基桩钢筋笼长度磁测井法检测技术概要

磁测井法在基桩钢筋笼长度检测中的应用一、背景二、磁测井法原理三、应用研究和试验情况四、检测流程、规定五、工程实例六、展望一、背景随着我国工程建设事业的蓬勃发展，桩基础已在高层建筑、桥梁、高架桥、港口码头等工程中大量采用，成为我国工程建设中最重要的一种基础型式。而基桩的钢筋笼长度是按照有关规范，根据荷载、弯矩大小，桩周土情况，抗震设防烈度以及是否属于抗拔桩和端承桩等计算确定的。基桩作为一种基础承载结构和地基支撑的构造物，桩中的钢筋笼长度是根据水平荷载、弯矩、桩周土情况、抗震设防烈度以及是否属于抗拔桩和嵌岩端承桩等加以确定。若配筋不足或钢筋笼长度不满足设计要求，将可能严重影响灌注桩基础的稳定性和抗震性能，造成建筑物的安全隐患，钢筋笼长度不满足要求应视为桩身完整性缺陷，因此灌注桩钢筋笼长度探测方法的理论研究和推广应用已势在必行。如果基桩的钢筋笼长度不能满足设计要求，将构成建筑物的安全隐患。因此，探测基桩的钢筋笼长度已成为质量管理的紧迫问题。如：某安置小区住宅项目，基础采用钻孔灌注桩，桩长均大于50m，设计桩内设置钢筋笼4.5节，单节长度为9.0m。后有村民向建设单位反映，部分桩内放置的钢筋笼长度不满足设计要求，建设单位要求选择部分疑问桩开展了钢筋笼长度检测工作。2008年11月15日15时20分，杭州萧山湘湖段地铁施工现场发生塌陷事故。风情大道坍塌形成了一个长75米、深15.5米的深坑，附近的河流决堤，河水倒灌，一度水深达6米多。正在路面行驶的11辆车陷入深坑，数十名地铁施工人员被埋，遇难人数达到21名，距事故现场仅一墙之隔的萧山区城西小学，校园东边的围墙已全部垮塌，地下管线破坏。•地球磁场跟地球引力场一样，是一个地球物理场，它是由基本磁场、地壳磁场与变化磁场三部分组成。二、磁测井法原理地磁场理论地球也是一个大磁体，它的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方。因此地球表面的磁体，可以自由转动时，就会因磁体同性相斥，异性相吸的性质指示南北。这个道理古人不甚明白，但这类现象他们已认识到。不同物质磁性特征物质根据其磁性特征分为铁磁性物质、逆磁性物质、顺磁性物质，顺磁性物质的原子固有磁距不为零，但是在无外磁场作用时，这个原子固有磁矩方向处于无序混乱状态。对外的磁效应相互抵消，宏观不显示出磁性。当加外磁场后，其原子固有磁短有转向外磁场方向排列的趋势，外磁场愈强，向外磁场取向的概率越大。对外显出磁性也愈大。原子固有磁短朝磁场方向排列是物质具有顺磁性的根本原因。铁磁性物质与逆磁性物质、顺磁性物质有显著区别。铁、钴、镍和它们的某些合金以及锰和铬的某些合金等一类有结晶状态的物质，即使在较弱的外磁场作用下，也呈强烈的磁化，这类物质叫铁磁性物质。而且也很容易达到磁饱和，这是因为这类物质内部的原子磁矩，在没有外磁场作用的情况下就已经以某种方式定向排列起来，并达到一定磁化程度，这种磁化称作“自发磁化”。钢筋笼周围磁场分布的理论分析钢筋笼周围磁场分布的理论分析：磁测法是以磁性体磁场的数学理论为基础，通过研究磁性体周围磁场变化的空间分布特征和分布规律，对磁性物体空间分布作出解释。钢筋笼属铁磁性物质，磁化率很大且磁性很强，相反混凝土、桩周岩土则属于无磁性或弱磁性物质，磁化率很小且磁性很弱，因此钢筋笼和混凝土之间，以及钢筋笼和桩周岩土之间存在明显的磁性差异（达几个数量级），钢筋笼被磁化在其周围会形成很强的局部磁异常。•钢筋笼设置前该处的地磁场为正常场（背景场），由于钢筋笼的存在而产生的局部磁异常为异常场。钢筋笼底部是铁磁性物质（钢筋笼）与无磁或弱磁性物质（素混凝土或岩土层）的界面，实测的磁场强度会有较大变化，超过界面向下则逐渐变为稳定的背景场（如下图）。•由于钢筋笼为铁磁性物体，可以产生各不相同的磁场，它的磁场在其焊接、篐筋等局部部位发生变化，出现磁异常的极值。利用仪器发现和研究这些磁异常，进而可以探测磁性钢筋笼存在的空间位置和几何形状﹐从而达到探测基桩钢筋笼长度的目的。•对于基桩中钢筋笼长度检测，可根据桩内钢筋与混凝土、桩周土间的磁性差异，选择磁测井法进行测试。基桩属于建筑工程的重要组成部分，因此在测试过程中宜不损害或不影响基桩的使用性能，即进行无损测试，因此常选择在基桩的旁边打孔进行测试，下图为现场测试示意图。对于进行基桩取芯的桩亦可利用取芯孔进行测试，如下图：•对于钢筋笼磁探测，由于钢筋笼属于强铁磁性物质，在弱外磁场作用下即可达到磁化饱和。而其天然剩余磁性，因投料的无序使其相互抵消。一个体积为V的磁性体，可将其看作是由无数多体积为dV的元磁矩的元磁体组成，每个元磁体相当于一个磁偶极子，则该磁体的磁位为：•为矢径与磁化强度间的夹角，矢量间的夹角公式：VVdVrMdVrrMU23cos441•以及：),cos(),cos(),cos(),cos(),cos(),cos(coszrzMyryMxrxM),cos(),cos(yMMMxMMMyxrxxrzMMMz/)(),cos(),cos(rzzrryyr/)(),cos(/)(),cos(2/1222])()()[(zyxr•其中()为测点坐标，()为dV的坐标，由于测试孔为垂直孔，则仅考虑磁场强度的垂直分量Za，均匀磁化体Za的积分表达式为：vzvyvxadVryxzMdVrzyMdVrzxMZ5222550)()()(2))((3))((34•简化到zoy平面来考虑(见图1)，另外钢筋笼可简化成单根钢筋进行计算，其中测点沿z轴方向平行于钢筋布置并进行测试，则有:另外有:其中I为的磁化倾角;A是磁性体走向和磁北的夹角，由于磁性体走向是垂直地面的，与磁北夹角应该为90°，即=0令，其中假定钢筋的长度为，则，有:钢筋笼磁异常分析•磁场特征：•对于单节钢筋笼，其沿深度方向的Za磁异常呈宽缓的马鞍形负异常，钢筋笼的顶底面位置在Za异常曲线的近似零点位置;对于采用零点作为特征点的，实测过程中判读难度相对较大，因此利用两个具有磁性差异的不同介质，在其分界面上垂直磁场分量梯度将出现极值点)，通过极值点来加以判读相对更为简单，如图2中Gz曲线所示。•图2分别为单节钢筋笼和两节钢筋笼的磁场强度垂直分量(Za)和垂直磁分量梯度(Gz)曲线为（均为归一化后)图2旁测钢筋笼Za和Gz曲线•在Gz曲线上，整个钢筋笼的顶底面均表现为极值点，而在钢筋笼搭接部位形成一个小S形异常特征，其中钢筋笼搭接中心点位于小S异常的零点位置。•上述的Za值均为钢筋笼磁化后所产生的异常值，而实际测试到的磁场强度垂直分量还包含着一个正常场值(即地磁场)。正常场可以根据测区的经纬度坐标，利用专业软件进行计算。三、应用研究和试验情况钢筋笼长度的探测方法，国内专家学者们目前已进行了一些有益的尝试。而采用地球物理测井方法来探测钢筋笼长度相对具有较高的准确性和经济价值，国内首先由江苏省正式颁布了地方标准（江苏省地方推荐标准：《灌注桩钢筋笼长度检测技术规程》(DGJ32_T60-2007)）。江苏省地方标准选择了充电法和井中磁测法两种方法来探测基桩钢筋笼长度，但由于充电法一般需要被检测桩露出桩头且有钢筋暴露，另外在浙江等沿海地区的软土地层含水率较高、电阻率极低（小于10Ω·m），充电法的适用性相对较差。为确保测试成果的可靠性，由浙江有色地球物理技术应用研究院会同浙江省建设工程质量检验站有限公司、绍兴县建设工程安全质量监督站等单位合作进行了深入细致的研究，最终确定采用磁测井法对基桩钢筋笼长度进行探测。目前，钢筋笼的外部磁场特征、钢筋笼顶底面的判断，以及磁测井法探测钢筋笼长度的适用性和可靠度处于一个日趋完善的状态。磁测井法是利用地壳内岩（矿）体之间的磁性差异所引起的地磁场变化（磁异常）来寻找有用矿产资源和查明地下地质构造的一种物探方法。在研究钢筋笼长度这个工程问题时，正常场为在钢筋笼设置前该处的地磁场，而异常场即是指由于钢筋笼的存在而产生的局部磁异常。•对于两个具有磁性差异的不同介质，在其分界界面上垂直磁场分量是不连续的，产生突变，在分界界面上磁场垂直分量梯度将出现极值点，因此可根据实测磁场垂直分量曲线正常场与异常场的分界面和实测磁场垂直分量梯度曲线的极值点位置来综合判别磁性介质的分界面。而钢筋笼的上下面就是一个磁性介质的分界面，因此可以采用磁测井法进行探测。•钢筋笼磁场的Za和Gz的异常最大值随着测试距离a的增大而衰减的变化曲线(均为归一化后)由下图可知，旁测钢筋笼的Za和Gz异常均衰减较快，因此为保证能测得较理想的钢筋笼磁异常，必须控制测试孔与被检测桩的距离。•钢筋笼引起的磁异常场强度与测试点到钢筋笼的距离密切有关，根据理论计算和模型桩验证（见上图），钢筋笼的磁场强度随测试距离的增加衰减极快，因此为保证能测得较理想的钢筋笼磁异常，必须控制测试孔与受检桩的距离。据理论计算，当测试距离到1.0m时，钢筋笼的磁场垂直分量异常幅度和梯度仅为测试距离0.5m时异常幅度的26%和15%左右，若距离再增加，测试到的异常幅度将很小，加大识别难度，因此要求测试孔与受检桩间距离不宜大于1.0m。•另外，当测试距离达到3.0m时，磁场垂直分量异常幅度仅为测试距离0.5m时异常幅度的5%左右、1.0m时异常幅度的19%左右，因此当其它非受检桩与测试孔的距离超过3.0m时，可不考虑其干扰影响。磁测井法试验基桩钢筋笼长度磁测井法检测应综合考虑桩长、水文地质条件、现场检测环境、桩的平面位置等因素，制定检测方案，提供检测结果。检测试验•单节钢筋笼•单节钢筋笼的模型选择文献“建（构）筑物下管桩长度检测方法（樊敬亮、程知言、胡光云等，物探与化探2007（3））”中的测试成果。该模型桩的桩长为16m、单节钢筋笼长为8m，测试孔距桩侧距离约0.5m，测试孔深度为16m，测点距为0.5m。图4为该单节钢筋笼模型桩的旁测Za和Gz曲线（均为归一化后）。实测曲线与单节钢筋笼理论曲线特征极其相似（1）其沿钢筋笼深度方向的Za磁异常呈宽缓的马鞍形负异常，钢筋笼的顶底面位置在Za异常曲线的近似零点位置；（2）根据Gz曲线的极值点可以清晰地分辨出钢筋笼顶底面位置，并可计算出钢筋笼长度为8.0m，与实际吻合。•两节钢筋笼绍兴县某工程的桩，该桩钢筋笼配置为9.0m+8.2m，实测钢筋笼净长为16.9m。测试孔距桩侧距离0.7m，测试孔深度为29m，测点距为0.5m。图5为该两节钢筋笼基桩的旁测Za和Gz曲线（均为归一化后）。多节钢筋笼•钢筋笼配置为9.0m+9.0m+9.0m+2.6m，实测钢筋笼净长为28.0m。测试孔距桩侧距离约0.7m，测试孔深度为37.5m，测点距为0.25m。图6为该多节钢筋笼基桩的旁测Za和Gz曲线（均为归一化后）。多节钢筋笼基桩旁测Za和Gz曲线测试孔方位的影响•钢筋笼配置为5×9.0m+4.5m，实测钢筋笼净长为47.9m。两测试孔距桩侧均为0.7m，测试孔深度均为58.5m，测点距为0.5m。下图分别为该基桩两测试孔的旁测Za（未归一化）和Gz曲线（归一化）。不同方位测试孔的旁测Za曲线不同方位测试孔的旁测Gz曲线测试距离的影响右图为试验W135桩的测试孔布设示意图。1~5号测试孔距桩侧距离分别为0.7m、1.0m、1.5m、2.0m和2.5m，钢筋笼配置为9.0m+8.2m，实测钢筋笼净长为16.9m。五个测试孔的旁测Za和Gz曲线（未归一化）。其中，Za磁异常曲线形态基本一致（马鞍型叠加），但随着测试距离的加大，异常幅度大幅减小；Gz异常曲线形变化相对较大，但在钢筋笼底面附近均形成了一个相对极大值点，且随着测试距离的加大异常幅度也大幅减小。W135号桩不同距离测试孔的旁测Za曲线据测试结果，对Za曲线选择两个相对极值点（a点和b点），对Gz曲线选择钢筋笼底面的相对极值点（c点），并与理论计算数据做衰减曲线对比图。W135号桩不同距离测试孔的旁测Gz曲线由上图可看出，a点和b点的衰减曲线与理论计算的Za