極電法無(wú)損檢測(cè)鋼筋籠長(zhǎng)度研究與應(yīng)用

龍興燦 李衛(wèi)峰

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211188）

0 引言

鉆孔灌注樁的鋼筋籠能起到抗拔、抗彎抗裂的作用，若鋼筋籠長(zhǎng)度不足，將影響到樁基礎(chǔ)的水平承載能力和豎向承載能力，從而造成長(zhǎng)期安全隱患［1?9］。因此，尋找一種便捷可靠的鋼筋籠長(zhǎng)度檢測(cè)方法是保證樁基工程質(zhì)量的有效途徑。

1 鋼筋籠長(zhǎng)度檢測(cè)研究現(xiàn)狀

目前，基樁鋼筋籠的長(zhǎng)度檢測(cè)主要使用地球物理測(cè)井方法，該方法有以下3種。

1.1 磁測(cè)井法（磁感應(yīng)梯度法）

在鋼筋籠中或附近進(jìn)行鉆孔時(shí)，檢測(cè)深度?磁場(chǎng)垂直分量梯度的變化，其突變處即為鋼筋籠長(zhǎng)度末端，如圖1所示。

磁感應(yīng)法檢測(cè)鋼筋籠長(zhǎng)度的研究與應(yīng)用較多，邵繼喜等［2］基于磁感應(yīng)法檢測(cè)樁長(zhǎng)的數(shù)值仿真模擬，來(lái)分析磁場(chǎng)信號(hào)的分布特征；伍卓鶴等［3］利用磁測(cè)井法進(jìn)行模型樁試驗(yàn)和工程樁試驗(yàn)；趙國(guó)光等［4］利用鉆孔灌注樁鋼筋籠長(zhǎng)度足尺模型進(jìn)行磁測(cè)井法試驗(yàn)；朱正等［5］在工程樁中采用磁測(cè)井磁梯度法來(lái)檢測(cè)鋼筋籠的長(zhǎng)度。

1.2 電測(cè)井法（充電法）

目前，主要用電測(cè)井充電法對(duì)鋼筋籠長(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)。假設(shè)鋼筋籠為理想導(dǎo)體，對(duì)鋼筋籠進(jìn)行充電，在對(duì)地基無(wú)窮遠(yuǎn)處進(jìn)行供電時(shí)，鋼筋籠周邊將形成電勢(shì)等位線。在鋼筋籠（或附近）進(jìn)行鉆孔，測(cè)量電極M與電極N之間的電位差，其深度?電位梯度曲線突變處即為鋼筋籠末端，如圖2所示。

劉建達(dá)等［6］將充電法（直流電法）與高頻電磁波法進(jìn)行比對(duì)研究；程知言等［7］和喻禮生等［8］利用充電法來(lái)檢測(cè)樁基礎(chǔ)鋼筋籠的長(zhǎng)度。充電法要在鉆孔灌注柱附近進(jìn)行鉆孔，當(dāng)孔位距離鋼筋較遠(yuǎn)時(shí)，電位拐點(diǎn)不明顯（精度差），且易受周邊電阻率小的物體的影響［8］。

1.3 其他方法

高翔等［9］利用THz成像技術(shù)來(lái)檢測(cè)鋼筋籠長(zhǎng)度，但該方法操作復(fù)雜，成本高；低應(yīng)變反射波法檢測(cè)鋼筋長(zhǎng)度的精度差，鋼筋籠底部的反射信號(hào)不可辨認(rèn)；其他鋼筋籠長(zhǎng)度檢測(cè)法有電磁波法、電磁感應(yīng)法等［1］，均處于研究階段。

綜上所述，磁測(cè)井法相對(duì)精度較高，電測(cè)井法受干擾相對(duì)較大。二者均要求在樁內(nèi)或樁周?chē)?.5 m內(nèi)鉆孔，且孔應(yīng)平行于鋼筋籠［10］。而其他方法尚處于研究階段，未能在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

本研究提出一種不用鉆孔的極電法來(lái)檢測(cè)鋼筋長(zhǎng)度。對(duì)鋼筋籠進(jìn)行供電，然后測(cè)量地表特定位置處與鋼筋籠的電壓值，從而判斷出鋼筋籠的長(zhǎng)度。

2 極電法原理

一般灌注樁鋼筋籠長(zhǎng)度l為10~80 m，直徑d為1~2.5 m，l＞＞d，可將鋼筋籠等效為電極。按圖3（a）施工的全籠鋼筋簡(jiǎn)化為長(zhǎng)電極。短籠鋼筋則簡(jiǎn)化為短電極，見(jiàn)圖3（b）。

鋼筋籠長(zhǎng)度為l，直徑為2r，假設(shè)其為理想電極，建立直角坐標(biāo)系（見(jiàn)圖4），以鋼筋籠軸線方向?yàn)閦，地面半徑方向?yàn)閤，則x方向i點(diǎn)的電壓差Ui見(jiàn)式（1）［11］。

式中：Ui為半徑方向i點(diǎn)處的電壓值；I為鋼筋籠電流；ρ為地基電阻；i為x方向距O點(diǎn)的距離。

假設(shè)地基的電阻率ρ和電流I為固定值，在i點(diǎn)上，鋼筋籠長(zhǎng)度l變大，則電壓Ui變大；鋼筋長(zhǎng)度l不變，則距離i增大，電壓Ui減小。

3 水中模型試驗(yàn)

假設(shè)水的電阻率ρ是勻質(zhì)的，為理想導(dǎo)體，對(duì)式（1）進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)。主要儀器設(shè)備包括4只12 V的蓄電池，2只串聯(lián)電壓為26.2 V，4只串聯(lián)電壓為52.6 V；萬(wàn)用表選用勝達(dá)生產(chǎn)的382B數(shù)顯萬(wàn)用表，可測(cè)電壓量程為0.01 mV~600 V，精度為0.5%。模擬鋼筋籠總長(zhǎng)度l=1.2 m，直徑D=0.3 m，主筋由4根直徑10 mm鋼筋組成，箍筋間距0.2 m，共6道。

將鋼筋籠置于水池中，水下深度l分別為0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m。采用三極供電裝置，AB為供電電極，蓄電池供直流電，電極A+連接在鋼筋籠上，電極B?位于無(wú)窮遠(yuǎn)處（20 m，大于10倍MN）。MN為測(cè)量電極，電極M連接在鋼筋籠上，另一端電極N位于AB軸線上，電極N每次移動(dòng)點(diǎn)距為0.1 m，測(cè)量MN的電壓，并進(jìn)行記錄。圖5為極電法水中試驗(yàn)示意圖。采用2只蓄電池供電時(shí)，供電電壓為26.2 V，MN電壓的數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖6；采用4只蓄電池供電時(shí)，供電電壓為52.6 V，MN電壓的數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖7。

由圖6和圖7可知，鋼筋籠入水深度對(duì)MN的測(cè)量電壓有較大影響，供電26.2 V時(shí)，入水20 cm和入水80 cm的鋼筋籠在點(diǎn)距i＝60 cm處的電位差最大，為1.40 V；供電52.6 V，在點(diǎn)距i＝100 cm處最大，為2.23 V，差異明顯。整個(gè)剖面上的電位值隨鋼筋籠子入水深度的增加而減小，隨著間距的增大而逐漸增大。

4 土中模擬樁試驗(yàn)

4.1 模型樁設(shè)計(jì)與施工

模型樁的設(shè)計(jì)依托南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院基樁基地的實(shí)物模型樁。該試驗(yàn)從基樁基地中抽取3根樁，鋼筋籠布置分別為半籠（鋼筋籠長(zhǎng)為6 m，樁總長(zhǎng)為12 m）、全籠（鋼筋籠長(zhǎng)為16 m，樁總長(zhǎng)為16 m）、上密下疏（6 m密鋼筋籠、7 m疏鋼筋籠，樁總長(zhǎng)17 m）3種方式。為了模擬多樁承臺(tái)中鋼筋籠有短缺的情況，將6 m籠與13 m籠用導(dǎo)線進(jìn)行連接，即將兩根樁鋼筋籠連接為一體，13 m籠與6 m籠的間距為5 m，如圖8所示。

4.2 模型樁測(cè)試

土中樁基模型樁試驗(yàn)采用的儀器設(shè)備、檢測(cè)方法與水中模型試驗(yàn)基本一致。

對(duì)6 m籠單樁、13 m籠單樁、16 m籠單樁進(jìn)行測(cè)試。MN位于AB軸線上，將電極M連接在鋼筋籠上，MN距離為電極N點(diǎn)到鋼筋籠最近鋼筋的距離，按1 m點(diǎn)距依次從1～10 m取10個(gè)測(cè)點(diǎn)。模擬多樁承臺(tái)，將6 m籠與13 m籠用導(dǎo)線連接，6 m籠與13 m籠等效為一個(gè)新的電極，電極長(zhǎng)度為13 m。對(duì)6 m籠或13 m籠進(jìn)行充電時(shí)，電極A、電極C和電極M的電位相等，與具體接入位置無(wú)關(guān)。使6 m籠、13 m籠、AB、MN在同一軸線上，當(dāng)檢測(cè)方向位于13 m籠一側(cè)時(shí)，命名為13 m+6 m籠，當(dāng)檢測(cè)方向位于6 m籠一側(cè)時(shí)，命名為6 m+13 m籠（見(jiàn)圖9）。點(diǎn)距為電極N到鋼筋籠最近鋼筋距離，按1 m點(diǎn)距測(cè)量并記錄電壓差Ui，共10個(gè)測(cè)點(diǎn)。

供電電壓為26.2 V時(shí)，MN的測(cè)量電壓見(jiàn)圖10，圖中最大電壓為0.66 mV，檢測(cè)電壓偏小，而施工現(xiàn)場(chǎng)各種用電設(shè)備較多，易受地表電流的影響，因此實(shí)際檢測(cè)時(shí)應(yīng)加大電壓。

供電電壓為52.6 V時(shí)，將MN測(cè)量電壓數(shù)據(jù)繪制成分析圖（見(jiàn)圖11）。由圖11可知：同一點(diǎn)距，鋼筋籠越長(zhǎng)，其電壓值越低，樁越短，電壓值越高，16 m籠與6 m籠電壓的差值約為0.4 mV；點(diǎn)距應(yīng)從距鋼筋籠最近的縱向主鋼筋測(cè)量，而不是基樁中心位置，點(diǎn)距越遠(yuǎn)，電壓越大，與理論模型的計(jì)算結(jié)果基本一致；鋼筋籠中鋼筋數(shù)量（疏密程度）對(duì)檢測(cè)結(jié)果無(wú)影響；用導(dǎo)線將長(zhǎng)短鋼筋籠連接在一起，在長(zhǎng)鋼筋籠一側(cè)檢測(cè)，MN測(cè)量電壓與長(zhǎng)鋼筋籠電壓幾乎一致，在短鋼筋籠一側(cè)檢測(cè)時(shí)，MN測(cè)量電壓介于長(zhǎng)短鋼筋籠之間。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究采用三極充電裝置對(duì)鋼筋籠充電，測(cè)量電極MN的電壓與鋼筋籠入土長(zhǎng)度的相關(guān)性。假設(shè)長(zhǎng)鋼筋籠為標(biāo)準(zhǔn)樁，將被檢樁與之比對(duì)，可推測(cè)被檢樁鋼筋籠是否短缺，但不能直接檢測(cè)鋼筋籠長(zhǎng)度；極電法不能檢測(cè)鋼筋密度數(shù)量，只能檢測(cè)到最長(zhǎng)的一根鋼筋，多樁承臺(tái)檢測(cè)時(shí)，可發(fā)現(xiàn)承臺(tái)中鋼筋籠長(zhǎng)度是否一致；由于測(cè)量電壓值較小，為減少施工現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備的電流干擾，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)提高供電電壓，以提高分辨率。極電法檢測(cè)鋼筋籠長(zhǎng)度無(wú)須鉆孔，操作簡(jiǎn)單，可與磁測(cè)井法或電測(cè)井法配合使用。如何利用標(biāo)準(zhǔn)樁試驗(yàn)結(jié)果推測(cè)被測(cè)樁長(zhǎng)度，還要有大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持；針對(duì)地基干濕程度、地質(zhì)分層等因素對(duì)地基電阻對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響以及對(duì)工程項(xiàng)目的普適性應(yīng)用，還要進(jìn)一步研究。