對某建筑物樁基檢測技術的探究

　　摘 要：樁基是建筑的基礎，由于樁基是地下施工，受施工環(huán)境的影響可能導致樁體本身出現(xiàn)離析、斷樁等現(xiàn)象。樁體如果出現(xiàn)問題就會影響樁基的整體質(zhì)量，對建筑的基礎埋下一定的安全隱患，因此對樁基進行檢測驗收是保證其質(zhì)量的有效措施。本文主要介紹了對其長度和進入直接承受壓力土層的深度進行檢測的電磁波技術。

　　關鍵詞：層析成像;檢測技術;樁基工程

　　既有建筑物隨著時間的推移，外界環(huán)境的影響，不同程度上都存在一定的沉降或者變形，不僅影響整體的美觀而且還對人們的安全有很大的影響，因此，為了保證建筑物的整體質(zhì)量以及延長使用年限，需要對其基礎進行處理、加固，尤其是作為建筑主要承載力的樁基。由于樁基所承載的建筑壓力比較大，因此施工前一定要對其現(xiàn)狀進行檢測，尤其是樁長以及進入直接承受壓力土層的深度。為了準確確定樁長以及進入直接承受壓力土層的深度，需要在基樁的兩側進行地質(zhì)鉆孔，根據(jù)巖芯進行地質(zhì)分層，并劃分風化層，然后使用井間電磁波層析成像技術進行檢測。采用該技術能夠保證地基既有的狀態(tài)，不會對既有建筑造成不良影響。

　　一、電磁波層析成像技術原理

　　電磁波層析成像技術原理，主要的理論基礎是電磁場和天線理論，具體如圖1所示。

　　圖1 電磁波層析成像工作原理

　　在光學射線近似條件下，電磁波在有耗介質(zhì)中衰減幅值的傳輸方程可表示為：

　　(1)

　　式中，E0為偶極子天線的初始輻射常數(shù)，表示為：

　　(2)

　　偶極天線的方向性因子為：

　　(3)

　　對于常用的半波天線，方向性因子為：

　　(4)

　　在接收點放置一相同天線，當兩鉆孔平行時，場強的觀測值為：

　　(5)

　　式中：E0為波源初始輻射值;r為發(fā)射點到接收點間的路徑長;f(θ) 為方向因子;θ為方向角; e為接收天線的等效高度;β為探測區(qū)域介質(zhì)的吸收系數(shù);E為測得的場強的幅值。

　　吸收系數(shù)為：

　　(6)

　　吸收系數(shù)與巖石物性參數(shù)的關系如下式：

　　(7)

　　從式(7)可知，吸收系數(shù)受介質(zhì)的電導率σ、介電常數(shù)ε、磁導率μ 以及電磁波圓頻率ω的影響，所以在一定頻率下，吸收系數(shù)是地下不同地質(zhì)體由于其不同的電導率、介電常數(shù)、磁導率綜合影響的結果。

　　電磁波層析成像是將射線通過的空間進行網(wǎng)格化，建立如下反演控制方程：

　　[D][B]=[Y] (8)

　　式中：D為M×N階矩陣，M 為觀測次數(shù)，N 為重建區(qū)域的網(wǎng)格個數(shù)，D 的元素dij為i次觀測中傳播路徑被j 個網(wǎng)格截得的距離，i=1，2，…，M，j=1，2，…，N; B 為N 維向量，其元素βj為第j 個網(wǎng)格的吸收系數(shù);Y為M 維列向量，其元素yi = ln (E0・fi/Ei/Ri)。fi為第i次觀測中天線方向和場矢量方向有關的因子，Ei為第i次觀測的場強幅值。

　　對于樁基礎，其材料為鋼筋混凝土，它與表層土和基巖在電阻率、介電常數(shù)、磁導率方面有顯著差異，對電磁波的吸收同樣存在明顯差異，其吸收系數(shù)比其周圍巖土體的吸收系數(shù)要大得多，這是由于鋼筋對電磁波有強烈的吸收作用引起的，在同樣間距(間距為3m) 和同樣的頻率條件下，其電磁波吸收系數(shù)是巖土體的5～8倍。表層松散土層與基巖對同一頻率的電磁波吸收系數(shù)也存在差異。

　　二、工程概況

　　本文研究的建筑長108m，寬55m，共3層。設計室內(nèi)地坪標高321.80m，采用框架結構，樁基礎設計荷載約3000kN/樁，共86根樁，樁距9.0m，樁徑1200～1800mm，樁承臺尺寸1500mm×1500mm×800mm～2100mm×2100mm×800mm。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，場地為填方區(qū)，填土厚度15～25m，覆蓋層最大厚度(填土厚度與原生粉質(zhì)粘土厚度)近28.5m，其中，填土堆齡時間約1年，結構松散。基巖為泥巖夾砂巖，巖層傾角平緩。

　　該建筑物樁基礎采用旋挖鉆機成樁，基礎及上部結構施工完畢后，發(fā)現(xiàn)部分樁的樁周地面附近逐漸出現(xiàn)圓形開裂，樁附近墻面出現(xiàn)較大裂紋。尤其是60、61、62、74 號樁附近區(qū)域( 見圖2)，變形特別明顯且持續(xù)增大。為了控制建筑的變形，對其基礎和處理層應進行工程處理。

　　圖2 電磁波層析成像技術工作布置示意圖

　　為了確定工程處理方案，必須查清樁長以及進入直接承受壓力土層的深度。在場地上，設計采取了多種物探方法，最終確定采用鉆孔電磁波層析成像技術。

　　三、野外工作方法

　　電磁波層析技術野外工作時采用定發(fā)裝置，即發(fā)射機先固定不動，接收機每接收一對射線的數(shù)據(jù)就往下移一點再進行接收，當接收機接收完該剖面的所有數(shù)據(jù)后，發(fā)射機再往下移一點進行發(fā)射，如此循環(huán)，直到該剖面測試結束。如圖1所示。本次電磁波層析成像探測孔布置在工程樁的對角(見圖2)，每樁布置2個鉆孔，鉆孔深度為進入中風化基巖5m，鉆孔間距為3m。

　　電磁波層析成像技術探測工序及應注意的問題：①測量放孔位置和距離時應采用測量儀器準確確定; ②鉆探成孔要求孔斜<1%，終孔孔徑不小于90mm，對易塌段下導管，保證孔內(nèi)暢通，孔底沉渣厚度小于20mm，套管采用塑料材料; ③數(shù)據(jù)采集( 鉆孔間)，激發(fā)點自孔底開始，發(fā)射點間距、接收點間距一般為0. 50 ～1. 0m，發(fā)射點與接收點間距不超過3 ～ 15m。首先應作最佳激發(fā)、接收條件試驗，保證收到波列清晰、首波起跳明顯的波形，否則應調(diào)節(jié)發(fā)射點與接收點間距。發(fā)射點間距、接收點間距大小確定的依據(jù)是保證反演的吸收系數(shù)圖能準確分辨異常的大小和形態(tài)，精度滿足要求并能兼顧快速采集數(shù)據(jù)的要求; ④野外獲得的原始波形，應及時進行波形對比、初至判讀，當發(fā)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)不滿足要求時，應及時進行重新采集; ⑤當鉆孔距離一定時，應進行天線試驗選擇。天線選擇既要保證收到的波形清晰和起跳明顯，又要保證對異常探測精度的要求。天線頻率越低傳播距離越遠，但對探測異常范圍要求越大，精度越低。

　　本工程經(jīng)現(xiàn)場試驗采用參數(shù)為： 發(fā)射點與接收點間距小于15m，發(fā)射點間距0.5m，接收點間距為0. 5m，工作頻率為8MHz，野外工作采用定發(fā)裝置。為了確定場地回填土和基巖的吸收系數(shù)，在樁的一側鉆取兩個間距為3m 鉆孔，采用大間距探測測試巖土層吸收系數(shù)。通過試驗得知，場地素填土的吸收系數(shù)為0.9～2.5，粘土的吸收系數(shù)為1.5～2.9，砂巖的吸收系數(shù)為0.9～2.1，泥巖的吸收系數(shù)為1.9～3.5。通過樁兩側電磁波探測，孔間距為3m時，有鋼筋混凝土段電磁波吸收系數(shù)為9.5 ～15.5。

　　四、資料分析與解釋

　　4.1 典型樁的分析

　　根據(jù)工程樁62號樁和82號樁電磁波層析成像解釋成果圖(見圖3) 可知，有樁段電磁波的吸收系數(shù)為9.4～15.1，填土、粘土和砂巖段電磁波吸收系數(shù)為0.9～2.5。樁與巖土體的電磁波吸收系數(shù)差異明顯，鋼筋混凝土的吸收系數(shù)是巖土體吸收系數(shù)的5～8倍;素填土來源于場地周圍巖土體，成分復雜，其電磁波吸收系數(shù)不均勻;原生粘土厚度較薄，電磁波吸收系數(shù)與填土的數(shù)值大小無明顯差異，而基巖的電磁波系數(shù)與填土相比，數(shù)值差異小但比較均勻。因此，利用電磁波吸收系數(shù)大小可準確劃分基樁的長度，利用電磁波系數(shù)的均勻性，可大致劃分基巖的埋深。

　　圖3 電磁層析成像解釋成果

　　4.2 成果資料統(tǒng)計分析

　　對場地沉降較大區(qū)域的7 根基樁進行了電磁波層析成像探測，從電磁波層析成像探測成果可知，沉降較大的60、61、62、74 號樁的樁長均小于基巖的埋藏深度。分析造成沉降較大原因，是由于場地填土較厚，時間較短，固結沉降對樁產(chǎn)生較大的負摩擦力，且基樁未嵌巖，因此造成樁沉降較大。

　　電測波層析成像探測解釋的樁長與工程樁施工驗收時超聲波檢測的樁長，除60號樁和74號樁外基本一致。經(jīng)地面高密度電法勘測和孔內(nèi)測斜工作，發(fā)現(xiàn)60號樁施工中發(fā)生了樁傾斜、不垂直，74號樁電磁波的探測孔發(fā)生傾斜，使得該兩根基樁偏出電磁波探測剖面，這是造成這2 根基樁電磁波探測樁長與超聲波結果不一致的原因。探測基樁需要靠電磁波層析成像探測孔的地質(zhì)取樣的觀察和試驗結果才能判斷，僅依靠該結果不能準確劃分巖土層，當然也不能判斷直接承受壓力土層的深度。因此，在進行電磁波層析成像探測時，要加強其探測孔的地質(zhì)鉆探成果記錄工作。

　　五、結語

　　根據(jù)建筑7根基樁的電磁波層析成像探測結果，結合探測孔地質(zhì)鉆探資料，得到如下結論：

　　(1)基樁為鋼筋混凝土材料，其電磁波的吸收系數(shù)與周圍巖土體相比有顯著差異，利用電磁波C層析成像技術能夠有效探測基樁的樁長。

　　(2)要準確判斷基樁進入承受壓力土層的深度，一定要將電磁波所測試的樁長和其地質(zhì)狀況相結合。

　　(3)要保證電磁波探測的樁長準確有效，須保證電磁波兩個探測孔平行，且與基樁大致平行，使基樁在電磁波探測平面內(nèi)。

　　(4)本次電磁波工作，對現(xiàn)場電磁波吸收系數(shù)采取的是同鉆孔間距的試驗工作，未對場地的混凝土、鋼筋以及巖土體等材料的電磁波吸收系數(shù)進行測試研究。建議同行能在這方面加強工作，使電磁波探測技術在既有建筑基礎探測中得到廣泛推廣。

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