基于充電法判定基樁鋼筋籠長(zhǎng)度的理論與應(yīng)用技術(shù)試驗(yàn)研究

榮黎 ，李俊 ，余敏 （安徽省建設(shè)工程測(cè)試研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000）

地下隱蔽工程質(zhì)量檢測(cè)工作中，基樁鋼筋籠長(zhǎng)度的判定是其重要的工作之一。基樁鋼筋籠長(zhǎng)度的判定工作通常采用井中物探（井中磁法、電法或電磁法）方法。然而，井中物探需在樁中鉆孔或在樁邊成一PVC套管的鉆孔，應(yīng)用鋼筋籠的天然鐵磁性特征的井中磁法和井中測(cè)量的充電法，判測(cè)井需在目標(biāo)基樁中間或0.5m以內(nèi)，一般一判測(cè)井只能判測(cè)一基樁，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。為了能使基樁鋼筋籠長(zhǎng)度的判定工作做到快速，經(jīng)濟(jì)，高效，我們從方法的基本理論著手，經(jīng)過(guò)反復(fù)比對(duì)試驗(yàn)，首先以井中磁法為參照點(diǎn)，采用類似于錨桿無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)力波檢測(cè)方法進(jìn)行比對(duì)，由于基樁配筋率遠(yuǎn)低于錨桿，鋼筋籠底部波阻抗相對(duì)樁砼來(lái)說(shuō)變化非常小，而鋼筋本身波速高且衰減快，相對(duì)于較短的基樁，采用應(yīng)力波檢測(cè)方法效果較差。進(jìn)而我們又進(jìn)行了判測(cè)井在目標(biāo)基樁0.5m以內(nèi)井中磁法和充電法進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果完全吻合。為了提高效率，我們又進(jìn)行了一判測(cè)井判測(cè)多根樁（充電樁籠）的充電法試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果較復(fù)雜但具有一定的規(guī)律性，判測(cè)規(guī)律主要取決于判測(cè)井與判測(cè)樁的距離、位置及周邊樁籠的位置和距離，經(jīng)過(guò)從理論到實(shí)驗(yàn)的反復(fù)比對(duì)試驗(yàn)，取得了較滿意的試驗(yàn)成果。為了擺脫耗工費(fèi)時(shí)的鉆井檢測(cè)方式，更好的提高基樁鋼筋籠長(zhǎng)度的判測(cè)工作效率，我們又開(kāi)發(fā)了基于充電法判定基樁鋼筋籠長(zhǎng)度的靜探測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)現(xiàn)已獲得國(guó)家頒布的實(shí)用新型發(fā)明專利。

1 充電鋼筋籠的電場(chǎng)

充電的鋼筋籠非常細(xì)長(zhǎng)，可看做線型接地長(zhǎng)電極，由電極流入地下的電流強(qiáng)度為I,電極長(zhǎng)度為2l；P點(diǎn)至電極垂直距為b；至電極兩端的距離為r1和r2；與電極兩端的連線和電極間的夾角分別為θ1、θ2（圖1），P點(diǎn)的場(chǎng)勢(shì)為

a=（r1+r2）/2（等勢(shì)橢球面的半長(zhǎng)軸）

在yz平面上半焦距為l,半長(zhǎng)軸為a=(r1+r2)/2，半短軸為的橢圓繞z軸旋轉(zhuǎn)一周所形成的橢球面族即為其等勢(shì)旋轉(zhuǎn)橢球面。

圖1 有限線源模型示意圖

因?yàn)樵搱?chǎng)勢(shì)為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的橢球場(chǎng)，水平方向全對(duì)稱，忽略x方向，取yoz坐標(biāo)平面進(jìn)行運(yùn)算：

2 充電樁籠周邊樁籠（穩(wěn)定電流場(chǎng)中的導(dǎo)體）感應(yīng)電場(chǎng)

充電法采用穩(wěn)定電流場(chǎng)，而充電樁籠周邊的其它樁籠就是穩(wěn)定電流場(chǎng)中的導(dǎo)體。穩(wěn)定電流場(chǎng)和靜電場(chǎng)一樣都是勢(shì)場(chǎng)。由于電流場(chǎng)問(wèn)題可以利用靜電問(wèn)題來(lái)?yè)Q算（用靜電類比法），可以從研究靜電場(chǎng)問(wèn)題的解法入手。

金屬導(dǎo)體處于靜電場(chǎng)中，金屬的自由電子在外電場(chǎng)的作用下相對(duì)于晶格作定向運(yùn)動(dòng)，并在導(dǎo)體的一個(gè)側(cè)面集結(jié)，使該側(cè)面出現(xiàn)負(fù)電荷。而相對(duì)的另一側(cè)面則出現(xiàn)正電荷，這就是靜電感應(yīng)現(xiàn)象。由此產(chǎn)生的電荷稱為感應(yīng)電荷。相對(duì)側(cè)面上的感應(yīng)電荷電量相等而符號(hào)相反。感應(yīng)電荷在空間必然產(chǎn)生電場(chǎng)，該電場(chǎng)與原來(lái)的電場(chǎng)疊加，改變了空間各處的電場(chǎng)分布。感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)稱為感應(yīng)電場(chǎng)，用表示。空間任意一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)可表示為：

在金屬導(dǎo)體中，自由電子沒(méi)有定向運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度都等于零的狀態(tài)稱為靜電平衡狀態(tài)。

處于靜電平衡的金屬導(dǎo)體具有如下的性質(zhì)：

①整個(gè)導(dǎo)體是等勢(shì)體，導(dǎo)體表面是等勢(shì)面。

②導(dǎo)體表面附近的場(chǎng)強(qiáng)處處與表面垂直。

靜電平衡的導(dǎo)體上的電荷分布具有以下規(guī)律：a.電荷只分布在導(dǎo)體的表面上；b.面電荷密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的大小成正比；c.曲率越大的地方，面電荷密度也越大

3 充電法判定鋼筋籠長(zhǎng)度的解釋模型

充電法采用穩(wěn)定電流場(chǎng)即勢(shì)場(chǎng)，勢(shì)場(chǎng)問(wèn)題的解即為解邊界問(wèn)題。可分為兩類，第一類問(wèn)題為已知帶電場(chǎng)源及相關(guān)的邊界條件，欲求其場(chǎng)的分布。第二類是感應(yīng)電場(chǎng)問(wèn)題，如導(dǎo)體置于外電場(chǎng)中，導(dǎo)體被極化，感應(yīng)電場(chǎng)與一次場(chǎng)相疊加即為滿足邊界條件的合電場(chǎng)。因此，充電勢(shì)場(chǎng)解釋的目的就是解決上述兩類問(wèn)題。

通常勢(shì)場(chǎng)的解釋模型分為兩類，一類是反演問(wèn)題，即已知場(chǎng)的分布去尋求場(chǎng)源，另一類是正演問(wèn)題，即是已知場(chǎng)源去尋求場(chǎng)的分布。通常物探方法對(duì)場(chǎng)源知之甚少，多為反演推斷問(wèn)題。然而，作為有限線源的鋼筋籠模型參數(shù)較明確（唯一要確定的就是長(zhǎng)度），因此，充電法判定鋼筋籠長(zhǎng)度的解釋模型可以完全以前面所討論的線型電場(chǎng)及感應(yīng)電場(chǎng)理論為依據(jù)，采用正演擬合法進(jìn)行解釋（見(jiàn)圖2）。

圖2 充電法判鋼筋籠長(zhǎng)度建模解釋流程圖

4 充電法判定鋼筋籠長(zhǎng)度的應(yīng)用實(shí)例及效果

實(shí)例為充電法在某棟樓群樁當(dāng)中較為典型的判別實(shí)例。

例中可看出在9m附近有較大峰值，可判為半籠的充電電位梯度曲線，由于受旁邊全籠的影響，在12m以下又迅速升起；而可判為全籠的充電電位梯度曲線由于受到旁邊半樁籠的影響，在9m附近有不同程度的小峰值；由此，可以看出樁籠之間的相互干擾，其相互影響的程度主要取決于充電目標(biāo)樁籠及周邊樁籠與檢測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置。

為了進(jìn)一部證實(shí)所作的推斷，對(duì)部分較典型的樁籠（2根）通過(guò)所建的解釋模型進(jìn)行了正演計(jì)算，所計(jì)算的理論曲線和實(shí)測(cè)曲線基本吻合，充分證實(shí)了該方法的有效性和合理性。

5 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

①充電法作為一種人工穩(wěn)定等位線形場(chǎng)源，具有信號(hào)穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，操作靈活方便，解釋明晰簡(jiǎn)便等明顯的優(yōu)點(diǎn)，定能在判定樁籠工作中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

圖3 靜探-充電法平面位置示意圖（二）

充電法進(jìn)行群樁籠判定是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，既可體現(xiàn)其方法的高效性（一孔多測(cè)），又由于樁籠的相互干擾，大大增加了其方法的復(fù)雜性，根據(jù)本人在幾千根群樁籠的判識(shí)實(shí)踐，得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

a.盡管樁籠為長(zhǎng)徑比較大的良導(dǎo)體，測(cè)距不易過(guò)大，從理論論證，到實(shí)判經(jīng)驗(yàn)可知：粗略判識(shí)時(shí)不易大于樁籠長(zhǎng)度的一半，精確判識(shí)時(shí)不易大于樁籠長(zhǎng)度的八分之一。

圖4 充電電位梯度及擬合曲線

b.群樁檢測(cè)時(shí)，為盡可能減少相互干擾，測(cè)試孔應(yīng)打在群樁中間，使周邊測(cè)試樁籠與測(cè)試孔距離保持一致。

c.資料解釋?xiě)?yīng)遵循由近致遠(yuǎn)，先易后難，逐點(diǎn)分析干擾源的判別原則，對(duì)于測(cè)點(diǎn)外圍的樁籠以及一次場(chǎng)干擾嚴(yán)重曲線難以判別的樁籠必需進(jìn)行多測(cè)點(diǎn)重復(fù)檢測(cè)，綜合分析，以確保判識(shí)精度。