基于充电法判定基桩钢筋笼长度的理论与应用技术试验研究

荣黎 ，李俊 ，余敏 （安徽省建设工程测试研究院有限责任公司，安徽 合肥 230000）

地下隐蔽工程质量检测工作中，基桩钢筋笼长度的判定是其重要的工作之一。基桩钢筋笼长度的判定工作通常采用井中物探（井中磁法、电法或电磁法）方法。然而，井中物探需在桩中钻孔或在桩边成一PVC套管的钻孔，应用钢筋笼的天然铁磁性特征的井中磁法和井中测量的充电法，判测井需在目标基桩中间或0.5m以内，一般一判测井只能判测一基桩，费工费时。为了能使基桩钢筋笼长度的判定工作做到快速，经济，高效，我们从方法的基本理论着手，经过反复比对试验，首先以井中磁法为参照点，采用类似于锚杆无损检测的应力波检测方法进行比对，由于基桩配筋率远低于锚杆，钢筋笼底部波阻抗相对桩砼来说变化非常小，而钢筋本身波速高且衰减快，相对于较短的基桩，采用应力波检测方法效果较差。进而我们又进行了判测井在目标基桩0.5m以内井中磁法和充电法进行比对，结果完全吻合。为了提高效率，我们又进行了一判测井判测多根桩（充电桩笼）的充电法试验，试验结果较复杂但具有一定的规律性，判测规律主要取决于判测井与判测桩的距离、位置及周边桩笼的位置和距离，经过从理论到实验的反复比对试验，取得了较满意的试验成果。为了摆脱耗工费时的钻井检测方式，更好的提高基桩钢筋笼长度的判测工作效率，我们又开发了基于充电法判定基桩钢筋笼长度的静探测试系统，该系统现已获得国家颁布的实用新型发明专利。

1 充电钢筋笼的电场

充电的钢筋笼非常细长，可看做线型接地长电极，由电极流入地下的电流强度为I,电极长度为2l；P点至电极垂直距为b；至电极两端的距离为r1和r2；与电极两端的连线和电极间的夹角分别为θ1、θ2（图1），P点的场势为

a=（r1+r2）/2（等势椭球面的半长轴）

在yz平面上半焦距为l,半长轴为a=(r1+r2)/2，半短轴为的椭圆绕z轴旋转一周所形成的椭球面族即为其等势旋转椭球面。

图1 有限线源模型示意图

因为该场势为旋转对称的椭球场，水平方向全对称，忽略x方向，取yoz坐标平面进行运算：

2 充电桩笼周边桩笼（稳定电流场中的导体）感应电场

充电法采用稳定电流场，而充电桩笼周边的其它桩笼就是稳定电流场中的导体。稳定电流场和静电场一样都是势场。由于电流场问题可以利用静电问题来换算（用静电类比法），可以从研究静电场问题的解法入手。

金属导体处于静电场中，金属的自由电子在外电场的作用下相对于晶格作定向运动，并在导体的一个侧面集结，使该侧面出现负电荷。而相对的另一侧面则出现正电荷，这就是静电感应现象。由此产生的电荷称为感应电荷。相对侧面上的感应电荷电量相等而符号相反。感应电荷在空间必然产生电场，该电场与原来的电场叠加，改变了空间各处的电场分布。感应电荷产生的电场称为感应电场，用表示。空间任意一点的场强可表示为：

在金属导体中，自由电子没有定向运动，其内任一点的电场强度都等于零的状态称为静电平衡状态。

处于静电平衡的金属导体具有如下的性质：

①整个导体是等势体，导体表面是等势面。

②导体表面附近的场强处处与表面垂直。

静电平衡的导体上的电荷分布具有以下规律：a.电荷只分布在导体的表面上；b.面电荷密度与电场强度的大小成正比；c.曲率越大的地方，面电荷密度也越大

3 充电法判定钢筋笼长度的解释模型

充电法采用稳定电流场即势场，势场问题的解即为解边界问题。可分为两类，第一类问题为已知带电场源及相关的边界条件，欲求其场的分布。第二类是感应电场问题，如导体置于外电场中，导体被极化，感应电场与一次场相叠加即为满足边界条件的合电场。因此，充电势场解释的目的就是解决上述两类问题。

通常势场的解释模型分为两类，一类是反演问题，即已知场的分布去寻求场源，另一类是正演问题，即是已知场源去寻求场的分布。通常物探方法对场源知之甚少，多为反演推断问题。然而，作为有限线源的钢筋笼模型参数较明确（唯一要确定的就是长度），因此，充电法判定钢筋笼长度的解释模型可以完全以前面所讨论的线型电场及感应电场理论为依据，采用正演拟合法进行解释（见图2）。

图2 充电法判钢筋笼长度建模解释流程图

4 充电法判定钢筋笼长度的应用实例及效果

实例为充电法在某栋楼群桩当中较为典型的判别实例。

例中可看出在9m附近有较大峰值，可判为半笼的充电电位梯度曲线，由于受旁边全笼的影响，在12m以下又迅速升起；而可判为全笼的充电电位梯度曲线由于受到旁边半桩笼的影响，在9m附近有不同程度的小峰值；由此，可以看出桩笼之间的相互干扰，其相互影响的程度主要取决于充电目标桩笼及周边桩笼与检测点的相对位置。

为了进一部证实所作的推断，对部分较典型的桩笼（2根）通过所建的解释模型进行了正演计算，所计算的理论曲线和实测曲线基本吻合，充分证实了该方法的有效性和合理性。

5 结论和认识

①充电法作为一种人工稳定等位线形场源，具有信号稳定、抗干扰能力强，操作灵活方便，解释明晰简便等明显的优点，定能在判定桩笼工作中发挥越来越大的作用。

图3 静探-充电法平面位置示意图（二）

充电法进行群桩笼判定是一项具有挑战性的工作，既可体现其方法的高效性（一孔多测），又由于桩笼的相互干扰，大大增加了其方法的复杂性，根据本人在几千根群桩笼的判识实践，得出如下几点认识：

a.尽管桩笼为长径比较大的良导体，测距不易过大，从理论论证，到实判经验可知：粗略判识时不易大于桩笼长度的一半，精确判识时不易大于桩笼长度的八分之一。

图4 充电电位梯度及拟合曲线

b.群桩检测时，为尽可能减少相互干扰，测试孔应打在群桩中间，使周边测试桩笼与测试孔距离保持一致。

c.资料解释应遵循由近致远，先易后难，逐点分析干扰源的判别原则，对于测点外围的桩笼以及一次场干扰严重曲线难以判别的桩笼必需进行多测点重复检测，综合分析，以确保判识精度。