对某建筑物桩基检测技术的探究
摘 要：桩基是建筑的基础，由于桩基是地下施工，受施工环境的影响可能导致桩体本身出现离析、断桩等现象。桩体如果出现问题就会影响桩基的整体质量，对建筑的基础埋下一定的安全隐患，因此对桩基进行检测验收是保证其质量的有效措施。本文主要介绍了对其长度和进入直接承受压力土层的深度进行检测的电磁波技术。
关键词：层析成像;检测技术;桩基工程
既有建筑物随着时间的推移，外界环境的影响，不同程度上都存在一定的沉降或者变形，不仅影响整体的美观而且还对人们的安全有很大的影响，因此，为了保证建筑物的整体质量以及延长使用年限，需要对其基础进行处理、加固，尤其是作为建筑主要承载力的桩基。由于桩基所承载的建筑压力比较大，因此施工前一定要对其现状进行检测，尤其是桩长以及进入直接承受压力土层的深度。为了准确确定桩长以及进入直接承受压力土层的深度，需要在基桩的两侧进行地质钻孔，根据岩芯进行地质分层，并划分风化层，然后使用井间电磁波层析成像技术进行检测。采用该技术能够保证地基既有的状态，不会对既有建筑造成不良影响。
一、电磁波层析成像技术原理
电磁波层析成像技术原理，主要的理论基础是电磁场和天线理论，具体如图1所示。
图1 电磁波层析成像工作原理
在光学射线近似条件下，电磁波在有耗介质中衰减幅值的传输方程可表示为：
(1)
式中，E0为偶极子天线的初始辐射常数，表示为：
(2)
偶极天线的方向性因子为：
(3)
对于常用的半波天线，方向性因子为：
(4)
在接收点放置一相同天线，当两钻孔平行时，场强的观测值为：
(5)
式中：E0为波源初始辐射值;r为发射点到接收点间的路径长;f(θ) 为方向因子;θ为方向角; e为接收天线的等效高度;β为探测区域介质的吸收系数;E为测得的场强的幅值。
吸收系数为：
(6)
吸收系数与岩石物性参数的关系如下式：
(7)
从式(7)可知，吸收系数受介质的电导率σ、介电常数ε、磁导率μ 以及电磁波圆频率ω的影响，所以在一定频率下，吸收系数是地下不同地质体由于其不同的电导率、介电常数、磁导率综合影响的结果。
电磁波层析成像是将射线通过的空间进行网格化，建立如下反演控制方程：
[D][B]=[Y] (8)
式中：D为M×N阶矩阵，M 为观测次数，N 为重建区域的网格个数，D 的元素dij为i次观测中传播路径被j 个网格截得的距离，i=1，2，…，M，j=1，2，…，N; B 为N 维向量，其元素βj为第j 个网格的吸收系数;Y为M 维列向量，其元素yi = ln (E0・fi/Ei/Ri)。fi为第i次观测中天线方向和场矢量方向有关的因子，Ei为第i次观测的场强幅值。
对于桩基础，其材料为钢筋混凝土，它与表层土和基岩在电阻率、介电常数、磁导率方面有显著差异，对电磁波的吸收同样存在明显差异，其吸收系数比其周围岩土体的吸收系数要大得多，这是由于钢筋对电磁波有强烈的吸收作用引起的，在同样间距(间距为3m) 和同样的频率条件下，其电磁波吸收系数是岩土体的5～8倍。表层松散土层与基岩对同一频率的电磁波吸收系数也存在差异。
二、工程概况
本文研究的建筑长108m，宽55m，共3层。设计室内地坪标高321.80m，采用框架结构，桩基础设计荷载约3000kN/桩，共86根桩，桩距9.0m，桩径1200～1800mm，桩承台尺寸1500mm×1500mm×800mm～2100mm×2100mm×800mm。根据地质勘察报告，场地为填方区，填土厚度15～25m，覆盖层最大厚度(填土厚度与原生粉质粘土厚度)近28.5m，其中，填土堆龄时间约1年，结构松散。基岩为泥岩夹砂岩，岩层倾角平缓。
该建筑物桩基础采用旋挖钻机成桩，基础及上部结构施工完毕后，发现部分桩的桩周地面附近逐渐出现圆形开裂，桩附近墙面出现较大裂纹。尤其是60、61、62、74 号桩附近区域( 见图2)，变形特别明显且持续增大。为了控制建筑的变形，对其基础和处理层应进行工程处理。
图2 电磁波层析成像技术工作布置示意图
为了确定工程处理方案，必须查清桩长以及进入直接承受压力土层的深度。在场地上，设计采取了多种物探方法，最终确定采用钻孔电磁波层析成像技术。
三、野外工作方法
电磁波层析技术野外工作时采用定发装置，即发射机先固定不动，接收机每接收一对射线的数据就往下移一点再进行接收，当接收机接收完该剖面的所有数据后，发射机再往下移一点进行发射，如此循环，直到该剖面测试结束。如图1所示。本次电磁波层析成像探测孔布置在工程桩的对角(见图2)，每桩布置2个钻孔，钻孔深度为进入中风化基岩5m，钻孔间距为3m。
电磁波层析成像技术探测工序及应注意的问题：①测量放孔位置和距离时应采用测量仪器准确确定; ②钻探成孔要求孔斜<1%，终孔孔径不小于90mm，对易塌段下导管，保证孔内畅通，孔底沉渣厚度小于20mm，套管采用塑料材料; ③数据采集( 钻孔间)，激发点自孔底开始，发射点间距、接收点间距一般为0. 50 ～1. 0m，发射点与接收点间距不超过3 ～ 15m。首先应作最佳激发、接收条件试验，保证收到波列清晰、首波起跳明显的波形，否则应调节发射点与接收点间距。发射点间距、接收点间距大小确定的依据是保证反演的吸收系数图能准确分辨异常的大小和形态，精度满足要求并能兼顾快速采集数据的要求; ④野外获得的原始波形，应及时进行波形对比、初至判读，当发现采集数据不满足要求时，应及时进行重新采集; ⑤当钻孔距离一定时，应进行天线试验选择。天线选择既要保证收到的波形清晰和起跳明显，又要保证对异常探测精度的要求。天线频率越低传播距离越远，但对探测异常范围要求越大，精度越低。
本工程经现场试验采用参数为： 发射点与接收点间距小于15m，发射点间距0.5m，接收点间距为0. 5m，工作频率为8MHz，野外工作采用定发装置。为了确定场地回填土和基岩的吸收系数，在桩的一侧钻取两个间距为3m 钻孔，采用大间距探测测试岩土层吸收系数。通过试验得知，场地素填土的吸收系数为0.9～2.5，粘土的吸收系数为1.5～2.9，砂岩的.吸收系数为0.9～2.1，泥岩的吸收系数为1.9～3.5。通过桩两侧电磁波探测，孔间距为3m时，有钢筋混凝土段电磁波吸收系数为9.5 ～15.5。
四、资料分析与解释
4.1 典型桩的分析
根据工程桩62号桩和82号桩电磁波层析成像解释成果图(见图3) 可知，有桩段电磁波的吸收系数为9.4～15.1，填土、粘土和砂岩段电磁波吸收系数为0.9～2.5。桩与岩土体的电磁波吸收系数差异明显，钢筋混凝土的吸收系数是岩土体吸收系数的5～8倍;素填土来源于场地周围岩土体，成分复杂，其电磁波吸收系数不均匀;原生粘土厚度较薄，电磁波吸收系数与填土的数值大小无明显差异，而基岩的电磁波系数与填土相比，数值差异小但比较均匀。因此，利用电磁波吸收系数大小可准确划分基桩的长度，利用电磁波系数的均匀性，可大致划分基岩的埋深。
图3 电磁层析成像解释成果
4.2 成果资料统计分析
对场地沉降较大区域的7 根基桩进行了电磁波层析成像探测，从电磁波层析成像探测成果可知，沉降较大的60、61、62、74 号桩的桩长均小于基岩的埋藏深度。分析造成沉降较大原因，是由于场地填土较厚，时间较短，固结沉降对桩产生较大的负摩擦力，且基桩未嵌岩，因此造成桩沉降较大。
电测波层析成像探测解释的桩长与工程桩施工验收时超声波检测的桩长，除60号桩和74号桩外基本一致。经地面高密度电法勘测和孔内测斜工作，发现60号桩施工中发生了桩倾斜、不垂直，74号桩电磁波的探测孔发生倾斜，使得该两根基桩偏出电磁波探测剖面，这是造成这2 根基桩电磁波探测桩长与超声波结果不一致的原因。探测基桩需要靠电磁波层析成像探测孔的地质取样的观察和试验结果才能判断，仅依靠该结果不能准确划分岩土层，当然也不能判断直接承受压力土层的深度。因此，在进行电磁波层析成像探测时，要加强其探测孔的地质钻探成果记录工作。
五、结语
根据建筑7根基桩的电磁波层析成像探测结果，结合探测孔地质钻探资料，得到如下结论：
(1)基桩为钢筋混凝土材料，其电磁波的吸收系数与周围岩土体相比有显著差异，利用电磁波C层析成像技术能够有效探测基桩的桩长。
(2)要准确判断基桩进入承受压力土层的深度，一定要将电磁波所测试的桩长和其地质状况相结合。
(3)要保证电磁波探测的桩长准确有效，须保证电磁波两个探测孔平行，且与基桩大致平行，使基桩在电磁波探测平面内。
(4)本次电磁波工作，对现场电磁波吸收系数采取的是同钻孔间距的试验工作，未对场地的混凝土、钢筋以及岩土体等材料的电磁波吸收系数进行测试研究。建议同行能在这方面加强工作，使电磁波探测技术在既有建筑基础探测中得到广泛推广。
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