灌注桩中钢筋笼磁异常特征研究

程小顺

（安徽省地球物理地球化学勘查技术院， 安徽合肥 230001）

灌注桩中钢筋笼磁异常特征研究

程小顺

（安徽省地球物理地球化学勘查技术院， 安徽合肥 230001）

灌注桩中钢筋笼由主筋、加劲筋和箍筋组成。钢筋笼长度随桩长变化，单根钢筋的长度是一定的，为了满足长桩的需要，钢筋笼常常由一节或多节焊接而成。灌注桩中的钢筋笼是一磁性体，在地磁场磁化作用下，在其周围空间分布有磁异常。钢筋笼是一个规则磁性体，本文由重磁位场的泊松公式出发，推导出钢筋笼磁异常表达式，研究了灌注桩中钢筋笼磁异常分布特征。

灌注桩；钢筋笼；磁异常；异常特征研究

0　引言

灌注桩由钢筋混凝土组成，在高层建筑、桥梁等基础中普遍使用。灌注桩中钢筋笼是设计师根据灌注桩的使用目的，按规范要求设计的，一般要考虑水平承载力、弯矩和稳定性等。桩基础一般是隐蔽工程，灌注桩中钢筋笼是否按照设计要求进行施工，对建筑物或构筑物的安全产生影响，如偷工减料，可能使基础功能部分丧失，导致事故发生。

灌注桩中钢筋笼长度是否满足设计要求是业主非常关心的问题。钢筋笼具铁磁性，与周围岩土有明显磁性差异，其周围可形成磁异常［1］。本文针对灌注桩中钢筋笼的特点，对其周围磁异常特征进行探讨，为检测钢筋笼长度工作提供依据。

1　基本原理

灌注桩中钢筋笼由主筋、加劲筋和箍筋组成，是铁磁性物质，在地球磁场磁化下，其周围存在磁异常，通过理论计算可以求出钢筋笼磁异常解析表达式。

1.1磁化强度矢量及其分量关系

磁化强度是矢量，在选定的坐标系下，磁化强度矢量（M）及其分量关系如图1所示。用数学关系表示有：

MX=McosI·cosA′

MY=McosI·sinA′

MZ=MsinI

1.2钢筋笼磁异常表达式

图1　磁化强度矢量及其分量关系Fig.1 Magnitization vector and its components

钢筋笼由多根主筋和箍筋组成，有单节和多节之分。求得单根主筋和箍筋磁异常，通过求和就可以求得钢筋笼磁异常表达式，磁异常表达式只涉及Za和ΔT。

利用泊松公式单根主筋磁异常各分量表达式［2～3］：

根据磁异常各分量，计算单根钢筋ΔT磁异常。

采用右手直角坐标系，以桩中心轴为Z轴，桩顶面中心点为坐标系原点。a：钢筋笼主筋半径， d：箍筋直径，r：钢筋笼半径，li1、li2第i根钢筋顶、底埋深。

1.2.1单根主筋磁异常Zai表达式

通过计算单桩主筋磁异常Zai表达式如下：

1.2.2单一箍筋磁异常表达式

由于箍筋直径d很小，钢筋可以近似延伸很小的主筋代替，其长为2πr/n，宽为d，用2πr/n代替（1）、（2）式中a2，并用微分代替增量，单一箍筋磁异常表达式如下：

1.2.3箍筋产生的磁异常表达式所有箍筋产生的磁异常如下：

1.2.4单节钢筋笼磁异常表达式

设单节钢筋笼由n主筋，k道箍筋组成，单节钢筋笼磁异常表达式为：

1.2.5多节钢筋笼磁异常表达式

多节钢筋笼是有两节或两节以上钢筋笼焊接而成，一般搭接长度5～10倍主筋直径。多节钢筋磁异常由各单节主筋异常和箍筋异常叠加，多节钢筋笼磁异常表达式如下：

2　钢筋笼磁异常特征

2.1单节钢筋笼磁异常特征

根据（3）、（4）式，对单节钢筋笼磁异常进行了计算，结果见图2和图3。模型参数为n=16，k=35，r=0.45m，a=0.01m，d=0.008m。

Za曲线见图2，ΔT曲线见图3，观测孔分别位于钢筋笼的北、南、中、东、西。

图2　单节钢筋笼不同方位观测孔磁异常Za曲线图Fig.2 Magnetic anomaly Za curve for different view holes in one joint cage

图3　单节钢筋笼不同方位观测孔磁异常ΔT曲线Fig.3 Magnetic anomaly ΔT curve for different view holes in one joint cage

从图2、图3可以看出，钢筋笼Za磁异常曲线与ΔT磁异常曲线特征基本一致，在钢筋笼顶端和底端附近都有极值出现，中间磁异常变化比较小；Za磁异常强度较ΔT磁异常强度低；南、北Za磁异常曲线和ΔT磁异常曲线呈镜像对称，东、西、中形态基本一致；钢筋笼外部磁异常强度明显高于钢筋笼内部，底端约2m以下逐渐趋于正常场。

图4　多节钢筋笼不同方位观测孔磁异常Za曲线Fig.4 Magnetic anomaly Za curve for different view holes in more-joint cage

2.2多节钢筋笼磁异常特征

多节钢筋笼和单节钢筋笼磁异常Za特征基本相似，只列出了观测点在正东、正北的磁异常计算结果，见图4。

从图4中可以看出两节钢筋笼（图4（a）、图4（b））中间多了一个极值点，三节钢筋笼（图4（c）、图4（d））中间出现了两个极值点，很明显中间极值点是钢筋笼焊接部位在异常曲线上的反映。

3　钢筋笼磁异常衰减特征

图5　沿正东方向以桩中心（y=0）逐渐增大测孔距离的Za异常曲线Fig.5 Za anomaly curve for ever-increasing hole spacing due eastward from the pile center （y=0）

钢筋笼磁异常观测一般要在孔轴与桩中心轴平行的钻孔进行。钻孔布在何处才能取得满意的结果，需要我们对磁异常衰减特征有个了解。仍然以观测点在正东、正北的磁异常Za计算结果加以探讨。图5是沿着正东方向以桩中心（y=0）逐渐增大测孔距离（y=70cm、100cm、130cm、160cm）的Za异常曲线，表1是正东方向距桩中心不同距离的计算结果；图6是沿着正北方向以桩中心（x=0）逐渐增大测孔距离（x=70cm、100cm、130cm、160cm）的Za异常曲线，表2是正北方向距桩中心不同距离的计算结果。

图6　沿正北方向以桩中心（x=0）逐渐增大测孔距离的Za异常曲线Fig.6 Za anomaly curve for ever-increasing hole spacing due northward from the pile center （x=0）

从图5、图6和表1、表2中可以看出：随观测孔的距离增加，异常值衰减非常快；正北方向距中心距离160cm的磁异常强度峰值仅为距中心距离70cm的磁异常强度的十分之一，这时正东方向磁异常极值点基本消失。

4　磁异常极值点与桩顶、底端关系

钢筋笼磁异常特征值点与桩顶、底端关系非常密切，这也是利用磁异常特征确定钢筋笼长度理论依据。距桩边距离越近极限值对应的标高与钢筋笼顶、底标高越近。图5、图6随观测孔的距离增加，正东方向磁异常极值点向内收缩，直至消失；正北方向磁异常极值点平行上移。以正东方向为例讨论磁异常极值点与桩顶、底端关系，计算结果列如表3。ΔT磁异常曲线特征基本一致，Za磁异常强度较ΔT磁异常强度低；观测孔位置对异常形态有一定影响，南、北磁异常曲线呈镜像对称，东、西、中形态基本一致；在钢筋笼顶端和底端附近都有极值出现，中间磁异常变化比较小；钢筋笼外部磁异常强度明显高于钢筋笼内部，钢筋笼底端约2m以下逐渐趋于正常场。

表1　正东方向异常极值与测点关系Table1 Due eastward anomaly extreme value vs measure point

表2　正北方向异常极值与测点关系Table 2 Due northward anomaly extreme value vs measure point

表3　磁异常极值点与桩顶、底端关系一览表Table 3 Magnetic anomaly extreme value vs pile top， bottom

随观测孔距桩中心距离增加，极值点对应的标高与钢筋笼顶底标高差值越大。距离每增加30cm，极值点对应的标高与钢筋笼顶底标高差值增加约30cm，极值点位置向内收敛。

5　结语

（1） 钢筋笼Za磁异常曲线与

（2） 多节钢筋笼磁异常中间出现极值，极值数量等于钢筋笼节数-1。

（3）磁异常随观测孔距桩中心距离增加，衰减很快，1.6m的磁异常强度约为0.7m磁异常强度的十分之一。

（4）观测孔距桩中心距离0.7m时，正东方向Za磁异常极值点标高与钢筋笼顶底面标高有较好的对应关系，据此可以判定钢筋笼顶底面标高计算钢筋笼长度。

［1］蒲晓轩，董平，孙斌，等.灌注桩钢筋笼磁异常定量计算［J］.物探与化探，2009，33（4）：481～485.

［2］管志宁.地磁场与磁力勘探［M］.北京：地质出版社，2005.

［3］地面磁测资料解释推断手册编写组.地面磁测资料解释推断手册［S］.北京：地质出版社，1979.

STUDY ON MAGNETIC ANOMALY OF STEEL REINFORCEMENT CAGE IN BORED CONCRETE PILE

CHEN Xiao-shun
（Institute of Geophysical and Geochemical Survey Technology of Anhui Province， Hefei， Anhui 230001， Chin）

Steel reinforcement cage in bored concrete pile consists of main reinforcement， stiffener and hooping. The cage changes with the length of pile， a single bar has a fixed length， so the cage is usually welded up with one or more joints of sections to meet the need of a long pile. The cage is a magnetic body showing magnetic anomaly under the action of geomagnetic field. Steel reinforcement cage is a regular magnetic body. This paper，starting with the Poisson formula for gravity and magnetic potential field， deducted magnetic anomaly formula for the cage and analyzed distribution features of the cage in pile.

bored concrete pile； steel reinforcement cage； magnetic anomaly； anomalous feature study

1005－6157（2016）03－0217－5

TU437.14

A

2015-11-27

程小顺（1962－ ），男，安徽怀宁人，硕士，高级工程师，现从事地球物理地球化学勘查工作。