磁測(cè)樁法在既有建筑管樁基礎(chǔ)檢測(cè)中的應(yīng)用研究

鄭思偉

（1 福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建福州 350108；2 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350108）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，房建項(xiàng)目從增量市場(chǎng)向存量市場(chǎng)轉(zhuǎn)變，作為設(shè)計(jì)及工程驗(yàn)收依據(jù)的樁基檢測(cè)項(xiàng)目將更多地轉(zhuǎn)變成為出現(xiàn)問題的房建項(xiàng)目鑒定提供依據(jù)的既有建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)。樁基作為上部結(jié)構(gòu)與持力層之間的橋梁，一旦出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致基礎(chǔ)不均勻沉降，上部建筑結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[1]，而上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題將威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，常常造成巨大的社會(huì)影響。

樁基工程是埋藏于地下的隱蔽工程，在驗(yàn)收時(shí)主要檢測(cè)其承載力及樁身完整性，低應(yīng)變法檢測(cè)作為樁身完整性檢測(cè)的普查方法，其局限性在于檢測(cè)長(zhǎng)樁時(shí)基本沒有樁底反射[2]，因此在驗(yàn)收時(shí)，基樁的樁長(zhǎng)是一個(gè)容易被忽略的因素，而樁長(zhǎng)不足時(shí)，會(huì)使得上部結(jié)構(gòu)荷載未傳導(dǎo)到持力層，因此產(chǎn)生工程事故。特別在上部結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成的既有建筑的樁基工程中，其樁長(zhǎng)檢測(cè)尤為困難，樁頂與承臺(tái)及底板形成一個(gè)整體，無法用傳統(tǒng)的低應(yīng)變法或者高應(yīng)變法進(jìn)行檢測(cè)。

目前列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的既有建筑基樁檢測(cè)方法除了低應(yīng)變法檢測(cè)還有旁孔透射法及磁測(cè)樁法[3]，類似低應(yīng)變法，旁孔透射法的激振點(diǎn)在樁頂或承臺(tái)，而既有建筑工程現(xiàn)場(chǎng)并不具備檢測(cè)條件，而且旁孔透射法的檢測(cè)結(jié)果受樁與測(cè)試孔之間的土層性質(zhì)影響，特別是基樁進(jìn)入堅(jiān)硬的持力層時(shí)，往往無法得到準(zhǔn)確的樁長(zhǎng)，同時(shí)旁孔透射法對(duì)測(cè)試孔的要求比較高，護(hù)管及孔壁需耦合良好[4]。管樁的預(yù)應(yīng)力筋每節(jié)為通長(zhǎng)配置，磁測(cè)樁法檢測(cè)基樁鋼筋籠長(zhǎng)度可以得到管樁樁長(zhǎng)，在樁側(cè)和樁頂均可鉆孔，其檢測(cè)通道無需耦合劑，不受土層及地下水影響。本文結(jié)合工程實(shí)例證明磁測(cè)樁法檢測(cè)既有建筑基樁鋼筋籠長(zhǎng)度得到管樁樁長(zhǎng)的準(zhǔn)確性，并采用孔內(nèi)攝像驗(yàn)證磁測(cè)樁法結(jié)果。

1 磁測(cè)樁法的基本原理

地球磁場(chǎng)的南極在地理北極附近，磁場(chǎng)北極位于地理南極附近，基樁含有鋼筋籠，以靜壓、錘擊或沖鉆孔的方式成樁，埋入地下的基樁被地球的類磁偶極磁場(chǎng)磁化，在基樁的周圍產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，使基樁附近磁場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)別于背景場(chǎng)，基樁周圍的磁異常分布相當(dāng)于有限長(zhǎng)直立圓柱體被磁化的磁場(chǎng)[5]，管樁的鋼筋籠、端頭板及灌注樁的鋼筋籠或者鋼樁被地磁場(chǎng)磁化而產(chǎn)生磁異常，區(qū)別于背景場(chǎng)，其在加強(qiáng)筋、端頭板以及樁底與持力層接觸周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)變化。在沒有強(qiáng)烈的地磁場(chǎng)變化的情況下，背景場(chǎng)在檢測(cè)的時(shí)空范圍內(nèi)是相對(duì)穩(wěn)定的，因此基樁附近磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化特征正好反映了基樁中鐵磁性物質(zhì)被磁化后的磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化特征，這種磁異常特征與基樁鐵磁性物質(zhì)的數(shù)量和分布位置緊密相關(guān)。基樁的鋼筋籠的磁異常分布特征相當(dāng)于直立磁性圓柱體的磁異常分布特征。

在基樁外側(cè)取孔作為檢測(cè)通道，基樁的鋼筋籠垂直分量磁異常等效為直立的磁性圓柱體外側(cè)的磁異常特征，基樁的鋼筋籠外側(cè)的垂直分量磁異常隨深度變化特征分布曲線見圖1。從圖1 可知，在鋼筋籠的分布范圍內(nèi)沿測(cè)試孔深度方向的垂直分量Za磁異常分布為寬緩的馬鞍形曲線；在鋼筋籠上部和下部偏外側(cè)各會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極值點(diǎn)，鋼筋籠下部邊緣位置存在磁測(cè)垂直分量從極小值轉(zhuǎn)變?yōu)闃O大值的拐點(diǎn)。隨深度變化而逐漸遠(yuǎn)離鋼筋籠的上部邊緣或下部邊緣時(shí)，垂直分量磁異常值會(huì)逐漸減小，最后趨近于一個(gè)常數(shù)值，在實(shí)際檢測(cè)中，該常數(shù)值稱為背景場(chǎng)值[6]（圖2）。

圖1 磁性體外部磁場(chǎng)Za磁異常分布曲線

圖2 磁場(chǎng)垂直分量與梯度變化曲線

鋼筋籠邊緣拐點(diǎn)的垂直分量隨深度的梯度變化為一個(gè)極值點(diǎn)，如圖2。極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)深度位置與極值點(diǎn)的拐點(diǎn)位置深度一致。

因此，磁測(cè)樁法可以通過基樁內(nèi)部或外側(cè)鉆孔檢測(cè)得到鋼筋籠垂直分量的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線，通過其下部邊緣位置的磁異常特征及背景場(chǎng)的特征，或者通過磁場(chǎng)強(qiáng)度垂直分量隨深度梯度異常曲線的極值點(diǎn)判定鋼筋籠底部位置，得到鋼筋籠長(zhǎng)度，管樁的預(yù)應(yīng)力鋼筋籠為通長(zhǎng)配筋，其鋼筋籠長(zhǎng)度與樁長(zhǎng)一致。

2 既有建筑的地基基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

既有建筑的地基基礎(chǔ)一般被上部結(jié)構(gòu)覆蓋，底板下為承臺(tái)，基樁與承臺(tái)連接。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，一般鉆機(jī)的高度不滿足地下室的工作條件，需要對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行改裝，鉆機(jī)三腳架高度低于地下室頂板底標(biāo)高位置，利用設(shè)計(jì)圖紙中墻、柱與基樁的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)基樁進(jìn)行定位，再選擇樁側(cè)或者樁中心鉆孔。鉆孔在樁側(cè)時(shí)，孔中心與基樁側(cè)壁的距離宜在0.5m 內(nèi)，孔深應(yīng)比預(yù)計(jì)樁底位置深3～5m，當(dāng)鉆孔通過軟弱層時(shí)應(yīng)采用套管護(hù)壁，利用磁法儀檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度。

如圖3 所示，探頭通過計(jì)步器置于檢測(cè)通道中，自下而上進(jìn)行檢測(cè)，探頭應(yīng)勻速平緩上升，提升速度宜為9～15m/min，實(shí)時(shí)記錄深度-磁場(chǎng)垂直分量（h-Za）曲線，每孔進(jìn)行2 次以上檢測(cè)，各曲線應(yīng)具有良好的重復(fù)性。

圖3 磁測(cè)樁法檢測(cè)基樁現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖

基樁鋼筋籠底部位置應(yīng)根據(jù)深度-磁場(chǎng)垂直分量曲線，取曲線底部磁場(chǎng)垂直分量由小于背景場(chǎng)的極小值轉(zhuǎn)成大于背景場(chǎng)的拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的深度位置；或根據(jù)深度-磁場(chǎng)垂直分量梯度曲線，取曲線底部最深的明顯極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的深度位置。

管樁測(cè)試長(zhǎng)度L為管樁底部與測(cè)試樁頂面之間的距離，按下式計(jì)算：

式中：h0為樁底位置深度（m），由測(cè)試曲線判讀；h1為測(cè)試時(shí)樁頂面位置深度（m），在深度計(jì)步器上測(cè)讀[7]。

3 工程實(shí)例

某建筑有一層地下室，采用錘擊PHC 管樁基礎(chǔ)，一體化樁尖，有效樁長(zhǎng)30～40m；場(chǎng)地土層為雜填土、淤泥、粉細(xì)砂、淤泥、粉質(zhì)黏土、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、全風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖，設(shè)計(jì)持力層為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖；上部已封頂，基礎(chǔ)局部產(chǎn)生不均勻沉降，建筑傾斜超過限值，為查明原因，選取部分PHC 管樁利用磁測(cè)樁法檢測(cè)其樁長(zhǎng)。

試樁1#設(shè)計(jì)持力層為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，在其樁側(cè)0.5m左右位置鉆孔至中風(fēng)化花崗巖，鉆孔結(jié)果見圖4，對(duì)試樁1#進(jìn)行磁測(cè)樁法檢測(cè)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度見圖5。26m 后磁場(chǎng)垂直分量基本平緩無起伏，可判定為背景場(chǎng)，24m 位置為極小值轉(zhuǎn)換為極大值的拐點(diǎn)處，垂直分量梯度曲線在24m 出現(xiàn)極值點(diǎn)，12m 為磁場(chǎng)垂直分量極值轉(zhuǎn)換的拐點(diǎn)，磁場(chǎng)垂直分量梯度曲線12m 處對(duì)應(yīng)一個(gè)極值點(diǎn)，0～2m 磁場(chǎng)垂直分量變化強(qiáng)烈，磁場(chǎng)垂直分量梯度也有相應(yīng)變化，其原因是上部鉆機(jī)、各墻柱及底板鋼筋及樁頂影響，因此可以判定0～2m 為底板至試樁1#樁頂，2～12m 為第一節(jié)樁，12m 為接樁處，24m 為樁底位置。因此，管樁樁長(zhǎng)為22m，不滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)鉆孔結(jié)果，持力層為粉質(zhì)黏土，不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 試樁1#樁側(cè)鉆孔剖面圖

圖5 試樁1#磁測(cè)樁法曲線

4 孔內(nèi)攝像驗(yàn)證

為驗(yàn)證磁測(cè)樁法的結(jié)果，在樁頂鉆孔至26m 左右位置，利用孔內(nèi)攝像對(duì)試樁1#進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)底板與承臺(tái)連接位置、接樁處及樁底位置進(jìn)行觀察（圖6）。

圖6 孔內(nèi)攝像結(jié)果俯視圖

從孔內(nèi)攝像結(jié)果可知，2m 為承臺(tái)與管樁的連接處（圖6b），12m 為第一節(jié)樁與第二節(jié)樁的連接位置（圖6c），24m 為樁底（圖6d），樁底土層為粉質(zhì)黏土，樁底無樁尖，管樁樁長(zhǎng)為22m。

5 結(jié)語

磁測(cè)樁法判定試樁1#的樁長(zhǎng)為22m，接樁處埋深為12m。孔內(nèi)攝像測(cè)得試樁1#的樁長(zhǎng)為22m，接樁處埋深為12m，磁測(cè)樁法與孔內(nèi)攝像結(jié)論一致，驗(yàn)證了磁測(cè)樁法檢測(cè)管樁樁長(zhǎng)結(jié)果是準(zhǔn)確的。

既有建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)中，樁側(cè)鉆孔在不損傷承臺(tái)結(jié)構(gòu)的情況下，可以得到樁周土及持力層的性狀，為下一步分析提供依據(jù)，同時(shí)可為磁測(cè)樁法提供檢測(cè)通道。

既有建筑管樁的樁底位置在磁測(cè)樁法曲線上的特征為：磁場(chǎng)垂直分量曲線由極小值轉(zhuǎn)換為極大值的拐點(diǎn)，其值與背景場(chǎng)的值相近；磁場(chǎng)垂直分量梯度曲線在該位置有一個(gè)極值點(diǎn)。

綜上，采用磁測(cè)樁法檢測(cè)既有建筑的管樁樁長(zhǎng)具有良好的效果，該方法可以準(zhǔn)確地得出管樁樁長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)操作靈活，數(shù)據(jù)處理方便，結(jié)果直觀，不會(huì)對(duì)既有建筑的承臺(tái)及管樁造成破壞，是一種可靠的既有建筑基礎(chǔ)檢測(cè)方法。