极电法无损检测钢筋笼长度研究与应用

龙兴灿 李卫峰

（南京交通职业技术学院，江苏 南京 211188）

0 引言

钻孔灌注桩的钢筋笼能起到抗拔、抗弯抗裂的作用，若钢筋笼长度不足，将影响到桩基础的水平承载能力和竖向承载能力，从而造成长期安全隐患［1−9］。因此，寻找一种便捷可靠的钢筋笼长度检测方法是保证桩基工程质量的有效途径。

1 钢筋笼长度检测研究现状

目前，基桩钢筋笼的长度检测主要使用地球物理测井方法，该方法有以下3种。

1.1 磁测井法（磁感应梯度法）

在钢筋笼中或附近进行钻孔时，检测深度−磁场垂直分量梯度的变化，其突变处即为钢筋笼长度末端，如图1所示。

磁感应法检测钢筋笼长度的研究与应用较多，邵继喜等［2］基于磁感应法检测桩长的数值仿真模拟，来分析磁场信号的分布特征；伍卓鹤等［3］利用磁测井法进行模型桩试验和工程桩试验；赵国光等［4］利用钻孔灌注桩钢筋笼长度足尺模型进行磁测井法试验；朱正等［5］在工程桩中采用磁测井磁梯度法来检测钢筋笼的长度。

1.2 电测井法（充电法）

目前，主要用电测井充电法对钢筋笼长度进行检测。假设钢筋笼为理想导体，对钢筋笼进行充电，在对地基无穷远处进行供电时，钢筋笼周边将形成电势等位线。在钢筋笼（或附近）进行钻孔，测量电极M与电极N之间的电位差，其深度−电位梯度曲线突变处即为钢筋笼末端，如图2所示。

刘建达等［6］将充电法（直流电法）与高频电磁波法进行比对研究；程知言等［7］和喻礼生等［8］利用充电法来检测桩基础钢筋笼的长度。充电法要在钻孔灌注柱附近进行钻孔，当孔位距离钢筋较远时，电位拐点不明显（精度差），且易受周边电阻率小的物体的影响［8］。

1.3 其他方法

高翔等［9］利用THz成像技术来检测钢筋笼长度，但该方法操作复杂，成本高；低应变反射波法检测钢筋长度的精度差，钢筋笼底部的反射信号不可辨认；其他钢筋笼长度检测法有电磁波法、电磁感应法等［1］，均处于研究阶段。

综上所述，磁测井法相对精度较高，电测井法受干扰相对较大。二者均要求在桩内或桩周围0.5 m内钻孔，且孔应平行于钢筋笼［10］。而其他方法尚处于研究阶段，未能在实际生产中应用。

本研究提出一种不用钻孔的极电法来检测钢筋长度。对钢筋笼进行供电，然后测量地表特定位置处与钢筋笼的电压值，从而判断出钢筋笼的长度。

2 极电法原理

一般灌注桩钢筋笼长度l为10~80 m，直径d为1~2.5 m，l＞＞d，可将钢筋笼等效为电极。按图3（a）施工的全笼钢筋简化为长电极。短笼钢筋则简化为短电极，见图3（b）。

钢筋笼长度为l，直径为2r，假设其为理想电极，建立直角坐标系（见图4），以钢筋笼轴线方向为z，地面半径方向为x，则x方向i点的电压差Ui见式（1）［11］。

式中：Ui为半径方向i点处的电压值；I为钢筋笼电流；ρ为地基电阻；i为x方向距O点的距离。

假设地基的电阻率ρ和电流I为固定值，在i点上，钢筋笼长度l变大，则电压Ui变大；钢筋长度l不变，则距离i增大，电压Ui减小。

3 水中模型试验

假设水的电阻率ρ是匀质的，为理想导体，对式（1）进行验证性试验。主要仪器设备包括4只12 V的蓄电池，2只串联电压为26.2 V，4只串联电压为52.6 V；万用表选用胜达生产的382B数显万用表，可测电压量程为0.01 mV~600 V，精度为0.5%。模拟钢筋笼总长度l=1.2 m，直径D=0.3 m，主筋由4根直径10 mm钢筋组成，箍筋间距0.2 m，共6道。

将钢筋笼置于水池中，水下深度l分别为0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m。采用三极供电装置，AB为供电电极，蓄电池供直流电，电极A+连接在钢筋笼上，电极B−位于无穷远处（20 m，大于10倍MN）。MN为测量电极，电极M连接在钢筋笼上，另一端电极N位于AB轴线上，电极N每次移动点距为0.1 m，测量MN的电压，并进行记录。图5为极电法水中试验示意图。采用2只蓄电池供电时，供电电压为26.2 V，MN电压的数据分析见图6；采用4只蓄电池供电时，供电电压为52.6 V，MN电压的数据分析见图7。

由图6和图7可知，钢筋笼入水深度对MN的测量电压有较大影响，供电26.2 V时，入水20 cm和入水80 cm的钢筋笼在点距i＝60 cm处的电位差最大，为1.40 V；供电52.6 V，在点距i＝100 cm处最大，为2.23 V，差异明显。整个剖面上的电位值随钢筋笼子入水深度的增加而减小，随着间距的增大而逐渐增大。

4 土中模拟桩试验

4.1 模型桩设计与施工

模型桩的设计依托南京交通职业技术学院基桩基地的实物模型桩。该试验从基桩基地中抽取3根桩，钢筋笼布置分别为半笼（钢筋笼长为6 m，桩总长为12 m）、全笼（钢筋笼长为16 m，桩总长为16 m）、上密下疏（6 m密钢筋笼、7 m疏钢筋笼，桩总长17 m）3种方式。为了模拟多桩承台中钢筋笼有短缺的情况，将6 m笼与13 m笼用导线进行连接，即将两根桩钢筋笼连接为一体，13 m笼与6 m笼的间距为5 m，如图8所示。

4.2 模型桩测试

土中桩基模型桩试验采用的仪器设备、检测方法与水中模型试验基本一致。

对6 m笼单桩、13 m笼单桩、16 m笼单桩进行测试。MN位于AB轴线上，将电极M连接在钢筋笼上，MN距离为电极N点到钢筋笼最近钢筋的距离，按1 m点距依次从1～10 m取10个测点。模拟多桩承台，将6 m笼与13 m笼用导线连接，6 m笼与13 m笼等效为一个新的电极，电极长度为13 m。对6 m笼或13 m笼进行充电时，电极A、电极C和电极M的电位相等，与具体接入位置无关。使6 m笼、13 m笼、AB、MN在同一轴线上，当检测方向位于13 m笼一侧时，命名为13 m+6 m笼，当检测方向位于6 m笼一侧时，命名为6 m+13 m笼（见图9）。点距为电极N到钢筋笼最近钢筋距离，按1 m点距测量并记录电压差Ui，共10个测点。

供电电压为26.2 V时，MN的测量电压见图10，图中最大电压为0.66 mV，检测电压偏小，而施工现场各种用电设备较多，易受地表电流的影响，因此实际检测时应加大电压。

供电电压为52.6 V时，将MN测量电压数据绘制成分析图（见图11）。由图11可知：同一点距，钢筋笼越长，其电压值越低，桩越短，电压值越高，16 m笼与6 m笼电压的差值约为0.4 mV；点距应从距钢筋笼最近的纵向主钢筋测量，而不是基桩中心位置，点距越远，电压越大，与理论模型的计算结果基本一致；钢筋笼中钢筋数量（疏密程度）对检测结果无影响；用导线将长短钢筋笼连接在一起，在长钢筋笼一侧检测，MN测量电压与长钢筋笼电压几乎一致，在短钢筋笼一侧检测时，MN测量电压介于长短钢筋笼之间。

5 结语

本研究采用三极充电装置对钢筋笼充电，测量电极MN的电压与钢筋笼入土长度的相关性。假设长钢筋笼为标准桩，将被检桩与之比对，可推测被检桩钢筋笼是否短缺，但不能直接检测钢筋笼长度；极电法不能检测钢筋密度数量，只能检测到最长的一根钢筋，多桩承台检测时，可发现承台中钢筋笼长度是否一致；由于测量电压值较小，为减少施工现场各种设备的电流干扰，现场检测应提高供电电压，以提高分辨率。极电法检测钢筋笼长度无须钻孔，操作简单，可与磁测井法或电测井法配合使用。如何利用标准桩试验结果推测被测桩长度，还要有大量试验数据支持；针对地基干湿程度、地质分层等因素对地基电阻对试验结果的影响以及对工程项目的普适性应用，还要进一步研究。