基于電磁感應效應的橋梁樁體直徑檢測試驗

摘 要：高壓旋噴混凝土樁是地基防滲和加固工程中的常用手段，樁徑的控制是影響樁身整體質量的關鍵因素之一。傳統檢測技術不能實時、有效地檢測樁徑。為了動態精準地檢測樁體直徑，本文以采用高壓旋噴混凝土樁進行地基加固的工程項目為背景，基于電磁感應技術，通過物理模型試驗分析樁體在不同工況下的電磁感應信號變化趨勢。結果表明，樁徑大小會對感應信號響應造成較大的影響；樁體探測深度與探測方位不會對電磁感應信號響應造成較大影響；采用電磁感應檢測技術能夠獲取樁體施工過程中各方位、各深度相對應的實時漿液擴散范圍和樁徑信息，以達到隱蔽工程可視化的目的，提高施工質量。

關鍵詞：高壓旋噴混凝土樁；地基防滲；電磁感應技術；物理模型試驗；電磁感應信號

中圖分類號：U 448" " " " " " " 文獻標志碼：A

我國地下空間的利用程度逐漸提高，對止水圍護結構的標準也更嚴格。在地下工程中，經常通過高壓旋噴混凝土連續成樁組成基坑止水帷幕來實現地下水阻斷[1-2]。該技術通過高壓噴射混凝土混合物形成一種緊密的混凝土樁墻，可以有效地阻止外界水源進入基坑內部，提高地下結構的防水隔水能力。由于其具有適用范圍廣、環保性高、靈活性好、經濟合理、止水效果好以及噪聲小等優點，因此在工程實踐中得到廣泛應用[3]。但是，在實際樁體施工的過程中，受施工機械、地下水條件以及土層性質等因素的影響，會出現樁體偏位、賦水、樁體斷裂以及樁身部分位置存在孔洞與變徑、夾泥或縮頸等問題，使樁間發生滲水，最終導致止水帷幕失去隔水作用，嚴重影響工程結構的承載性能，存在較大的安全隱患。為了實時、動態以及精準地檢測樁體直徑，本文基于電磁感應技術，通過物理模型試驗，分析了不同探測深度、不同探測方位的電磁感應信號變化規律，為類似工程提供借鑒。

1 檢測技術原理和信息處理方式

1.1 電磁感應探測原理

以電磁感應原理為基礎，與瞬變電磁法相結合的人工源電磁探測法為電磁感應探測技術。該技術的具體實現方法是通過接地線源或不接地回線朝地下產生1個電磁場，使地下導體形成渦旋電流；渦旋電流電磁場的間隙內會再次形成一個磁場。當第一個磁場消失時，第二個磁場不會馬上消失。利用接地電極或線圈對二次磁場進行觀測，同時分析時間與磁場間的關系，得到導體的空間形態電性分布結構。這種探測技術具有靈敏度高、分辨率高以及受地質體影響小等特點，因此，其廣泛應用在工程領域中。在工程中經常采用電磁感應探測技術檢測樁的具體情況，例如樁身是否完整、樁身信息變化等，當導體電阻率不同時，其表現的電磁感應響應信號規律也不同。通過分析被監測體電磁感應信號的變化情況來達到動態、實時監測隱蔽工程的目的。

1.2 檢測信號處理理論

脈沖渦流檢測法（PEC檢測方法）是一種無損檢測方法，其用于檢測金屬材料或構件的內部缺陷。基于電磁感應原理，向被檢測材料或構件施加一個交變的磁場，使其產生渦流。然后根據渦流的分布和變化來判斷內部缺陷的位置和大小。該研究通過該方法來處理和分析獲取的檢測信號。

2 樁徑檢測模型試驗

權莊河大橋工程位于濟南市東部，起自歷城區彩石街道規劃春暉路，向東至大東環昌家莊互通順接章丘南環路，跨越歷城、高新和章丘三區，全長9.015km，規劃為城市主干路，紅線寬37m。場地內地質復雜，存在軟弱地層和砂土層，針對該項目地質條件復雜的情況，為保證基礎穩定并保障安全，采用高壓旋噴混凝土樁對地基進行加固。本文以該高壓旋噴混凝土樁為研究對象，對其進行室內試驗。

2.1 模型樁的制作

預制3種不同直徑的獨立模型樁，并在樁體中心部位留出1個孔道洞，洞口直徑100mm，用于安裝電磁儀探測管，模型樁的養護時間為3d。3種直徑樁分別定義如下：1號樁（D=400mm）、2號樁（D=600mm）、3號樁（D=800mm）、樁長均為2m。模型樁所用混凝土材料配合比為鐵磁性粉狀易磁材料：普通硅酸鹽水泥∶砂土=2kg∶180kg∶600kg，注意在配制的過程中要保證易磁材料均勻分布。

2.2 試驗方案

這次共制定2種檢測方案，檢測信號的儀器為六通道巷孔瞬變電磁儀，圖1為模型樁示意圖。具體的2種方案如下：保持探測方位不變，以探測深度為變量，具體步驟為將正東方向（方位A）設置為初始探測方向，當試驗時，首先將探頭1號通道對準該方向，即對準方位A，其次沿著逆時針方向連續旋轉5次探頭，旋轉角度為60°，分別標記為方位B～F，最后每旋轉一次后采集一次電磁感應信號。保持探測深度不變，以探測方位為變量，具體步驟為起始深度（0mm）設置為模型樁底面向上500mm的位置，以這個部位為基礎分別向上垂直提升探測管100mm，整個過程共提升6次，每次提升后對電磁感應信號進行采集，總提升高度為100mm～600mm。

3 結果分析

采用PEC信號處理法對最初獲取的信號進行去噪處理和取對數處理，除去背景值和干擾，并對信號特征進行放大。對曲線形態進行分析后，可知當前期條件不同時的電磁感應響應曲線大致相同，主要在后期階段才出現了和試驗條件有關的特征。為了對比當試驗條件不同時，信號的差異和響應特征，提取后期分叉段信號，如圖2所示。

3.1 探測方位的影響分析

3種直徑模型樁在方案1中A、C、E探測方位的信號響應比較結果如圖2（a）～圖2（f）所示。

從圖2（a）～圖2（c）中能夠看出，從1號樁至3號樁，分叉段信號幅值逐漸增加，即電磁感應強度降低速度會隨著樁徑的減少而變緩。當制備樁所用的混凝土配合比一致時，樁的直徑越小，其中所含有的易磁材料量就越小。因此小直徑樁的電阻率也就越大，通過電磁感應效應對樁進行檢測時，電磁感應強度就呈現速度較快的持續衰減；與此同理能夠得出，大直徑樁的電磁感應強度表現速度較慢持續衰減。從圖2（d）～圖2（f）中能夠得到，3種直徑樁在不同檢測方位下的分叉段曲線變化趨勢基本一致，其中，2號樁的曲線分叉段分散程度大于1號樁和3號樁，2號樁B和D的電磁感應曲線分布較為分散，其余4個方位的曲線較為集中。在模型樁樁徑相同而探測方位不同時的信號曲線之間并未表現出與探測方位有關的響應特征。在理想條件下，樁體中的鐵磁性易磁材料分布均勻，各方位的易磁材料含量基本一致，因此，電阻率也大致相同，不會對電磁感應強度的降低速度造成影響。導致各探測方位電磁感應曲線存在差異的原因是檢測儀器未調試精準、儀器不穩定以及易磁材料分布不均勻等。

根據上述分析可知，在樁體中均勻加入易磁材料后，隨著樁徑增加，其電磁感應強度降低速度逐漸降低；樁體電磁感應信號響應不會受到探測方位較大的影響。因此，當工程中旋噴成樁時，能夠通過同一旋噴360°、噴射深度相同過程里檢測信號的變化情況來得到不同方位的具體樁徑信息，判斷樁身不同深度時的漿液擴散范圍、橫截面的半徑（直徑）的均一度，對旋噴成樁的效果進行評價。

3.2 探測深度的影響分析

對3種直徑模型樁在方案2600mm、400mm和200mm探測深度的信號響應進行比較。結果表明，從1號模型樁至3號模型樁，信號幅值逐漸增加；當600mm和300mm探測深度時，信號曲線分叉幅度較大。隨著模型樁直徑增加，其電磁感應強度降低速度逐漸減少且樁徑大小會對感應信號響應造成較大的影響。

對方案2中3種直徑模型樁在200mm、300mm、400mm、500mm以及600mm探測深度下的信號響應進行比較，結果表明，3種直徑模型樁在各探測深度的電磁感應響應曲線變化趨勢基本一致，同時分布比較集中；同樣的，當樁徑相同時，而探測深度不同時的信號曲線間并未表現出與探測方位有關的響應特征。導致這種現象的原因是在理想條件下，鐵磁性易磁材料不會受到其自重的影響而均勻分布在樁體中，易磁材料在樁體各深度處的含量基本一致。因此，電阻率也大致相同，不會對電磁感應強度的降低速度造成較大影響。導致各探測深度下電磁感應曲線存在差異的原因是在試驗場地的干擾、人工制樁出現誤差以及儀器不穩定等。通過分析可知，樁體電磁感應信號響應不會受到探測深度的影響。同時，結合探測方位對樁體電磁感應信號響應不會產生較大影響的分析結果，當進行旋噴成樁施工時，可對電磁感應探頭進行改造，并將其安裝在噴嘴下方，在噴嘴動態螺旋上升的過程中完成樁體電磁波信號的收集工作，能夠得到成樁過程里不同方位（360°）、不同深度（由下而上）下動態、實時的漿液擴散范圍和樁徑信息，在隱蔽工程中良好地運用電磁感應技術，將難監測、難控制的隱蔽工程可視化，提高其施工質量和效率。

4 結論

為了在高壓旋噴樁施工過程中及時得到樁徑信息并進行控制，本文以某采用高壓旋噴混凝土樁地基加固工程為例，通過設置不同樁徑、不同探測方位以及不同探測深度對電磁感應技術的模型樁進行試驗，主要得到以下2個結論：1）通過物理模型試驗驗證了電磁感應技術在樁徑檢測方面有較好的效果，為高壓旋噴樁樁徑的檢測開拓了思路。當成樁時將電磁感應探頭裝于噴嘴下方部位，隨著噴嘴動態螺旋上升，能夠得到成樁過程里不同方位（360°）、不同深度（由下而上）下動態、實時的漿液擴散范圍和樁徑信息，良好運用隱蔽工程中電磁感應技術，將難監測、難控制的隱蔽工程可視化，提高施工質量和效率。2）隨著模型樁直徑增加，電磁感應強度降低速度逐漸變緩，樁徑大小會對感應信號響應造成較大的影響；在模型樁樁徑相同、探測方位不同時的信號曲線之間并未表現與探測方位有關的響應特征；3種直徑模型樁在各探測深度下的電磁感應響應曲線變化趨勢基本一致，同時分布比較集中；同樣的，當樁徑相同、探測深度不同時的信號曲線間并未表現出和探測方位有關的響應特征。

參考文獻

[1]董浩.大壩防滲加固中高壓旋噴樁應用效果研究[J].水利科技與經濟，2023，29（6）：49-53，63.

[2]程亮.復雜地質條件下的高壓旋噴樁質量控制要點[J].建設監理，2023（6）：94-97.

[3]庫曉暉.地鐵項目富水砂層高壓旋噴樁技術應用研究[J].住宅產業，2023（5）：90-93.