筋籠感應磁場的強度與測試點到鋼筋籠的水平距離密切相關，通過大量試驗表明，鋼筋籠磁場強度隨測試距離的增加而衰減極快[4]。

鋼筋籠長度測試時，探頭必須通過測試孔完成，若測試孔設置在樁身外側，通過大量試驗數據分析，當測試孔設置在樁身外側，測試距離在0.5 m以內時，鋼筋籠的磁場信號較好。根據磁場強度理論計算分析可知，隨著測試距離的增大，鋼筋籠磁場強度迅速衰減：當測試距離為1.0 m時，鋼筋籠磁場垂直分量異常幅度僅為測試距離0.5 m時的30%左右；當測試距離為3.0 m時，鋼筋籠磁場垂直分量異常幅度僅為測試距離0.5 m時的5%左右。故綜合考慮磁場信號強度、受檢樁和測試孔的垂直度，測試孔與受檢樁的距離宜在0.5 m以內，且盡量遠離非受檢樁，確保受檢樁鋼筋籠信號影響最強，而非受檢樁鋼筋籠的干擾信號最弱。

若測試孔設置在灌注樁的樁身內部，其磁場疊加比樁外測試時強烈得多，測試信號強度更高，數據更加清晰直觀，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，以確保鉆芯過程測試孔不偏出樁外，順利達到預定深度。對于樁徑大于2 m的灌注樁，一般情況下鋼筋籠的主筋數量及主筋直徑較大，能夠產生較強的磁場信號，模型樁試驗及工程實踐表明，樁身內部鉆芯孔距離主筋不大于1 m時，鋼筋籠底部能夠出現明顯的磁異常分界面，測試數據較好。

測試距離對鋼筋籠磁場信號的采集至關重要，測試孔鉆進應控制好測試孔垂直度，保持測試孔和鋼筋籠相互平行，測試孔鉆進過程使測試距離保持不變，才可能測得較理想的鋼筋籠磁場強度曲線。受檢樁樁長越長，其測試孔的垂直度就越難保證，若測試孔傾斜度過大影響測試效果，應重新布置測試孔。

2.2 測試孔

測試孔是測試探頭的通道，測試孔的直徑主要是根據測試探頭的直徑確定，其主要目的是保證測試探頭升降通暢。目前的傳感器探頭直徑一般在4 cm左右，為保證探頭在測試孔內順暢通行，測試孔孔徑一般不宜小于6 cm。此外，如果測試孔深度范圍內存在較厚的填土層、砂土層、卵或礫石層時，成孔后可能會發生塌孔，使傳感器探頭無法到達孔底，或在測試過程中塌孔，將傳感器探頭埋于孔底無法取出，工程實踐表明，對上述地層中進行測試，應設置PVC管護孔防止塌孔。同時為防止管底返砂、返泥而導致堵孔，PVC管宜進行封底。工程監測中一般PVC管內徑為60 mm～90 mm。

2.3 測試孔深度

為保證測試到鋼筋籠底端分界面清晰有效的磁異常數據，測試孔底標高應低于鋼筋籠設計底標高至少3 m～5 m，一般可將該段內現場測試值作為背景場值，背景場內的磁場數據較為穩定，變化不大，當測試探頭由背景場進入鋼筋籠底端分界面處時，由于鋼筋籠底端的磁異常，測試數據發生突變，由此判斷檢測數據。如果測試孔底標高低于鋼筋籠設計底標高不足，則由于周圍磁場干擾，無法測得平穩的背景場值，導致在鋼筋籠底端分界面處磁異常不明顯，無法準確判定鋼筋籠底面位置，導致測試數據無法判斷。實際測試過程中，由于可能塌孔等情況的發生，而導致探頭往往不能達到預定的深度，故一般測試孔成孔深度都大于3 m～5 m，具體深度根據檢測地層情況確定。

2.4 檢測樁型

當前我們的建筑場地，其基本很少有上述地下構筑物或者鐵礦石等強烈干擾磁場的影響，即便有地下管線、構筑物等，也不可能滿場地均勻分布，故當灌注樁按JGJ 94建筑樁基技術規范所規定的最小中心距布置時，經過我單位大量試驗表明，一般情況下可滿足磁測井法的測試要求。對于基坑支護的灌注樁，由于其樁間距非常小，導致樁身相互之間的磁場干擾很大，如采用本方法檢測，必須經現場試驗確定其適用性。對于預制管樁，其樁身內部預應力鋼筋長度與樁長一致，樁壁內部的預應力鋼筋可形成較明顯的磁場，因此在正常情況下，磁測井法可用于預制管樁的檢測，且一般將管樁內部空心部分作為測井。對于預制方樁，其樁身內部配筋量較少，就目前的樁徑而言一般無法在樁身內部鉆孔，若在樁側鉆孔，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，上述原因都導致預制方樁的磁感信號較弱，判斷較為困難，故預制方樁采用該方法時，應經現場試驗確定其適用性。對于鋼樁及鋼管混凝土樁，由于其具有很強的磁感應強度，磁場反應很明顯，因而也可采用磁測井法進行檢測。

3 檢測效果分析

鋼筋籠底部為磁介質分界面，該界面上部為鐵磁性物質，下部為無磁性或弱磁性物質，超過界面向下逐漸變為穩定的背景場，鋼筋籠底部位置磁場發生劇烈波動，測試值Z分量強度急劇變化，出現由極小值轉變成大于背景場的拐點(斜率最大處)，相應的測試值Z分量強度梯度曲線出現極小值點，可以有效的分辨出鋼筋籠分界面的存在。通過大量工程試驗表明，試測過程中深度—垂直分量(h—Z)曲線的Z分量拐點位置判讀難度相對較大，同時深度—磁場垂直分量梯度(h—dZ/dh)曲線dZ/dh值的靈敏度較高，易受外界的磁場(包括地磁場和干擾磁場)影響，造成極值點不明顯，也加大了極值點的判斷難度。因此，在實際工程應用中，建議同時結合h—Z曲線和h—dZ/dh曲線加以綜合判定。

磁法鋼筋籠長度檢測，對灌注樁而言，可以在樁身內鉆孔完成檢測，也可在樁身周圍土體范圍內鉆孔進行檢測。圖1a)為灌注樁樁身內測試孔實測特征曲線，其鋼筋籠實測長度為9.0 m。根據曲線可以看出，測試深度由下至上其樁端以下背景場測試的磁場垂直分量較穩定，基本在-200 mG～-300 mG之間，磁場垂直分量梯度基本無變化，在0值上下波動；在鋼筋籠樁端分界面處，曲線發生突變，磁場垂直分量Z值先降低再升高，磁場垂直分量梯度則出現明顯的極小值點，故可結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，磁場垂直分量基本穩定在-50 mG左右，但在同背景場值相比有所上升，其磁場垂直分量梯度基本無變化，在0值上下波動；在地面樁頭附近，曲線發生波動，但樁頂處曲線變化對測試結果影響不大，我們測試主要關心其鋼筋籠底端位置，及其沿樁身是否出現明顯的變化情況。圖1b)為灌注樁樁側0.5 m以內土體測試孔中實測特征曲線，其鋼筋籠測試長度為9.0 m，其測試數據分析基本同圖1a)曲線。圖1c)為樁長78 m灌注樁鋼筋籠實測曲線，其由樁頂面位置至以下39 m范圍內，主筋配筋數量相同；由39 m以下至樁底面位置處，主筋配筋數量減少一半。根據曲線可以看出，鋼筋籠樁端分界面處，其數據分析及判斷基本同圖1a),圖1b)相似，但由于樁身主筋數量不同，其樁身上、下兩端產生的磁場強度也有區別，尤其在樁身39 m處，由于主筋數量突變，故上、下端磁場垂直分量測試曲線明顯有差別，且磁場垂直分量梯度出現極小值，變化比較明顯。圖1d)為預制管樁孔內實測特征曲線，測試管樁樁長27 m，每節樁長9 m，共3節。其測試曲線在樁端分界面處，樁身分段法蘭焊接處變化較明顯，測試數據較明顯，判讀結論較準確。

4 結論

1)灌注樁磁法鋼筋籠長度檢測技術，對灌注樁樁身完整性檢測而言是一種比較有效的檢測手段，該方法彌補了以往完整性檢測只檢測混凝土而不檢測鋼筋籠的缺點。

2)大量工程實際檢測數據證明，該方法現場可操作性強、檢測數據一致性較好，檢測結果穩定，數據分析判斷簡單明確，結論準確。

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

4)該方法目前對檢測基坑支護灌注樁及預制方樁，還存在一定的不適用性，今后應加強該方面的研究。