極電法無損檢測鋼筋籠長度研究與應用

龍興燦 李衛峰

（南京交通職業技術學院，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，若鋼筋籠長度不足，將影響到樁基礎的水平承載能力和豎向承載能力，從而造成長期安全隱患［1?9］。因此，尋找一種便捷可靠的鋼筋籠長度檢測方法是保證樁基工程質量的有效途徑。

1 鋼筋籠長度檢測研究現狀

目前，基樁鋼筋籠的長度檢測主要使用地球物理測井方法，該方法有以下3種。

1.1 磁測井法（磁感應梯度法）

在鋼筋籠中或附近進行鉆孔時，檢測深度?磁場垂直分量梯度的變化，其突變處即為鋼筋籠長度末端，如圖1所示。

磁感應法檢測鋼筋籠長度的研究與應用較多，邵繼喜等［2］基于磁感應法檢測樁長的數值仿真模擬，來分析磁場信號的分布特征；伍卓鶴等［3］利用磁測井法進行模型樁試驗和工程樁試驗；趙國光等［4］利用鉆孔灌注樁鋼筋籠長度足尺模型進行磁測井法試驗；朱正等［5］在工程樁中采用磁測井磁梯度法來檢測鋼筋籠的長度。

1.2 電測井法（充電法）

目前，主要用電測井充電法對鋼筋籠長度進行檢測。假設鋼筋籠為理想導體，對鋼筋籠進行充電，在對地基無窮遠處進行供電時，鋼筋籠周邊將形成電勢等位線。在鋼筋籠（或附近）進行鉆孔，測量電極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。

劉建達等［6］將充電法（直流電法）與高頻電磁波法進行比對研究；程知言等［7］和喻禮生等［8］利用充電法來檢測樁基礎鋼筋籠的長度。充電法要在鉆孔灌注柱附近進行鉆孔，當孔位距離鋼筋較遠時，電位拐點不明顯（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成像技術來檢測鋼筋籠長度，但該方法操作復雜，成本高；低應變反射波法檢測鋼筋長度的精度差，鋼筋籠底部的反射信號不可辨認；其他鋼筋籠長度檢測法有電磁波法、電磁感應法等［1］，均處于研究階段。

綜上所述，磁測井法相對精度較高，電測井法受干擾相對較大。二者均要求在樁內或樁周圍0.5 m內鉆孔，且孔應平行于鋼筋籠［10］。而其他方法尚處于研究階段，未能在實際生產中應用。

本研究提出一種不用鉆孔的極電法來檢測鋼筋長度。對鋼筋籠進行供電，然后測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度。

2 極電法原理

一般灌注樁鋼筋籠長度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）施工的全籠鋼筋簡化為長電極。短籠鋼筋則簡化為短電極，見圖3（b）。

鋼筋籠長度為l，直徑為2r，假設其為理想電極，建立直角坐標系（見圖4），以鋼筋籠軸線方向為z，地面半徑方向為x，則x方向i點的電壓差Ui見式（1）［11］。

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

假設地基的電阻率ρ和電流I為固定值，在i點上，鋼筋籠長度l變大，則電壓Ui變大；鋼筋長度l不變，則距離i增大，電壓Ui減小。

3 水中模型試驗

假設水的電阻率ρ是勻質的，為理想導體，對式（1）進行驗證性試驗。主要儀器設備包括4只12 V的蓄電池，2只串聯電壓為26.2 V，4只串聯電壓為52.6 V；萬用表選用勝達生產的382B數顯萬用表，可測電壓量程為0.01 mV~600 V，精度為0.5%。模擬鋼筋籠總長度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?位于無窮遠處（20 m，大于10倍MN）。MN為測量電極，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每次移動點距為0.1 m，測量MN的電壓，并進行記錄。圖5為極電法水中試驗示意圖。采用2只蓄電池供電時，供電電壓為26.2 V，MN電壓的數據分析見圖6；采用4只蓄電池供電時，供電電壓為52.6 V，MN電壓的數據分析見圖7。

由圖6和圖7可知，鋼筋籠入水深度對MN的測量電壓有較大影響，供電26.2 V時，入水20 cm和入水80 cm的鋼筋籠在點距i＝60 cm處的電位差最大，為1.40 V；供電52.6 V，在點距i＝100 cm處最大，為2.23 V，差異明顯。整個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

4.1 模型樁設計與施工

模型樁的設計依托南京交通職業技術學院基樁基地的實物模型樁。該試驗從基樁基地中抽取3根樁，鋼筋籠布置分別為半籠（鋼筋籠長為6 m，樁總長為12 m）、全籠（鋼筋籠長為16 m，樁總長為16 m）、上密下疏（6 m密鋼筋籠、7 m疏鋼筋籠，樁總長17 m）3種方式。為了模擬多樁承臺中鋼筋籠有短缺的情況，將6 m籠與13 m籠用導線進行連接，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 模型樁測試

土中樁基模型樁試驗采用的儀器設備、檢測方法與水中模型試驗基本一致。

對6 m籠單樁、13 m籠單樁、16 m籠單樁進行測試。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點到鋼筋籠最近鋼筋的距離，按1 m點距依次從1～10 m取10個測點。模擬多樁承臺，將6 m籠與13 m籠用導線連接，6 m籠與13 m籠等效為一個新的電極，電極長度為13 m。對6 m籠或13 m籠進行充電時，電極A、電極C和電極M的電位相等，與具體接入位置無關。使6 m籠、13 m籠、AB、MN在同一軸線上，當檢測方向位于13 m籠一側時，命名為13 m+6 m籠，當檢測方向位于6 m籠一側時，命名為6 m+13 m籠（見圖9）。點距為電極N到鋼筋籠最近鋼筋距離，按1 m點距測量并記錄電壓差Ui，共10個測點。

供電電壓為26.2 V時，MN的測量電壓見圖10，圖中最大電壓為0.66 mV，檢測電壓偏小，而施工現場各種用電設備較多，易受地表電流的影響，因此實際檢測時應加大電壓。

供電電壓為52.6 V時，將MN測量電壓數據繪制成分析圖（見圖11）。由圖11可知：同一點距，鋼筋籠越長，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；點距應從距鋼筋籠最近的縱向主鋼筋測量，而不是基樁中心位置，點距越遠，電壓越大，與理論模型的計算結果基本一致；鋼筋籠中鋼筋數量（疏密程度）對檢測結果無影響；用導線將長短鋼筋籠連接在一起，在長鋼筋籠一側檢測，MN測量電壓與長鋼筋籠電壓幾乎一致，在短鋼筋籠一側檢測時，MN測量電壓介于長短鋼筋籠之間。

5 結語

本研究采用三極充電裝置對鋼筋籠充電，測量電極MN的電壓與鋼筋籠入土長度的相關性。假設長鋼筋籠為標準樁，將被檢樁與之比對，可推測被檢樁鋼筋籠是否短缺，但不能直接檢測鋼筋籠長度；極電法不能檢測鋼筋密度數量，只能檢測到最長的一根鋼筋，多樁承臺檢測時，可發現承臺中鋼筋籠長度是否一致；由于測量電壓值較小，為減少施工現場各種設備的電流干擾，現場檢測應提高供電電壓，以提高分辨率。極電法檢測鋼筋籠長度無須鉆孔，操作簡單，可與磁測井法或電測井法配合使用。如何利用標準樁試驗結果推測被測樁長度，還要有大量試驗數據支持；針對地基干濕程度、地質分層等因素對地基電阻對試驗結果的影響以及對工程項目的普適性應用，還要進一步研究。