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磁测井法检测基桩的钢筋笼长度应用分析

2023-08-29 16 上传者：管理员

摘要：基桩中的钢筋笼为铁磁性物质，其端部和接头处本身磁场和地磁场的矢量叠加会产生磁场变化。本文结合工程实例，研究了灌注桩、管桩桩长范围内的磁场变化规律。结果表明，在灌注桩钢筋笼端部、管桩法兰盘位置磁场强度均出现极值点及拐点，对应的磁场梯度也出现极值点。因此根据这些磁场变化的位置，可以测得基桩中的钢筋笼长度和接头位置，同时工程实例验证也表明该方法测定的结果准确可靠，可为行业相关工程提供借鉴。

关键词：
桩长检测
检测
磁测井法
钢筋
钢筋笼长度
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引言

桩基础是工程中广泛使用的一种基础形式，当浅基础无法达到承载力要求而下部存在较好的持力层时，多采用桩基础，其在工业建筑、民用建筑、公路桥梁工程、市政工程等都有着成熟的应用经验。桩基础分为抗压桩、抗拔桩、承受水平荷载桩等，根据不同的使用要求和荷载情况可配置相应钢筋。现阶段有的桩基础施工过程中因盲目追求“节约成本”而减少钢筋笼长度，但如果未按图纸要求配置钢筋，会影响基桩的抗拔、水平承载力及抗震性能，导致安全系数降低，给工程带来较大的安全隐患[1]。因此，需确保桩基础施工时钢筋笼的安装质量，以保证钢筋笼达到设计图纸的要求。

我国的工程检测技术在不断发展和进步，钢筋笼长度的检测方法也有了科学的理论体系。目前常用的方法为磁测井法，即利用钢筋磁场与周围地磁场的差异，测试在分界面处的磁场变化来推定钢筋笼底部位置。本文通过研究磁测井法在灌注桩和预应力管桩中的应用，总结其磁场变化规律，以期为提高检测工作质量提供可靠依据。

1、检测原理

磁测井法检测钢筋笼长度的原理是通过测试钢筋笼内部或附近的磁场强度，根据磁异常特征，对钢筋笼的空间分布特征进行判断。

磁测井法以磁体的磁场数学理论为基础，通过研究磁体周围磁场变化的空间分布特征和分布规律，来解释磁体的空间分布。地球可以被视作一个巨大的磁体，其两个磁极分别在地理南极和地理北极附近。所以地球表面的磁性物质，当它们自由旋转时，会根据磁极的性质指示南北。地磁场存在于地心至磁层顶的空间范围内，是一个向量场。某一点地磁场的强度和方向，可以用地磁要素描述。地磁场包括基本磁场、地壳磁场、变化磁场。在无外加磁场的情况下地磁场近似恒定值。

桩身中的钢筋笼、钢筋混凝土结构中的钢筋、铁磁岩矿等都是铁磁性物质，铁磁性物质的磁化率K较大，在地磁场中会产生较强的感应磁场。铁磁性物质的感应磁场要远大于其他无磁性或弱磁性物质的磁场强度，因此在钢筋笼这种铁磁性物质的端部会测出较强的磁场变化。在测试过程中应避免测试孔周边有其他铁磁性物体，以免受到外部较强磁场的干扰，掩盖钢筋笼本身的磁场，影响检测精度。因此检测打孔时需注意测试孔尽量贴近桩身，以测出较强的钢筋笼本身的磁感应强度，排除或减小其他磁场的干扰。

钢筋作为一种铁磁性物质，在地磁场中很容易被磁化达到饱和。材料本身产生的剩余磁性会相互抵消，可忽略不计。假设某磁性体的体积为V，将其微分成很多体积为dV的元磁矩和MdV的元磁体。把微分的元磁体当成磁偶极子，得到体积V磁体的磁位，计算公式如下：

式（1）中：U为磁体的磁位，N/m2;M为磁化强度的模；r为矢径的模；θ为间的夹角，（°）。

对于上下等长且钢筋截面不变的钢筋笼来说，用磁法仪可以测量其磁感应强度的竖直分量Za，钢筋笼的端部位置为Za曲线的近似零点位置。用零点位置判断实际操作过程可能有难度，也可以利用竖直磁场分量梯度曲线的极值点，梯度曲线的极值点即为钢筋笼端部位置。

钢筋笼作为铁磁性物体，其钢筋截面大小不变时，磁场感应强度相对变化较小，在两节钢筋笼接头位置，钢筋截面发生变化（相当于局部变成2倍），也会出现磁感应强度的变化。因此，磁法仪也可以测量其接头的部位。预应力管桩的法兰盘也是铁磁性物质，法兰盘位置处同样会产生很强的磁感应强度，测试出法兰盘位置，即管桩的接头位置。因桩底也有法兰盘，因此可以间接得知管桩的桩长。

2、现场测试及分析

用磁测井法检测灌注桩中钢筋笼长度时，由于桩基础比较重要，因此在检测时尽量不影响桩基础的使用，即进行无损检测，最常用的方法是在基桩的旁边打孔进行测试。钻孔布置见图1。对于预应力管桩，其桩身预应力钢筋长度与桩长相等且桩端有法兰盘，其桩身的预应力钢筋形成较强磁场的同时由于受法兰盘的磁感应强度影响，会在桩端及两节预应力管桩接头位置形成较强的磁场信号，因此在管桩内部通畅的情况下，磁测井法可以检测预应力管桩，也可以将管桩的空心部分作为测试孔。

图1磁测井法基桩钢筋笼长度检测方式示意图

在桩中成孔时宜尽量靠近桩的中心处，以防止测试孔偏出桩身以外。当采用在基桩旁边打孔进行测试的方法时，钻孔应布置在距离桩身边缘外侧≤0.5 m的范围内，且应保证垂直度，以免影响测试结果。测试孔的深度相较于钢筋笼底深度应≥3 m[2]。为保证钻孔的通畅且防止塌孔，可采用PVC等没有磁性的材料管护壁。测试孔在桩侧时，应尽量靠近桩身以测得较强的钢筋笼信号。应对地层有初步的了解，考虑成孔是否可行。用钻具在土中成孔时要注意保证垂直度和防止承压水的影响。在桩中心成孔时也要保证垂直度，同时避免测试孔周边有其他铁磁性物体，以免受到外部较强磁场的干扰，掩盖钢筋笼本身的磁场。当干扰磁场强度>桩身内钢筋的磁场强度时，将掩盖钢筋笼本身的感应磁场强度，则可能无法采用磁测井方法检测基桩中钢筋笼的长度，可以测量但影响检测准确度。因此，采用磁测井法测量钢筋笼长度时，除桩本身的钢筋笼外，不应有其他的铁磁性材料干扰[3]。

当设备进行测试时应注意长度计数装置的稳定，调整好位置角度，使测试电缆上下顺畅。传感器测试间距≤25 cm，采样间距过大会降低分辨率，间距宜为10 cm～25 cm。可以自上而下或者自下而上进行磁场垂直分量（Z）强度测量；测试中应注意对磁测数据的监控，在接近钢筋笼底时应尽量保证显示数据的稳定，传感器应缓慢匀速下降或提升，移动速率宜为10 m/min～15 m/min，既能保证数据准确又能提高检测效率；测试时仪器实时显示、记录深度-磁场垂直分量（h-Z）曲线，测试孔底部实测背景磁场值应平滑稳定，钢筋笼磁感信号反应特征应明显；建议每根受检桩测试≥2次，或≥2个测试孔，保证各测试曲线具有良好的重复性，波形基本一致。

根据测得的钢筋笼磁场强度与深度曲线，找到曲线信号强度的变化位置，从而可以判断出钢筋笼的端部。磁场信号在钢筋笼附近时比较强，在到达钢筋笼底部时，相当于钢筋与岩土分界，信号会产生较大的波动，随着经过钢筋笼底部，钢筋笼的影响逐渐减弱，测试信号趋于稳定，稳定后的磁场称之为背景场。

通过磁场垂直分量与深度关系的曲线，找到曲线明显变化的位置（拐点位置），该位置对应的深度可以判定为钢筋笼底端埋深，同时结合有关施工资料可验证钢筋笼长度。曲线以钢筋笼中点为中心，曲线在钢筋笼范围内对称分布。在钢筋笼顶部、底部位置会出现极小值和极小值点。随着距离钢筋笼底部位置更远，一般认为距离钢筋笼底部>3 m时，会出现稳定的背景场，所以相关标准要求测试孔的深度相较于钢筋笼底部位置应>3 m。钢筋笼底部位置对应曲线上极小值到极大值的拐点，即梯度曲线上的极大值点[4]。

相关标准中对钢筋笼底端位置的判断，应根据实测磁场垂直分量曲线，并结合磁场垂直分量梯度曲线进行判断。

1）根据深度-磁场垂直分量（h-Z）曲线，取h-Z曲线底部磁场垂直分量由小于背景场的极小值转成大于背景场的拐点（斜率最大处）所对应的深度位置见图2(a）。

2）根据深度-磁场垂直分量梯度（h-dZ/dh）曲线，取h-dZ/dh曲线底部最深的明显极值点所对应的深度位置见图2(b)[5]。

如果分析得到的钢筋笼长度与设计图纸及施工资料记录的长度不一致，建议查找原因或重新测试，以保证测量结果的准确性。再次测试得到的数据与上一次一致时，可判定为数据真实有效。

图2深度-磁场垂直分量梯度曲线

3、工程实例

3.1灌注桩钢筋笼长度检测

长春市某高层住宅项目，采用钻孔灌注桩，持力层为中风化岩，设计桩径为1 000 mm，设计桩长30 m，钢筋笼沿桩身通长布置，因业主要求采用磁测井法对灌注桩的钢筋笼长度进行检测。测试孔采用桩侧钻孔，距离桩边0.5 m以内，钻孔深度35 m。

灌注桩磁测井法检测曲线如图3所示，测试深度为35 m，根据曲线分析，32 m后为背景场。30 m处可以明显看到磁感应强度垂直分量的变化，钢筋笼底部位置即为垂直分量拐点处（曲线斜率最大处）30.2 m。钢筋笼长度与设计图纸基本相符，可判定满足设计要求。

图3灌注桩深度-磁场垂直分量梯度曲线

在桩长中部位置（18 m处）磁感应强度继续从极小值向极大值变化，出现另一拐点，此处为两钢筋笼相接位置。因接头位置钢筋相互搭接磁感应强度相对单节钢筋笼来说发生变化，上节钢筋笼下端和下节钢筋笼的上端在此处磁感应强度叠加，故曲线在接头处也会出现拐点。经查阅图纸，接头位置相符。

3.2管桩桩长检测

该项目住宅楼为多层和高层，采用桩基础。桩型为预应力混凝土管桩，桩径500 mm，壁厚125mm，桩长7 m。受业主委托，对预应力混凝土管桩的桩长进行检测。采用磁测井法检测，测试孔选在桩中心，利用预应力管桩的内腔当做测试孔，同时在内腔继续打孔至12 m。测试曲线如图4所示。

图4管桩深度-磁场垂直分量梯度曲线

从图4可以看出，9 m～12 m处为稳定的背景场，在6 m～8 m范围出现明显磁场变化，出现了极大值点和极小值点。从深度-磁场垂直分量曲线来看，桩端处为曲线底部磁场垂直分量由小于背景场的极小值转成大于背景场的斜率最大处，同时此处也是深度-磁场垂直分量梯度（h-dZ/dh）曲线上极值点所对应的长度，那么容易判别在拐点位置（7.35 m处）为桩端，与设计图纸相符。桩端处的法兰盘也是铁磁性物质，且相对钢筋来说含钢量更大，因此可以在此处测得明显的磁感应强度变化及拐点。

通过对比发现，在中心位置的测试孔所检测的曲线磁场信号更强，曲线斜率更大，极大值点和极小值点更明显。研究发现，钢筋笼引起的磁感应强度与测井到基桩边缘的距离有很大关系，当测试孔距离桩边1 m以上时，测试信号不明显。为了能检测出较明显的钢筋笼磁感应强度变化，建议控制测试孔与基桩之间的距离。当两者的距离增大到2 m或者更远时，测试到的磁场垂直分量变化幅度将更小，加大判别难度或者无法正常测试，因此规范要求基桩与测试孔之间的距离≤1.0 m，实际操作中建议控制在0.5 m以内。

4、结论及建议

本文以理论推导为基础，通过工程实例研究分析了磁测井法在灌注桩和预应力管桩检测中的应用。通过实践发现，磁测井法对于检测灌注桩钢筋笼长度和管桩的桩长有良好的效果。其磁场垂直分量曲线在灌注桩钢筋笼底部位置及在管桩桩底法兰盘处均有明显的磁场强度变化，在桩端以下有稳定的背景场，进而能判断出灌注桩的钢筋笼长度及管桩的桩长。管桩可利用桩的内腔作为测试通道，灌注桩为了不破坏已施工完成的工程桩可选择在桩侧打孔测试，为了测得较强的磁场信号应保证测试孔与桩边的距离，以排除外部干扰。

建议距离控制在0.5 m以内。当灌注桩由两节钢筋笼或更多钢筋笼连接而成时，在两节钢筋笼连接部位也能测得磁场强度变化，从而推断出每节钢筋笼的长度。

综上，该方法操作相对简便，可以不破坏桩身，测得的信号比较明显，数据处理简单，结果直观可靠，可以解决既有桩基础测量桩长或钢筋笼长度的问题，是一种合理且值得推广的方法。

参考文献:

[1]陈凡,徐天平.基桩质量检测技术[M].北京:中国建筑工业出版社, 2003.2-3.

[2]中国建筑科学研究院混凝土中钢筋检测技术标准: JGJ/T152- 2019[S].北京:中国建筑工业出版社,2019.

[3]江苏省建设工程质量监督总站灌注桩钢筋笼长度检测技术规程: DGJ32/TJ 60- -2007[S].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[4]河北省建筑科学研究院既有建筑地基基础检测技术标准: JGJ/T 422- -2018[S].北京:中国建筑工业出版社, 2018.

[5]正元地理信息有限责任公司城市工程地球物理探测标准: CJJ/T 7- -2017[S].北京:中国建筑工业出版社, 2017.

文章来源:李宗雷.磁测井法检测基桩钢筋笼长度的应用分析[J].北方建筑,2023,8(04):27-30+35.