磁法在灌注桩钢筋笼长度检测中的应用

李清华

(福建省建设工程物探试验检测中心,福州,350011)

随着我国工程建设事业的蓬勃发展，灌注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。灌注桩中钢筋笼长度是按照有关规范，根据水平荷载、弯矩大小、桩周土情况、抗震设防烈度以及是否为抗拔桩和端承桩等来计算确定的[1]。灌注桩施工是采用机械或人工成孔后，将制作好的钢筋笼吊入孔中，随后进行混凝土浇筑。钢筋笼对桩的抗拉、抗弯，土层差异较大时承受地震波速差异引起的水平荷载、桩身裂缝控制等起到关键性的作用。特别对于抗拔桩和一、二级裂缝控制等级的桩，钢筋笼的作用尤其重要。由于灌注桩属于隐蔽工程，且施工后钢筋笼长度的检测难度大，桩身钢筋笼的短缺将对灌注桩的质量造成重大影响[2]。

最直接的钢筋笼长度检测方法是开挖验证，但对于桩长达数十米，桩径超过800 mm的混凝土灌注桩，开挖验证难度很大。随着科学技术的发展，桩基工程检测技术在不断更新和提高，新理论、新方法不断推出，人们寻求各种既能准确检测且又无损于桩基的技术来检测钢筋笼的长度，如磁法(磁力梯度法)、电磁波法和声波法等。由于钢筋笼与混凝土、桩周岩土之间存在明显的磁性差异，故磁力梯度测试方法，为国内检测灌注桩钢筋笼长度较普遍采用的一种方法。

1 磁力梯度法的基本原理

磁力梯度法采用的磁通门磁力仪是测量地磁强度和方向的相对磁力仪，磁通门探头有一个在弱磁场中就能达到饱和磁化的由高导率合金制成的磁芯。其方法是在两个平行的磁芯上分别绕以初级和次级线圈，两个初级线圈串联通以50～1000 Hz的激励磁场，使磁芯达到饱和状态。次级线圈与差动放大器连接，在外磁场为零时，磁芯所感应的交流磁通的正半周与负半周完全对称，两个次级线圈输出均为零。当沿磁芯轴向有直流磁场时，则磁芯将在某一半周先达到饱和，正负半周就不对称。两个次级线圈的输出电压差与磁通量的变化率成正比，测量此电压即可得到地磁场的变化。磁通门磁梯度测量仪采用双探头结构的梯度测量原理，因而相对均匀的磁干扰不会对它的测量结果产生影响。另外，由于其激励频率比较高，而测量线路中又采用了相应的抗干扰措施，因而对50 Hz城市用电、高压线路及通讯广播线路等外来干扰有极强的抑制能力。该仪器主要用于探测地下不同深度的铁磁性物体或含有铁磁的其他物体，混凝土桩中的钢筋笼即属于强磁性物体，钢筋笼底部会显示尖峰梯度异常，对应的深度即为钢筋笼的长度。

2 检测仪器

检测仪器采用武汉岩海公司研制的RS-RBMT钢筋笼长度磁法测试仪。该检测设备简单便捷，能够准确地反映小范围、近距离内磁性物体的异常变化。在检测前，先进行平行度的检查，使用仪器工作状态正常后即可投入实际检测。将探头(长0.80 m)顺着钻孔，按固定的间距逐点往下移动，并在每个测点测量磁力梯度数。在钢筋笼底端，磁力梯度必然会产生一个突变，在磁力梯度曲线上将对应一个异常尖峰显示，梯度量有正负之分， 通过正负数值的增大或减小，可以判定钢筋笼的长度，准确率高，不易产生异议。

3 钢筋笼磁异常特征点分析

南京大学蒲晓轩等人模拟了一钢筋笼，进行Za磁异常定量计算，主要参数有钢筋笼长度(L)=8 m，钢筋直径(D)=0.025 m，钢筋数量(N)=24根，计算出钢筋笼Za磁异常定量计算曲线(图1)[3]，计算结果如下。

图1 钢筋笼外部钻孔中Za磁异常定量计算曲线图Fig.1 The calculation curves of Za magnetic anomaly of reinforcement cage outside borehole

(1)Za曲线在钢筋笼长度范围内呈明显的马鞍形特征。

(2)钢筋笼顶端的磁异常为很小的负值，基本趋近于0。0.5 m处Za有一明显的极小值，随后Za数值逐渐变大。

(3)钢筋笼中点(4 m处)对应马鞍形曲线最高的突起点，当深度变大时，Za数值重新开始变小。

(4)7.5 m处钢筋笼磁异常出现极小值，与0.5 m处数值相等。钢筋笼底端的Za数值与顶端相同。

(5)8.5 m处钢筋笼磁异常出现极大值，远离钢筋笼时，Za数值逐渐变小，在11 m处Za数值已趋于0。

通过分析钢筋笼磁异常特征如下。

钢筋笼的顶端对应着很小的负值，钢筋笼中点对应着马鞍形Za曲线的负突起点。以钢筋笼中点为中心，整个Za曲线在钢筋笼范围内对称分布。在钢筋笼顶部下端(0.5 m处)，底部上端(7.5 m处)都会出现极小值，在底部下端出现极大值(8.5 m处)，随着远离钢筋笼底部，Za磁异常越来越小，当距离钢筋笼底部大于3 m时趋向于0。钢筋笼底部在Za曲线上对应着极小值到极大值的拐点，梯度曲线Za′(右)对应极大值点。

4 现场布置及检测

在桩外侧边沿不大于0.5 m处钻孔，也可以在桩中间利用钻芯孔进行检测。并保证垂直度。钻孔深度应超过桩底标高3～5 m，置入探头至孔底，支好管口滑轮和计数滑轮，连接计数电缆、探头数据线，自下而上采集数据。为保证钻孔通畅，要求采用PVC等非磁性材料套管。初步测量如发现钢筋笼长度与设计长度不符时，应分析原因进行复测。确认所测结果是客观、真实、可靠的，消除人为疏忽或仪器设备工作状态而造成的不真实数据，才能正确检测钢筋笼的长度。

检测数据的分析与判定是根据测得钢筋笼磁异常的特点，依据磁性体磁场的数学理论进行形态分析，从而判定钢筋笼长度。钢筋笼底部是铁磁性物质(钢筋笼)与无磁性或弱磁性物质(素混凝土，岩土层)的界面。在界面上实测磁场强度会有较大的变化，超过界面向下逐渐变为稳定的背景场。

磁场垂直分量(Za)深度变化曲线的拐点位置对应的深度应为钢筋笼底端埋深，结合有关资料可确定钢筋笼长度。

5 工程实例

莆田某工地，基础采用(冲)钻孔灌注桩，持力层为中风化凝灰熔岩，水下灌注混凝土，混凝土强度C30，桩径1 000 mm，桩长6～10 m。场地土层自上而下分别如下。

(1)素填土：松散、稍湿，厚度1.00～2.60 m；

(2)粉质粘土：湿，呈可塑状态，厚度1.30～5.00 m；

(3)淤泥质土：饱和，呈流塑状态，含少量腐殖质，具臭味，厚度0.80～1.20 m；

(4)砂土状强风化凝灰熔岩：凝灰质结构,散体状构造,岩芯呈砂土状，厚度1.50～3.20 m；

(5)碎块状强风化凝灰熔岩：凝灰质结构，碎裂状构造，岩芯呈碎块状，揭露厚度0.70～9.00 m；

(6)中风化凝灰熔岩：凝灰质结构，块状构造，节理裂隙发育，揭露厚度6.20～17.30 m。

受建设单位的委托，对场地内5根桩钢筋笼长度进行检测，利用钻芯孔在桩内检测。各试桩有关参数和检测结果(表1)。实测Za曲线(图2，3)，从Za曲线图上可以看出，各桩钢筋笼底部反映明显。钢筋笼底部在Za曲线上对应着极小值到极大值的拐点，梯度曲线对应极大值点。从表1可以看出，各试桩检测钢筋笼长度与施工钢筋笼长度大致相符。从图3曲线形态可看出，不仅测到钢筋笼的长度，且钢筋笼接头位置也反映比较清楚，与现场配筋资料吻合较好。

表1 试桩有关参数及检测结果

图2 2-43#桩实测曲线图Fig.2 The measured curve of 2-43# pile

图3 2-65#桩实测曲线图Fig.3 The measured curve of 2-65# pile

6 结论与建议

桩身钢筋笼长度是影响桩身受力性能的一个关键因素，桩基础施工后其长度是否符合设计要求却很难直接验证。采用磁梯度法对灌注桩的桩身钢筋笼长度进行检测是可行有效的，建议有关部门进行推广并制定有关规程，以指导该方法的应用。

1 DGJ32/TJ60-2007 灌注桩钢筋笼长度检测技术规程.

2 刘全忠，汤兆文，等.混凝土灌注桩钢筋笼长度的综合检测与分析.工业建筑.2010，40(增刊)

3 蒲晓轩，董平，等.灌注桩钢筋笼磁异常定量计算.物探与化探，2009，33(4).