应用磁梯度法检测桩基础钢筋笼长度

摘 要：桩基础已在我国各种基础设施建设中广泛使用，桩长是否达标关系着建筑物的安全性能。通过仪器采集桩身附近的磁场强度，从而根据磁异常及其梯度可以确定桩内钢筋笼的长度。该文介绍了磁梯度法检测钢筋笼长度的基本原理，讨论了根据磁异常曲线确定钢筋笼接点的分析方法，并且通过一系列工程实例验证了理论公式，证明了该方法用于检测钢筋笼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形式。而基桩的钢筋笼长度是按照有关规范计算确定的，如果基桩的钢筋笼长度不能满足设计要求，将会影响整个桩基础的承载力、稳定性和抗震能力，严重威胁建筑物的安全性能。由于基桩属于地下隐蔽工程，对其长度难以进行开挖验证，因此需要通过非开挖检测技术，无损、快捷地检验基桩钢筋笼的长度，验证其长度是否满足设计要求，从而消除安全隐患。

钢筋笼受地磁场磁化从而产生感应磁场，并且与地磁场叠加产生局部磁异常。因此可以采用磁梯度测试方法：紧邻基桩桩身（一般不超过1m）打一直径0.1m左右的钻孔，深度略大于基桩埋深。用管径合适的PVC套管放置于钻孔内，然后将仪器磁探头由套管置入底部，垂直上拉探头的同时开始测量沿桩身轴线方向的磁场（及梯度），通过测量结果的变化，反映磁场突然增减的变化情况，从而确定磁性界面（即钢筋笼端点）的大致数量以及深度（图1）。

1 磁测法原理

由于钢筋笼属于铁磁性物质，因此相对于混凝土基桩与周围岩土，钢筋笼在地磁场作用下会产生更大的感应磁场，假设钢筋为无限长线状体，经理论计算，推导出无限长线状体钢筋的感应磁场强度Z为：

（1）

式中：k为钢筋磁化率，为垂直方向地磁场磁感应强度，S为主筋横截面积，L为测点到钢筋笼的垂直距离。假设有效磁化倾角为90°，由上式可知钢筋笼感应磁场强度Z大小跟主筋与测点的距离L的平方成反比，与主筋横截面积S成正比，且在与钢筋笼平行的方向上为定值。

实际工程中的灌注桩钢筋笼，基本上埋设在以第四纪为主的地层中，因此背景场基本上可以认为是一常量，并且可以通过现场实测获得，因而基底是铁磁性物质（钢筋笼）与弱磁性物质（混凝土基桩、围岩）的界面，界面上实测磁场强度会有较大变化，界面两侧会逐渐趋于稳定的背景场，通过对上述数值模拟磁场垂直Z分量以及梯度曲线的分析，拐点位置对应深度即为钢筋笼端点埋深。

2 工程应用

以下几个工程实例中使用的仪器均为武汉岩海公司生产的RS-RBMT钢筋笼长度磁法测试仪，适用磁场测量范围为-66666nT～+66666nT，Z磁敏元件转向差不大于300nT，线性度不大于0.2%，现场数据采集前均对检测用仪器设备进行检查调试。

2.1 浙江平湖工程实例

浙江省平湖市桥梁拓宽项目，工程正在处于施工阶段，基础采用钻孔灌注桩。后质量监督部门对其进行抽查，发现相关资料不全，怀疑已完成灌注桩钢筋笼长度存在问题，不能满足设计要求，受质量监督单位的委托，在该项目选择部分疑问桩开展了钢筋笼长度检测工作。在距离桩身0.2m处钻孔，深度为40m，选取PVC材质埋管进行施工。将采集的数据导入电脑中，使用相关分析软件，得到实际测量的垂直分量信号强度和梯度数据，输出垂直分量和梯度数据，作出图像。

由于该单位灌注桩钢筋笼设计长度为33.00m，我们得到测量结果长度为30.90m，与设计长度相差2.10m。由于本工地现场部分钻孔位置无法紧靠桩身，加之钻孔、钢筋笼均有一定的倾斜度，对测试磁场强度、梯度的强度有一定影响；钢筋材料以及绑扎方式、焊接方式均存在一定差异，所以该单位在实际施工中没有缩短钢筋笼的长度，实际工程基本符合设计要求。

2.2 浙江海宁工程实例

浙江省08省道海宁马桥至尖山段改建工程，工程处于施工中，基础采用钻孔灌注桩，后质量监督部门对其进行抽查，发现相关资料不全，怀疑钢筋笼长度存在问题，不能满足设计要求，受质量监督单位的委托，在该项目选择部分疑问桩开展了钢筋笼长度检测工作。

钻孔前，勘查现场情况。南部灌注桩处于河流的岸边，由于该河流是主航道，过往的船只较多，大概十分钟就有一个班次，各个灌注桩之间距离2m左右，灌注桩上部出露钢筋长度约0.4m，每个灌注桩旁大概1m处均有护筒。北部灌注桩处于开挖的沟壑中，沟壑深度大概两米，出露的钢筋笼长度大概4m，无护筒。

勘查完毕，在南部和北部工程中各随机选择一根灌注桩检测。在距离南部待检测灌注桩0.2m处进行钻孔作业，钻孔深度52m，下入PVC管，准备测量。在距离北部待检测关注桩0.2m处进行钻孔作业，由于钻孔到一定深度钻机打不下去，冒出混凝土浆，猜测下部灌注桩在灌注后混凝土外溢，无法在距离0.2m处打孔。由于衰减的影响，必须保证灌注桩与钻孔的距离不能过大，于是重新选择灌注桩，距离0.2m出打孔，钻孔深度48m，下入PVC管，采集数据。 在实验室将所采集的数据导入电脑中，使用软件输出垂直分量和梯度数据，作出图像。

由于该单位灌注桩钢筋笼设计长度为48.00m，我们得到测量结果长度为39.50m，比设计长度短了8.50m。所以该单位在实际施工中缩短钢筋笼的长度，少用了一节钢筋笼，实际工程基本不符合设计要求。

由于该单位灌注桩钢筋笼设计长度为48.00m，我们得到测量结果长度为30.00m，与设计长度相差较多。虽然本工地现场部分钻孔位置无法紧靠桩身，加之钻孔、钢筋笼均有一定的倾斜度，对测试磁场强度、梯度的强度有一定影响；钢筋材料以及绑扎方式、焊接方式均存在一定差异，但从实测曲线来看，所以该单位在实际施工中缩短钢筋笼的长度，少用两节钢筋笼，实际工程不符合设计要求。

2.3 南通某工程基础PHC管桩长度探测

PHC管桩即预应力高强度混凝土管桩。是采用先张预应力离心成型工艺，并经过10个大气压（1.0Mpa左右）、180℃左右的蒸汽养护，制成一种空心圆筒型钢筋混疑土预制构件，标准节长为10m，直径从300～800mm。

PHC管桩具有施工速度快、价格低、承载力高、质量稳定、养护时间短、施工方便等诸多优点，近年来在我国沿海地区得到了越来越广泛的应用。但是，PHC管桩属薄壁混凝土杆件，抵抗弯曲荷载的能力较差，桩身破坏的工程质量事故时有发生。特别是5.12汶川大地震发生后，我国沿海地区的地震潜害性得到了高度关注，沿海地区中大量采用的PHC管桩在地震中的表现性状及抗震设防问题越来越引起重视。如果施工单位偷工减料，缩短其长度，那么将对抗震性能造成巨大安全隐患。检测PHC管桩的长度，可以有效的监督施工质量，震慑不法开发商的偷工减料问题，对出现问题的工程提供有效的鉴定。

2.3.1 工程背景

南通某工程属于已建成楼房，是已完工工程，施工时间为2008年9月。居民迁入楼房一段时间后，发现楼房沉降情况明显，怀疑施工方缩短了PHC管桩长度，由于PHC管桩属于隐蔽工程，无法自行查看其长度，向有关部门反映情况，相关部门委托对该工程PHC管桩长度进行检测。

该工程PCH管桩底部多处于粉细砂与粉质粘土交界层，设计长度满足抗震要求。但如果施工单位偷工减料，缩短管桩长度，如果发生地震，会造成粉细砂流失，使建筑整体或部分沉降，严重威胁工程质量，更无法满足抗震要求。因出现了沉降问题，所以提出检测管桩长度。

2.3.2 钻孔与现场数据采集

由于PHC管桩同样是由钢筋混凝土构成，其结构与钢筋笼灌注桩类似，所以同样可以采样磁测法判定管桩中钢筋笼的长度，由于PHC管桩属于全笼桩，通过判定钢筋的长度即可确定管桩的长度。

2.3.3 数据处理与解释

（1）11号桩。

从图37中可以看出钻孔钻入深度为20.00m，钻孔底部在管桩底部以下。综合图中3条曲线的变化特征，结合数学模型试验结果，可以判定引起磁异常的场源即接头存在的位置对应于梯度曲线的极值处和二阶梯度异常的零值处。可以判定该试验桩头部在标高约-2.00m底部在标高-12.00m。因而确定钢筋笼有效长度在10.00m左右。由于该单位灌注桩钢筋笼设计长度为16.00m（10.00m+6.00m），我们得到测量结果长度为10.00m，与设计长度相差6.00m，说明该施工单位在施工中少用了一节桩，不符合设计要求。

（2）39号桩。

从图中可以看出钻孔钻入深度为20.00m，综合图中3条曲线的变化特征，结合数学模型试验结果，可以判定引起磁异常的场源即接头存在的位置对应于梯度曲线的极值处和二阶梯度异常的零值处。可以判定该试验桩头部在标高约-2.00m底部在标高-12.00m。因而确定钢筋笼有效长度在10.00m左右。

由于该单位灌注桩钢筋笼设计长度为20.00m（10.00m+1.00m），我们得到测量结果长度为10.00m，与设计长度相差10.00m，说明该施工单位在施工中少用了一节桩，不符合设计要求。

（3）86号桩。

从图中可以看出钻孔钻入深度为20.00m，钻孔底部在管桩底部以下。综合图中3条曲线的变化特征，结合数学模型试验结果，可以判定引起磁异常的场源即接头存在的位置对应于梯度曲线的极值处和二阶梯度异常的零值处。可以判定该试验桩头部在标高约-2.00m底部在标高-18.00m，接头位置在标高约-8.00m。因而确定钢筋笼有效长度在16.00m左右。

由于该单位灌注桩钢筋笼设计长度为16.00m（10.00m+6.00m），我们得到测量结果长度为16.00m，与设计长度一样。所以改桩的施工符合设计要求。

（4）65号桩。

从图中可以看出钻孔钻入深度为20.00m，钻孔底部在管桩底部以下。综合图中3条曲线的变化特征，结合数学模型试验结果，可以判定引起磁异常的场源即接头存在的位置对应于梯度曲线的极值处和二阶梯度异常的零值处。可以判定该试验桩头部在标高约-1.00m底部在标高-11.00m。因而确定钢筋笼有效长度在10.00m左右。

由于该单位灌注桩钢筋笼设计长度为16.00m（10.00m+6.00m），我们得到测量结果长度为10.00m，与设计长度相差6.00m，说明改施工单位在施工中少用了一节桩，不符合设计要求。

3 结语

工程实例表明，磁测法可以有效的测量灌注桩钢筋笼的长度。理论分析和模型桩测试结果表明，钢筋笼的顶底面和接头处在其磁场强度垂直分量梯度曲线中表现为极值点，该点的二阶梯度为零。

在测量灌注桩钢筋笼的时候，多数工地钻孔位置无法完全贴近桩身，并且钻孔和钢筋笼之间有一定倾斜，对测试磁场强度有一定的影响，从而影响了梯度，造成结果存在一定的误差，为了保证测量数据准确性，必须保证钻孔和管桩距离在一米以内。在不同的工程中，钢筋材料以及绑扎方式、焊接方式均存在一定的差异，造成磁荷分布不规律在钢筋笼顶部和底部之间存在杂乱的异常反映，也会给数据解释带来一定的困难，但测试数据中钢筋笼笼顶和笼底的异常反映明显，所以对测试灌注桩钢筋笼总长结果影响有限。

在测试PHC管桩钢筋笼的时候，测孔严格位于桩中心，避免了测孔倾斜带来的判断误差，成果较好地反映了所抽检基桩接头的位置情况，较准确的测定了各节桩的下放位置。PHC桩属于全笼桩，测出了钢筋笼的长度也就相应的测出了全笼桩的长度，从而查明真相，解决工程隐患，同时能起到一定防范和警示作用。

磁测法能够有效的检测灌注桩钢筋笼的长度，而对于全笼桩的工程检测可以依据钢筋长度确定全笼桩的长度，所以磁测法可以间接的测出全笼桩桩长。磁测法适用于在建工程的检测，也可用于已完工工程的检测，同时不受地形限制，将此法推广，可以有效检测钢筋混凝土工程，监督施工质量，为老旧工程改造提供资料，为工程事故鉴定提供依据。