CN103669426A - 灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法，包括：在灌注桩内或灌注桩周围打一个平行于桩身中心线的钻孔；安装调试好检测用的仪器设备，将仪器设备的井中探头放入钻孔中，并与主机连接；打开主机，按0.20-0.50m范围内选好点距作为不同深度的检测点，由上往下或由下往上依次测量二次电磁场的感应电动势；将测量的数据从主机中导入电脑中进行数据处理；通过软件处理后的数据形成多道感应电动势-深度曲线剖面图，据此判定钢筋笼顶端、底端位置和钢筋笼的长度，然后与设计施工的钢筋笼长度进行比较，计算误差，判断钢筋笼是否符合设计要求。本发明检测方法精度高、分辨能力强，检测工期短，检测成本低。

Description

灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法

技术领域

本发明涉及土木工程建筑物基础领域，具体涉及一种灌注桩钢筋笼长度井中进行的瞬变电磁检测方法。

背景技术

广东省是全国高速公路最为发达省份，目前已通车高速公路里程将近5000km。广东历来是全国的桥梁大省，桥梁所占比重非常大，随着高速公路路网密度的增大、征地拆迁难度的增加，桥梁所占的比例将会越来越大，如目前个别高速公路项目桥梁所占的比重已高达85％，同时由于预制梁板施工方便、经济实用，小跨径桥梁被广泛应用于工程实践中，作为桥梁基础钢筋笼灌注桩被大量采用。

钢筋笼灌注桩具有承载力高、适应性强等优点，是当前公路桥梁基础工程中最常用的结构型式。灌注桩的钢筋笼通常由主筋、加强筋、箍筋组成，用钢量较大。但由于灌注桩通常在地下或水下，属隐蔽工程。施工过程中，钢筋笼偷工减料现象时有发生，其中又以钢筋笼长度比设计要求缩短较为常见，严重影响了灌注桩的施工质量和结构安全，并对桥梁营运与人民生命财产安全构成潜在威胁。因此，确保钢筋笼灌注桩满足设计要求至关重要，而如何对成桩后的钢筋笼长度快速准确地进行检验是当前土木工程界面临的一大难题。

一般来说，检验成桩后钢筋笼实际埋设长度最直接的办法是开挖验证。但是，对于桩长达数十米甚至上百米，桩径1m到2m以上的混凝土钻孔灌注桩来说，这种深部开挖验证几乎是不可能的。国内外专家学者鉴于钢筋笼与混凝土、桩周岩土之间物性、电性、磁性等方面差异，提出利用上述物性差异进行相关方法无损检测钢筋笼长度，防患于未然。

鉴于钢筋笼长度检测工作对灌注桩施工质量控制意义重大，因而引起国内许多相关部门与单位的重视。江苏与浙江两省的交通运输管理部门专门就此设立了科研项目，并列入省交通科学研究计划资助项目。以南京大学、同济大学为主的科研院所及浙江省地球物理地球化学勘查院、江苏华东建设基础工程总公司、嘉兴市交通投资集团有限公司、江苏华东建设基础工程总公司、华东有色地质勘查局等相关单位也都开展了相关的理论与应用研究，取得了一些积极的科研成果。2007年，江苏省发布工程建设标准《灌注桩钢筋笼长度检测技术规程》，进一步加大了钢筋笼长度检测技术的推广应用力度。

目前，以充电法和磁测井法进行灌注桩钢筋笼长度检测已取得大多数研究者的认可，其有效性也在一些工程实际中得到检验。

但是，钢筋笼长度无损检测技术的理论基础是地球物理理论，这些理论还不完善，使数据的解释变得较为困难，甚至导致错误的判定结果。因此，无论是充电法还是磁测井法在灌注桩钢筋笼长度检测技术加强理论研究，在具体应用过程中，仍有一些问题亟待解决。如在有效磁倾角为正或为负时其曲线响应特征没有给出定论，在不同地磁背景中对测试数据都会产生一定的影响，导致实测数据的解释出现误差甚至错误。另一方面，如何提高实测信号的信噪比、提高数据解释的精准度与可靠性，也是值得进一步研究的课题之一。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是现有钢筋笼长度检测方法的实测数据的解释出现误差甚至错误和需要提高数据解释的精准度与可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了一种灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法，包括：

第一步，在灌注桩内或灌注桩周围打一个平行桩身中心线的钻孔；

第二步，安装调试好检测用的仪器设备，将仪器设备的井中探头放入钻孔中，并与主机连接；

第三步，打开主机，按0.20-0.50m范围内选好点距作为不同深度的检测点，由上往下或由下往上依次测量二次电磁场的感应电动势；

第四步，将测量的数据从主机中导入电脑中进行数据处理；

第五步，通过软件处理后的数据形成多道感应电动势-深度曲线剖面图，据此判定钢筋笼顶端、底端位置和钢筋笼的长度，然后与设计施工的钢筋笼长度进行比较，计算误差，判断钢筋笼是否符合设计要求。

在本发明的一较佳实施例中，所述多道感应电动势-深度振幅曲线剖面图由把不同深度的检测点测得的同一延时感应电动势连接起来组成。

在本发明的一较佳实施例中，所述井中探头形成井中偶极装置，所述主机为IGGETEM型瞬变电磁仪。

在本发明的一较佳实施例中，所述的井中偶极装置包括发射线框和接收线框，发射线框和接收线框绕制在同一轴上形成井中探头，发射线框和接收线框的线圈均500匝以上，发射线框和接收线框中心点之间相距0.2m，两线框中心点之间的中点作为测点。

在本发明的一较佳实施例中，钻孔为灌注桩的抽芯孔或桩外孔，当钻孔位置在灌注桩外时，钻孔离桩边距离小于等于0.8m，钻孔的孔径大于等于95mm，孔深在钢筋笼底3米以下，钻孔形成后在钻孔中放置PVC管。

在本发明的一较佳实施例中，对采集的原始数据进行平滑处理，去掉在原始数据中的噪音，然后输出多道感应电动势-深度曲线剖面图。

在本发明的一较佳实施例中，在多道感应电动势-深度曲线剖面图中，上、下两端峰值对应点为钢筋笼顶、底端位置，顶、底端距离为钢筋笼长度，然后与设计施工的钢筋笼长度相比较，如果检测的长度短了，说明施工的钢筋笼长度不足，如果严重不足不符合设计施工规范要求，判定灌注桩钢筋笼有质量问题。

在本发明的一较佳实施例中，所述井中探头直径小于等于90mm，包括发射线框和接收线框，发射线框和接收线框的线圈均在500匝以上并绕在同一轴上予以固定，发射线框和接收线框的中心点的距离为0.2m，形成偶极装置，两线框中心点之间的中点作为测量记录点。

相较于现有技术，本发明的灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法具有如下优点：

(1)本发明灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法检测灌注桩钢筋笼长度的精度高、分辨能力强，一般不会出现与目的物无关的假异常，不会导致错误的解释结果；

(2)检测工期短；

(3)检测设备投资少，检测费用低；

(4)感应电动势是在钢筋笼中产生的二次电磁场，是检测目标物产生的二次电磁场，其异常明显，具有直观性与钢筋笼对应关系明确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法的检测现场装置示意图；

图2是广珠西线小榄快线匝道桥29a-4-2#号桩钢筋笼长度井中瞬变电磁法检测结果图；

图3是太澳高速公路新栗大桥0-1#桩钢筋笼长度磁测井法曲线图与井中瞬变电磁法检测结果图；

图4是云罗高速公路新栗大桥右6-F#桩钢筋笼长度磁测井法曲线图与井中瞬变电磁法检测结果图；

图5是广州东风日产客户服务中心大楼ZK31桩钢筋笼长度磁测井法曲线图与井中瞬变电磁法检测结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

为了能解决复杂情况下灌注桩钢筋笼长度的检测问题，针对充电法和磁测井法两种钢筋笼长度检测方法，结合桥梁建设工程的实际，在现场数据采集方法、数据处理手段、成果数据判定准则等方面开展更深入细致的研究，在灌注桩钢筋笼长度检测技术应用研究中，本发明提出了井中瞬变电磁检测方法，其具有电磁场的空间性，具有精度高、分辨能力强和易于推广应用等优点，创新性地利用这种方法用于灌注桩钢筋笼长度检测。

本发明的灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法可以使检测结果更客观、准确，进而有效遏制灌注桩施工中钢筋笼的偷工减料行为，确保灌注桩的施工质量，保证灌注桩具有较高的长期性能。由此，可以消除公路与桥梁建设工程的安全隐患，避免因此导致的国家重大经济损失及人民生命财产损失，具有显著的社会经济效益，不仅意义重大，而且研究成果推广应用前景广阔。

一、技术原理：

根据电磁现象，磁源中的电流突然阶跃下降为零时，在其周围产生急剧变化的磁场和电场，急剧变化的磁场是形成介质中涡流的激发源，它以两种途径传播到介质中：第一种途径是以光速c的电磁波，从空气直接传播到介质点，在离场源足够远的地方，这种一次磁场为不均匀平面波，垂直介质传播；第二种途径是电磁波的能量直接从场源所在处传播到介质，它激发的电流，似“烟圈”那样随时间推移逐步扩散到介质的各处。

在场的传播初期，第一种途径是瞬间建立，而第二种途径由于在传播中受介质阻抗的作用，建立时间相对较迟，故这期间两种传播途径的场在时间上是分开的。随后，这两种场互相叠加在一起，到后来，第一种传播途径的电磁场衰减很快可忽略不计，第二种传播途径的电磁场衰减缓慢，激励介质(良导体)产生涡流，感应生成二次电磁场。

二次电磁场的晚期信号的近似表达式为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{{\mathrm{\μ}}_0}^{5/2}\mathrm{Mq}}{20\sqrt{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ρ}}^{3/2}{t}^{5/2}}$ (式1)

其中μ。为磁导率，M为发送磁矩，q为接收线圈有效面积，ρ为大地模型的平均电阻率，t为时间，ε为感应电动势。

从式1可以看出，ε与ρ^3/2、t^5/2成反比，当地下地质体的导电性越好，感抗便越大，二次电磁场衰减越慢，维持时间越长；反之，当地下地质体的导电性越差，感抗便越小，二次电磁场衰减越快，维持时间越短。

由于灌注桩中的钢筋笼是良导体，在脉冲电流激励下产生涡流，感应生成二次电磁场(物理参数为感应电动势，符号ε)在钢筋笼内或旁侧出现ε高值异常，在钢筋笼端部出现峰值，但随着远离钢筋笼端点ε曲线急速衰减。ε峰值大小与h/L比值有关，其中h为测点与钢筋笼的距离、L为钢筋笼的长度，表明离钢筋笼越近，ε强度越大，其峰值与钢筋笼端点对应愈显著。基于这种原理，应用井(孔)中测得的ε曲线上、下两端的峰值点确定灌注桩钢筋笼的端点位置，其上、下端点距离即为钢筋笼的长度，这种方法称之为双峰法。

二、测量仪器：

本发明灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法的测量仪器包括瞬变电磁仪和井中探头。所述瞬变电磁仪可以由地面用的IGGETEM型瞬变电磁仪改装而成，所述并中探头则进行专项设计制造。例如，所述并中探头直径小于等于90mm，其包括发射线框(Tx)和接收线框(Rx)，发射线框和接收线框的线圈均在500匝以上并绕在同一轴上予以固定，两线框中心点的距离设计为0.2m，形成偶极装置，两线框中心点之间的中点作为测量记录点。

其中，测量仪器应该符合要求：发射电压12-24V，发射电流＞2A，仪器噪声≤0.2μV，动态范围≥158dB，具有实时显示深度-多道感应电动势曲线功能。配套的井中探头和电缆应该符合要求：适应孔斜0-20°，钻孔深＞L’+3.0m，其中L’为柱长，耐压能力满足要求。

三、现场检测步骤：

请参阅图1，图1为本发明灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法的检测现场装置示意图，其中，探头T分别与瞬变电磁仪的发射插孔A和接收插孔B电性连接。本发明灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法包括：

第一步，在灌注桩内或灌注桩周围打一个平行于桩身中心线的钻孔；

第二步，安装调试好检测用的仪器设备，将仪器设备的井中探头放入钻孔中，并与主机连接；

第三步，打开主机，按0.20-0.50m范围内选好点距作为不同深度的检测点，由上往下或由下往上依次测量二次电磁场的感应电动势；

第四步，将测量的数据从主机中导入电脑中进行数据处理；

第五步，通过软件处理后的数据形成多道感应电动势-深度曲线剖面图，据此判定钢筋笼顶端、底端位置和钢筋笼的长度，然后与设计施工的钢筋笼长度进行比较，计算误差，判断钢筋笼是否符合设计要求。

具体的，第一步中的钻孔应符合下列要求：

(1)钻孔中心线宜平行于灌注桩的桩身中心线，当钻孔位置在灌注桩外时，离灌注桩的桩边距离宜小于等于0.8m；

(2)钻孔内径大于等于95mm，而且应该钻至钢筋笼底3m以下；

(3)当钻孔周围存在软弱土层时，为了防止塌孔，宜在钻孔中设置PVC管，而且PVC管内径应大于等于95mm。

还有，在检测前应检查钻孔或PVC管是否畅通，以保证检测工作顺利进行。

此外，现场检测步骤包括：

(1)将井中探头放入钻孔中，以10-50cm之间选择采样间距，从下往上或从上往下进行感应电动势测量，并存储数据；

(2)根据感应电动势衰减曲线(ε-t)及异常幅度初步判断钢筋笼底端位置，如有必要可加密测量；

(3)当发现钢筋笼长度与设计施工长度不符合时，应进行复测，进一步确定钢筋笼底端位置。

四、对检测数据进行分析与判定：

(1)绘制钻孔中各测点的多测道感应电动势-深度曲线剖面图；

(2)按照如下方法判定钢筋笼底端位置和钢筋笼长度：

根据检测的多测道感应电动势-深度曲线剖面图(ε-h)，对于双峰状异常，选取下部感应电动势峰值点确定灌注桩钢筋笼底端位置(本发明中简称为TEM双峰距离法)；对于宽峰状异常，用宽峰状异常曲线拐点(梯度极值点)确定钢筋笼底端位置(本发明中简称为TEM宽峰拐点法)；并据此确定灌注桩钢筋笼长度。将钢筋笼检测的长度与设计施工的长度相比较，如果检测的长度短了，说明施工的长度不足，如果严重不足，不符合规范要求，说明存在质量问题。如果检测的长度与设计施工的长度相差不多，符合规范要求，说明施工质量好。利用本发明灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法检测钢筋笼长度的绝对误差可以达到小于1米；

(3)如果因为噪声原因造成拐点或极值点难于准确读取的情况，可对曲线数据进行3点或5点平滑去噪处理后再判别。

五、实例：

1、为了验证本发明灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法的有效性，选择广珠西线一标的小榄快线LK21+102.5匝道桥的29a-4-2#号桩进行检测，该桩设计施工的钢筋笼长度为19.8m。检测前在桩内打一个平行于桩身的钻孔，孔深为28.1m。检测时按本发明所述的检测方法进行钻孔中感应电动势测量，获得钻孔中各测点的多道感应电动势-深度曲线剖面图(ε-h)，如图2所示。由图2可知，在钢筋笼部位有明显的ε高值异常，在下部出现峰值异常，随后急速衰减，该峰值异常位置位于孔深19.8m，确定为钢筋笼下端位置。

钢筋笼从孔口至下面端部长度为19.8m，与实际相符合，其中：孔口尚有外露钢筋，未测量，上部曲线未出现峰值点。

2、为进一步检验该方法对灌注桩钢筋笼长度检测的有效性和可靠性，在中山、罗定、广州等不同工地采用井中瞬变电磁法和磁测井法进行综合测量。太澳高速公路(广珠西线三期)0-1#、云罗高速公路右6-F#、广州东风日产客户服务中心大楼ZK31灌注桩钢筋笼长度检测结果：磁测井法以磁异常拐点法、梯度极值法确定钢筋笼的长度，井中瞬变电磁法以ε峰值法或宽峰拐点法确定灌注桩钢筋笼长度，两种方法的结果基本一致；如表1所示，太澳高速公路0-1#桩精度为±0.05m(结合参阅图3)，云罗高速公路右6-F#桩测量精度为±0.25m(结合参阅图4)，东风日产客户服务中心大楼ZK31测量精度为0.10m(结合参阅图5，检测的钢筋笼长度与设计施工长度相比较)。

表1磁测井法与井中瞬变电磁法检测结果对照比较实例

表1中，探测钢筋笼长度(合计)：磁测孔口至底端的钢筋笼长度与孔口以上出露的钢筋笼长度之和，钢筋笼设计施工与探测长度之差：钢筋笼设计施工长度减去探测长度，正数表示探测的长度比设计施工的短，负数表示探测的长度比设计施工的长。

根据以上不同地区检测结果，表明本发明灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法用来测定灌注桩钢筋笼长度是有效的，方法可靠、准确。

本发明灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法与现有的充电法、磁测井法相比，具有如下优点：

(1)本发明灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法检测灌注桩钢筋笼长度的精度高、分辨能力强，一般不会出现与目的物无关的假异常，不会导致错误的解释结果；

(2)检测工期短；

(3)检测设备投资少，检测费用低；

(4)感应电动势是在钢筋笼中产生的二次电磁场，是检测目标物产生的二次电磁场，其异常明显，具有直观性与钢筋笼对应关系明确。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法，其特征在于，包括：

第一步，在灌注桩内或灌注桩周围打一个平行于桩身中心线的钻孔；

第二步，安装调试好检测用的仪器设备，将仪器设备的井中探头放入钻孔中，并与主机连接；

第三步，打开主机，按0.20-0.50m范围内选好点距作为不同深度的检测点，由上往下或由下往上依次测量二次电磁场的感应电动势；

第四步，将测量的数据从主机中导入电脑中进行数据处理；

第五步，通过软件处理后的数据形成多道感应电动势-深度曲线剖面图，据此判定钢筋笼顶端、底端位置和钢筋笼的长度，然后与设计施工的钢筋笼长度进行比较，计算误差，判断钢筋笼是否符合设计要求。

2.根据权利要求1所述的灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法，其特征在于，所述多道感应电动势-深度振幅曲线剖面图由把不同深度的检测点测得的同一延时感应电动势连接起来组成。

3.根据权利要求1所述的灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法，其特征在于，所述井中探头形成井中偶极装置，所述主机为IGGETEM型瞬变电磁仪。

4.根据权利要求3所述的灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法，其特征在于，所述的井中偶极装置包括发射线框和接收线框，发射线框和接收线框绕制在同一轴上形成井中探头，发射线框和接收线框的线圈均500匝以上，发射线框和接收线框中心点之间相距0.2m，两线框中心点之间的中点作为测点。

5.根据权利要求1所述的灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法，其特征在于，钻孔为灌注桩的抽芯孔或桩外孔，当钻孔位置在灌注桩外时，钻孔离桩边距离小于等于0.8m，钻孔的孔径大于等于95mm，孔深在钢筋笼底3米以下，钻孔形成后在钻孔中放置PVC管。

6.根据权利要求2所述的灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法，其特征在于，对采集的原始数据进行平滑处理，去掉在原始数据中的噪音，然后输出多道感应电动势-深度曲线剖面图。

7.根据权利要求2所述的灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法，在多道感应电动势-深度曲线剖面图中，上、下两端峰值对应点为钢筋笼顶、底端位置，顶、底端距离为钢筋笼长度，然后与设计施工的钢筋笼长度相比较，如果检测的长度短了，说明施工的钢筋笼长度不足，如果严重不足不符合设计施工规范要求，判定灌注桩钢筋笼有质量问题。

8.根据权利要求1所述的灌注桩钢筋笼长度井中瞬变电磁检测方法，其特征在于，所述井中探头直径小于等于90mm，包括发射线框和接收线框，发射线框和接收线框的线圈均在500匝以上并绕在同一轴上予以固定，发射线框和接收线框的中心点的距离为0.2m，形成偶极装置，两线框中心点之间的中点作为测量记录点。

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