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1、磁测井法在基桩磁测井法在基桩钢筋笼长度检测中的应用钢筋笼长度检测中的应用一、背景二、磁测井法原理三、应用研究和试验情况四、检测流程、规定五、工程实例六、展望一、背景 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型式。而基桩的钢筋笼长度是按照有关规范，根据荷载、弯矩大小，桩周土情况，抗震设防烈度以及是否属于抗拔桩和端承桩等计算确定的。 基桩作为一种基础承载结构和地基支撑的构造物，桩中的钢筋笼长度是根据 水平荷载、弯矩、桩周土情况、抗震设防烈度以及是否属于抗拔桩和嵌岩端承桩等加以确定。若配筋不足或钢筋笼长度不满足设计
2、要求，将可能严重影响 灌注桩基础的稳定性和抗震性能，造成建筑物的安全隐患，钢筋笼长度不满足要求应视为桩身完整性缺陷，因此灌注桩钢筋笼长度探测方法的理论研究 和推广应用已势在必行。如果基桩的钢筋笼长度不能满足设计要求，将构成建筑物的安全隐患。因此，探测基桩的钢筋笼长度已成为质量管理的紧迫问题。 如：某安置小区住宅项目，基础采用钻孔灌注桩，桩长均大于50m，设计桩内设置钢筋笼4.5节，单节长度为9.0m。后有村民向建设单位反映，部分桩内放置的钢筋笼长度不满足设计要求，建设单位要求选择部分疑问桩开展了钢筋笼长度检测工作。 2008年11月15日15时20分，杭州萧山湘湖段地铁施工现场发生塌陷事故。风
3、情大道坍塌形成了一个长75米、深15.5米的深坑，附近的河流决堤，河水倒灌，一度水深达6米多。正在路面行驶的11辆车陷入深坑，数十名地铁施工人员被埋，遇难人数达到21名，距事故现场仅一墙之隔的萧山区城西小学，校园东边的围墙已全部垮塌，地下管线破坏。地球磁场跟地球引力场一样，是一个地球物理场，它是由基本磁场、地壳磁场与变化磁场三部分组成。二、磁测井法原理二、磁测井法原理地磁场理论 地球也是一个大磁体，它的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方。因此地球表面的磁体，可以自由转动时，就会因磁体同性相斥，异性相吸的性质指示南北。这个道理古人不甚明白，但这类现象他们已认识到。不同物质磁性特征 物质根据
4、其磁性特征分为铁磁性物质、逆磁性物质、顺磁性物质 ，顺磁性物质的原子固有磁距不为零，但是在无外磁场作用时，这个原子固有磁矩方向处于无序混乱状态。对外的磁效应相互抵消，宏观不显示出磁性。当加外磁场后，其原子固有磁短有转向外磁场方向排列的趋势，外磁场愈强，向外磁场取向的概率越大。对外显出磁性也愈大。原子固有磁短朝磁场方向排列是物质具有顺磁性的根本原因。铁磁性物质与逆磁性物质、顺磁性物质有显著区别。铁、钴、镍和它们的某些合金以及锰和铬的某些合金等一类有结晶状态的物质，即使在较弱的外磁场作用下，也呈强烈的磁化，这类物质叫铁磁性物质。而且也很容易达到磁饱和，这是因为这类物质内部的原子磁矩，在没有外磁场作
5、用的情况下就已经以某种方式定向排列起来，并达到一定磁化程度，这种磁化称作“自发磁化”。 钢筋笼周围磁场分布的理论分析 钢筋笼周围磁场分布的理论分析：磁测法是以磁性体磁场的数学理论为基础，通过研究磁性体周围磁场变化的空间分布特征和分布规律，对磁性物体空间分布作出解释。钢筋笼属铁磁性物质，磁化率很大且磁性很强，相反混凝土、桩周岩土则属于无磁性或弱磁性物质，磁化率很小且磁性很弱，因此钢筋笼和混凝土之间，以及钢筋笼和桩周岩土之间存在明显的磁性差异（达几个数量级），钢筋笼被磁化在其周围会形成很强的局部磁异常。钢筋笼设置前该处的地磁场为正常场（背景场），由于钢筋笼的存在而产生的局部磁异常为异常场。钢筋笼底
6、部是铁磁性物质（钢筋笼）与无磁或弱磁性物质（素混凝土或岩土层）的界面，实测的磁场强度会有较大变化，超过界面向下则逐渐变为稳定的背景场（如下图）。由于钢筋笼为铁磁性物体，可以产生各不相同的磁场，它的磁场在其焊接、篐筋等局部部位发生变化，出现磁异常的极值。利用仪器发现和研究这些磁异常，进而可以探测磁性钢筋笼存在的空间位置和几何形状从而达到探测基桩钢筋笼长度的目的。对于基桩中钢筋笼长度检测，可根据桩内钢筋与混凝土、桩周土间的磁性差异，选择磁测井法进行测试。基桩属于建筑工程的重要组成部分，因此在测试过程中宜不损害或不影响基桩的使用性能，即进行无损测试，因此常选择在基桩的旁边打孔进行测试，下图为现场测试
7、示意图。对于进行基桩取芯的桩亦可利用取芯孔进行测试，如下图：对于钢筋笼磁探测，由于钢筋笼属于强铁磁性物质，在弱外磁场作用下即可达到磁化饱和。而其天然剩余磁性，因投料的无序使其相互抵消。一个体积为V的磁性体，可将其看作是由无数多体积为dV的元磁矩 的元磁体组成，每个元磁体相当于一个磁偶极子，则该磁体的磁位为： 为矢径与磁化强度间的夹角，矢量间的夹角公式： 以及：其中( )为测点坐标，( ) 为dV的坐标，由于测试孔为垂直孔，则仅考虑磁场强度的垂直分量Za，均匀磁化体Za的积分表达式为：简化到 zoy 平面来考虑 (见图 1)，另外钢筋笼可简化成单根钢筋进行计算，其中测点沿 z 轴方向平行于钢筋布
8、置并进行测试，则有:另外有:其中I为 的磁化倾角; A 是磁性体走向和磁北的夹角，由于磁性体走向是垂直地面的，与磁北夹角应该为90，即 = 0 令 ，其中假定钢筋的长度为 ，则 ，有:钢筋笼磁异常分析钢筋笼磁异常分析磁场特征： 对于单节钢筋笼，其沿深度方向的 Za 磁异常呈宽缓的马鞍形负异常，钢筋笼的顶底面位置在Za 异常曲线的近似零点位置; 对于采用 零点作为特征点的，实测过程中判读难度相对较大，因此利用两个具有磁性差异的不同介质，在其分界面上垂直磁场分量梯度将出现极值点)，通过极值点来加以判读相对更为简单，如图 2 中 Gz 曲线所示。图 2 分别为单节钢筋笼和两节钢筋笼的磁场强度垂直分量
9、( Za) 和垂直磁分量梯度 ( Gz) 曲线为（均为归一化后)图 2 旁测钢筋笼 Za 和 Gz 曲线 在 Gz 曲线上，整个钢筋笼的顶底面均表现为极值点 ，而在钢筋笼搭接部位形成一个小S 形异常特征，其中钢筋笼搭接中心点位于小S 异常的零点位置。 上述的 Za 值均为钢筋笼磁化后所产生的异常值，而实际测试到的磁场强度垂直分量还包含着一个正常场值 (即地磁场) 。正常场可以根据测区的经纬度坐标，利用专业软件进行计算。三、应用研究和试验情况三、应用研究和试验情况 钢筋笼长度的探测方法，国内专家学者们目前已进行了一些有益的尝试。而采用地球物理测井方法来探测钢筋笼长度相对具有较高的准确性和经济价值
10、，国内首先由江苏省正式颁布了地方标准（江苏省地方推荐标准：灌注桩钢筋笼长度检测技术规程(DGJ32_T60-2007)）。江苏省地方标准选择了充电法和井中磁测法两种方法来探测基桩钢筋笼长度，但由于充电法一般需要被检测桩露出桩头且有钢筋暴露，另外在浙江等沿海地区的软土地层含水率较高、电阻率极低（小于10m），充电法的适用性相对较差。为确保测试成果的可靠性，由浙江有色地球物理技术应用研究院会同浙江省建设工程质量检验站有限公司、绍兴县建设工程安全质量监督站等单位合作进行了深入细致的研究，最终确定采用磁测井法对基桩钢筋笼长度进行探测。目前，钢筋笼的外部磁场特征、钢筋笼顶底面的判断，以及磁测井法探测钢筋
11、笼长度的适用性和可靠度处于一个日趋完善的状态。 磁测井法是利用地壳内岩（矿）体之间的磁性差异所引起的地磁场变化（磁异常）来寻找有用矿产资源和查明地下地质构造的一种物探方法。在研究钢筋笼长度这个工程问题时，正常场为在钢筋笼设置前该处的地磁场，而异常场即是指由于钢筋笼的存在而产生的局部磁异常。 对于两个具有磁性差异的不同介质，在其分界界面上垂直磁场分量是不连续的，产生突变，在分界界面上磁场垂直分量梯度将出现极值点，因此可根据实测磁场垂直分量曲线正常场与异常场的分界面和实测磁场垂直分量梯度曲线的极值点位置来综合判别磁性介质的分界面。而钢筋笼的上下面就是一个磁性介质的分界面，因此可以采用磁测井法进行探
12、测。 钢筋笼磁场的 Za 和 Gz 的异常最大值随着测试距离 a 的增大而衰减的变化曲线 (均为归一化后) 由下图可知，旁测钢筋笼的 Za 和 Gz 异常均衰减较快，因此为保证能测得较理想的钢筋笼磁异常，必须控制测试孔与被检测桩的距离。 钢筋笼引起的磁异常场强度与测试点到钢筋笼的距离密切有关，根据理论计算和模型桩验证（见上图），钢筋笼的磁场强度随测试距离的增加衰减极快，因此为保证能测得较理想的钢筋笼磁异常，必须控制测试孔与受检桩的距离。据理论计算，当测试距离到1.0m时，钢筋笼的磁场垂直分量异常幅度和梯度仅为测试距离0.5m时异常幅度的26%和15%左右，若距离再增加，测试到的异常幅度将很小，
13、加大识别难度，因此要求测试孔与受检桩间距离不宜大于1.0m。 另外，当测试距离达到3.0m时，磁场垂直分量异常幅度仅为测试距离0.5m时异常幅度的5%左右、1.0m时异常幅度的19%左右，因此当其它非受检桩与测试孔的距离超过3.0m时，可不考虑其干扰影响。磁测井法试验磁测井法试验 基桩钢筋笼长度磁测井法检测应综合考虑桩长、水文地质条件、现场检测环境、桩的平面位置等因素，制定检测方案，提供检测结果。检测试验单节钢筋笼单节钢筋笼 单节钢筋笼的模型选择文献“建（构）筑物下管桩长度检测方法（樊敬亮、程知言、胡光云等，物探与化探2007（3）”中的测试成果。该模型桩的桩长为16m、单节钢筋笼长为8m，测
14、试孔距桩侧距离约0.5m，测试孔深度为16m，测点距为0.5m。图4为该单节钢筋笼模型桩的旁测Za和Gz曲线（均为归一化后）。 实测曲线与单节钢筋笼理论曲线特征极其相似 （1） 其沿钢筋笼深度方向的Za磁异常呈宽缓的马鞍形负异常，钢筋笼的顶底面位置在Za异常曲线的近似零点位置； （2） 根据Gz曲线的极值点可以清晰地分辨出钢筋笼顶底面位置，并可计算出钢筋笼长度为8.0m，与实际吻合。两节钢筋笼两节钢筋笼 绍兴县某工程的桩，该桩钢筋笼配置为9.0m+8.2m，实测钢筋笼净长为16.9m。测试孔距桩侧距离0.7m，测试孔深度为29m，测点距为0.5m。图5为该两节钢筋笼基桩的旁测Za和Gz曲线（均
15、为归一化后）。多节钢筋笼多节钢筋笼 钢筋笼配置为9.0m+9.0m+9.0m +2.6m，实测钢筋笼净长为28.0m。测试孔距桩侧距离约0.7m，测试孔深度为37.5m，测点距为0.25m。图6为该多节钢筋笼基桩的旁测Za和Gz曲线（均为归一化后）。 多节钢筋笼基桩旁测Za和Gz曲线 测试孔方位的影响测试孔方位的影响 钢筋笼配置为59.0m+4.5m，实测钢筋笼净长为47.9m。两测试孔距桩侧均为0.7m，测试孔深度均为58.5m，测点距为0.5m。下图分别为该基桩两测试孔的旁测Za（未归一化）和Gz曲线（归一化）。 不同方位测试孔的旁测Za曲线 不同方位测试孔的旁测Gz曲线 测试距离的影响测
16、试距离的影响 右图为试验W135桩的测试孔布设示意图。 15号测试孔距桩侧距离分别为0.7m、1.0m、1.5m、2.0m和2.5m，钢筋笼配置为9.0m+8.2m，实测钢筋笼净长为16.9m。 五个测试孔的旁测Za和Gz曲线（未归一化）。其中，Za磁异常曲线形态基本一致（马鞍型叠加），但随着测试距离的加大，异常幅度大幅减小；Gz异常曲线形变化相对较大，但在钢筋笼底面附近均形成了一个相对极大值点，且随着测试距离的加大异常幅度也大幅减小。 W135号桩不同距离测试孔的旁测Za曲线 据测试结果，对Za曲线选择两个相对极值点（a点和b点），对Gz曲线选择钢筋笼底面的相对极值点（c点），并与理论计算数
17、据做衰减曲线对比图。W135号桩不同距离测试孔的旁测Gz曲线 由上图可看出，a点和b点的衰减曲线与理论计算的Za衰减曲线基本重合，从而证明本次理论计算公式的可靠性；但c点的衰减曲线与理论计算的Gz衰减曲线存在着一定的偏差，并结合图13，也进一步表明Gz异常易受外磁场变化的影响。由于本次理论计算公式的可靠程度较高，因此可通过理论分析来确定钢筋笼旁侧Za异常和Gz异常的衰减规律。下图为钢筋笼磁场的Za和Gz的异常最大值随测试距离（a）增大的衰减变化曲线（均为归一化后）。 旁测钢筋笼Za和Gz衰减曲线 四、检测流程、规定四、检测流程、规定检测工作的程序应按下图进行技术要点 在桩中成孔宜尽量靠近桩中心
18、，以确保测试孔不偏出桩外；在桩侧成孔则应以尽量靠近桩身且尽量远离非受检桩的原则，确保被探测桩钢筋笼信号影响最强，而非受检桩钢筋笼的干扰信号最弱，同时考虑成孔的可行性。土中成孔过程要注意垂直度的控制和承压水的封堵，桩中成孔则主要是保证垂直度，成孔过程中要特别注意别将铁磁性物质掉入或遗留孔中，以免干扰钢筋笼长度的探测。放管要注意连接稳固，注意严禁带入铁磁物质。设备就位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。测试中要注意磁测数据的监控，在接近钢筋笼底时应尽量保证显示数据的稳定，宜适当放慢测试速度。记录每一个测点数据，同时注意记录好测试中的特殊情况，为室内分析提供尽可能多的现场信息
19、。测试结束后应采用注浆等方式进行封孔，确保不影响后续施工。检测仪器目前采用仪器主要有磁测井法钢筋笼长度检测仪和物探井中三分量磁测仪二大类，以钢筋笼长度检测仪应用较为便捷。检测前应收集下列资料： 1 岩土工程勘察资料； 2 桩基设计图纸、施工组织设计； 3 施工工艺和施工记录。检测前应制定检测方案，检测方案应根据调查结果和现场条件制定，检测方案应包括以下内容： 1 工程及地质概况； 2 基桩参数、设计要求和施工工艺； 3 抽样方法，检测方法及其依据标准； 4 检测项目现场实施的可行性、检测时间及所需的机械、人工等； 5 资料分析与报告要求。检测数量不宜少于总桩数的1%，且不应少于3根。抗拔桩及承
20、受水平荷载的 桩宜适当增大抽检比率。对于施工资料不全、施工质量有疑问的桩和重要的桩应适当增加抽检数量。受检桩钢筋笼长度不宜超过100m。当发现检测数据异常时，应查找原因，重新检测。 当对检测结果有异议或抽检结果不满足设计要求等情况时应扩大检测，扩大检测采用的检测数量应得到有关各方的确认。检测机构应通过计量认证，并具有地基基础检测资质，检测人员应经过培训合格，并具有相应的资格。 检测规定 检测前应对仪器设备检查调试，并建立核准装置进行自校。当现场操作环境不符合仪器设备使用要求时，应停止检测，待满足要求后，重新检测。仪器设备要求仪器设备应符合下列要求： 1 使用深度编码器自动记录深度，深度分辨率
21、5cm； 2 磁敏元件应为磁阻传感器，测量范围 -99999nT99999nT； 3 分辨率宜小于50nT，精度宜优于150nT； 4 传感器工作环境温度040，耐压 1.5MPa； 5 能实时对测试数据和曲线进行查看、平滑、 倒序等处理。检测方法磁测井法的检测系统如下图 （a）测试孔位于桩身中 （b）测试孔位于桩身外 磁测井法的检测系统检测步骤： 定位成孔放管就位封孔记录测试测试孔应符合下列规定：1 测试孔在桩身外时，测试孔与受检桩外侧边缘间距不宜大于1.0m，并尽量远离非受检桩；2 测试孔应平行于桩身中心线，其垂直度偏差不应大于1；3 测试孔内径应大于传感器外径，测试孔底标高应低于被检测钢
22、筋笼底标高3.0m；4 测试管应采用无磁性管，测试管应封底；5 当孔中有铁磁性物体存在时，应进行清理，若无法清除时应重新布孔；6 检查测试孔和测试管的通畅情况，并应进行孔口保护，防止杂物进入测试孔，确保传感器在全程范围内升降顺畅；7 当测试孔中存在承压水时，应采取有效措施，确保成孔质量；8 测试结束时应对测试孔进行有效封孔。磁场垂直分量强度的测量规定：1 采样间距不宜大于25cm，采样间距过大，会使得测试成果的分辨率降低；过小，加大了现场测试工作量。因此，选择10cm25cm的采样间距是比较合适的。 ；2 传感器移动速率不宜大于25cm/s，传感器移动速率过大会直接影响测量数据的准确性和稳定性
23、，根据经验取不大于25cm/s较为合适，既保证测量数据稳定又能达到快速探测的目的 ；3 每孔不少于2次能较快地校验测量数据的稳定性，减少误判的情况 ；4 记录深度-磁场垂直分量（ ）。数据质量应符合下列规定：1 实测曲线特征应能反映钢筋笼位置的特征；2 重复检测曲线应具有良好的重复性、波形基本一致；3 数据不应失真和零漂，幅值应正常。数据分析与判定方法数据分析与判定方法 数据分析根据磁场实测垂直分量（ ）曲线下端平坦的值 来判断测区磁场背景值 。磁场Z-h、dZ /dh-h曲线图 根据上下（相邻）两点的实测磁场垂直分量（ ）和测点距，计算磁场垂直分量梯度值 。 =( - )/ 式中 磁场垂直分
24、量梯度值（nT/m）； 、 上下测点的实测磁场垂直分量强度值（nT）； 上下测点的测点距（m）。 钢筋笼底端深度应根据实测垂直分量曲线，并结合磁场垂直分量梯度曲线（上图 ），进行综合判定。 根据深度-磁场垂直分量（ ）曲线确定：取深度-磁场垂直分量（ ）曲线下部小于背景场转成大于背景场的拐点（斜率最大处）对应的深度位置。根据深度-磁场垂直分量梯度（ ）曲线确定：取深度-磁场垂直分量梯度（ ）曲线最深的明显极值点对应的深度位置。检测结果评价和检测报告钢筋笼长度检测结果评价，应给出每根受检桩的钢筋笼长度。 钢筋笼长度不满足设计要求的基桩，应按建筑工程施工质量验收统一标准GB50300相关规定进行处
25、理。检测报告应结论准确、用词规范。检测报告应包括以下内容： 1 委托方名称，工程名称、地点，建设、勘察、设计、监理和施工单位； 2 基础型式，设计要求，检测目的，检测依据，检测数量，检测日期； 3 地质条件描述； 4 受检桩的桩号、桩位和设计配筋等相关记录； 5 检测方法，检测仪器设备，检测过程叙述； 6 受检桩的检测数据，实测与计算分析图象、曲线、表格和汇总结果； 7 每根受检桩的钢筋笼底端深度和长度及与检测内容相应的检测结论。五、工程实例工程实例工程实例1杭州某高层桩径杭州某高层桩径1200mm，桩长，桩长54m、钢筋笼、钢筋笼34m,举报钢举报钢筋笼长度不到设计要求，筋笼长度不到设计要求
26、，探测结果达到设计要求探测结果达到设计要求工程实例工程实例2杭州市高层基桩桩径杭州市高层基桩桩径1.2m，桩长，桩长54m，设计钢筋笼长，设计钢筋笼长37m，三四节钢筋减半三四节钢筋减半, 举报钢筋笼长度不到设计要求，测试结果举报钢筋笼长度不到设计要求，测试结果反映探测孔有倾斜反映探测孔有倾斜,但探测结果达到设计要求但探测结果达到设计要求工程实例工程实例3杭州某工地桩长杭州某工地桩长55m.一层地下室，开挖一层地下室，开挖5m,钢筋笼长度钢筋笼长度50m,实际仅实际仅27-36m(3-4节节),当进场测试后施工单位派人暗中在测试孔中放了钢筋当进场测试后施工单位派人暗中在测试孔中放了钢筋(下图下
27、图)工程实例工程实例4温州某工地温州某工地90m钢筋笼探测钢筋笼探测六、展望 拓展：地铁、地下连续墙钢筋笼长度探测 杭州下沙街道湾南社区农转居多层公寓工程钻孔灌注桩的桩径 600 mm桩长: 55.45m，砼强度: C35 ,设计钢筋笼规格为816（三级钢）、12（三级钢）2000、6250 钢筋笼长度为37.6m ，单桩承载力特征值为2550kN，由于探测孔斜形成异常幅值逐渐降低。1.探头孔与钢筋笼的平行度如何保证；2.外界磁场对测试过程当中的影响评估。主要参考文献1.丁 华、许明辉、张建华等. 磁测钢筋笼长度方法分析和应用J. 工程勘察，2011，4：9093；2.浙江省工程建设标准DB33/T 1094-20133.吴宝杰，杨 桦. 联合平行地震法和磁法检测预应力混凝土长管桩的长度J. 工程质量，2009，27（1）：2729；4.吴宝杰，姬美秀，杨 桦，等. 灌注桩钢筋笼长度及长桩桩长无损检测技术研究J. 工程地球物理学报，2012，9（3）：371374 ；5.杨 桦，吴宝杰，姬美秀，等. 基桩钢筋笼长度磁测井法检测中数据采集质量研究J. 建筑科学，2013，29（7）：9194 。感谢各位专家莅临！感谢各位专家莅临！
