磁测桩法在既有建筑管桩基础检测中的应用研究

郑思伟

（1 福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建福州 350108；
2 福建省绿色建筑技术重点实验室，福建福州 350108）

随着我国城市化进程的推进，房建项目从增量市场向存量市场转变，作为设计及工程验收依据的桩基检测项目将更多地转变成为出现问题的房建项目鉴定提供依据的既有建筑地基基础检测。桩基作为上部结构与持力层之间的桥梁，一旦出现问题，将导致基础不均匀沉降，上部建筑结构失稳[1]，而上部结构出现问题将威胁人民生命财产安全，常常造成巨大的社会影响。

桩基工程是埋藏于地下的隐蔽工程，在验收时主要检测其承载力及桩身完整性，低应变法检测作为桩身完整性检测的普查方法，其局限性在于检测长桩时基本没有桩底反射[2]，因此在验收时，基桩的桩长是一个容易被忽略的因素，而桩长不足时，会使得上部结构荷载未传导到持力层，因此产生工程事故。特别在上部结构已经形成的既有建筑的桩基工程中，其桩长检测尤为困难，桩顶与承台及底板形成一个整体，无法用传统的低应变法或者高应变法进行检测。

目前列入国家标准的既有建筑基桩检测方法除了低应变法检测还有旁孔透射法及磁测桩法[3]，类似低应变法，旁孔透射法的激振点在桩顶或承台，而既有建筑工程现场并不具备检测条件，而且旁孔透射法的检测结果受桩与测试孔之间的土层性质影响，特别是基桩进入坚硬的持力层时，往往无法得到准确的桩长，同时旁孔透射法对测试孔的要求比较高，护管及孔壁需耦合良好[4]。管桩的预应力筋每节为通长配置，磁测桩法检测基桩钢筋笼长度可以得到管桩桩长，在桩侧和桩顶均可钻孔，其检测通道无需耦合剂，不受土层及地下水影响。本文结合工程实例证明磁测桩法检测既有建筑基桩钢筋笼长度得到管桩桩长的准确性，并采用孔内摄像验证磁测桩法结果。

地球磁场的南极在地理北极附近，磁场北极位于地理南极附近，基桩含有钢筋笼，以静压、锤击或冲钻孔的方式成桩，埋入地下的基桩被地球的类磁偶极磁场磁化，在基桩的周围产生感应磁场，使基桩附近磁场强度区别于背景场，基桩周围的磁异常分布相当于有限长直立圆柱体被磁化的磁场[5]，管桩的钢筋笼、端头板及灌注桩的钢筋笼或者钢桩被地磁场磁化而产生磁异常，区别于背景场，其在加强筋、端头板以及桩底与持力层接触周围产生磁场变化。在没有强烈的地磁场变化的情况下，背景场在检测的时空范围内是相对稳定的，因此基桩附近磁场强度的变化特征正好反映了基桩中铁磁性物质被磁化后的磁场强度的变化特征，这种磁异常特征与基桩铁磁性物质的数量和分布位置紧密相关。基桩的钢筋笼的磁异常分布特征相当于直立磁性圆柱体的磁异常分布特征。

在基桩外侧取孔作为检测通道，基桩的钢筋笼垂直分量磁异常等效为直立的磁性圆柱体外侧的磁异常特征，基桩的钢筋笼外侧的垂直分量磁异常随深度变化特征分布曲线见图1。从图1 可知，在钢筋笼的分布范围内沿测试孔深度方向的垂直分量Za磁异常分布为宽缓的马鞍形曲线；
在钢筋笼上部和下部偏外侧各会出现一个极值点，钢筋笼下部边缘位置存在磁测垂直分量从极小值转变为极大值的拐点。随深度变化而逐渐远离钢筋笼的上部边缘或下部边缘时，垂直分量磁异常值会逐渐减小，最后趋近于一个常数值，在实际检测中，该常数值称为背景场值[6]（图2）。

图1 磁性体外部磁场Za磁异常分布曲线

图2 磁场垂直分量与梯度变化曲线

钢筋笼边缘拐点的垂直分量随深度的梯度变化为一个极值点，如图2。极值点对应深度位置与极值点的拐点位置深度一致。

因此，磁测桩法可以通过基桩内部或外侧钻孔检测得到钢筋笼垂直分量的磁感应强度曲线，通过其下部边缘位置的磁异常特征及背景场的特征，或者通过磁场强度垂直分量随深度梯度异常曲线的极值点判定钢筋笼底部位置，得到钢筋笼长度，管桩的预应力钢筋笼为通长配筋，其钢筋笼长度与桩长一致。

既有建筑的地基基础一般被上部结构覆盖，底板下为承台，基桩与承台连接。在现场检测时，一般钻机的高度不满足地下室的工作条件，需要对钻机进行改装，钻机三脚架高度低于地下室顶板底标高位置，利用设计图纸中墙、柱与基桩的相对位置关系对基桩进行定位，再选择桩侧或者桩中心钻孔。钻孔在桩侧时，孔中心与基桩侧壁的距离宜在0.5m 内，孔深应比预计桩底位置深3～5m，当钻孔通过软弱层时应采用套管护壁，利用磁法仪检测磁场强度。

如图3 所示，探头通过计步器置于检测通道中，自下而上进行检测，探头应匀速平缓上升，提升速度宜为9～15m/min，实时记录深度-磁场垂直分量（h-Za）曲线，每孔进行2 次以上检测，各曲线应具有良好的重复性。

图3 磁测桩法检测基桩现场布置示意图

基桩钢筋笼底部位置应根据深度-磁场垂直分量曲线，取曲线底部磁场垂直分量由小于背景场的极小值转成大于背景场的拐点所对应的深度位置；
或根据深度-磁场垂直分量梯度曲线，取曲线底部最深的明显极值点所对应的深度位置。

管桩测试长度L为管桩底部与测试桩顶面之间的距离，按下式计算：

式中：h0为桩底位置深度（m），由测试曲线判读；
h1为测试时桩顶面位置深度（m），在深度计步器上测读[7]。

某建筑有一层地下室，采用锤击PHC 管桩基础，一体化桩尖，有效桩长30～40m；
场地土层为杂填土、淤泥、粉细砂、淤泥、粉质黏土、砂土状强风化花岗岩、全风化花岗岩、中风化花岗岩，设计持力层为砂土状强风化花岗岩；
上部已封顶，基础局部产生不均匀沉降，建筑倾斜超过限值，为查明原因，选取部分PHC 管桩利用磁测桩法检测其桩长。

试桩1#设计持力层为砂土状强风化花岗岩，在其桩侧0.5m左右位置钻孔至中风化花岗岩，钻孔结果见图4，对试桩1#进行磁测桩法检测，其磁场强度见图5。26m 后磁场垂直分量基本平缓无起伏，可判定为背景场，24m 位置为极小值转换为极大值的拐点处，垂直分量梯度曲线在24m 出现极值点，12m 为磁场垂直分量极值转换的拐点，磁场垂直分量梯度曲线12m 处对应一个极值点，0～2m 磁场垂直分量变化强烈，磁场垂直分量梯度也有相应变化，其原因是上部钻机、各墙柱及底板钢筋及桩顶影响，因此可以判定0～2m 为底板至试桩1#桩顶，2～12m 为第一节桩，12m 为接桩处，24m 为桩底位置。因此，管桩桩长为22m，不满足设计要求，根据钻孔结果，持力层为粉质黏土，不满足设计要求。

图4 试桩1#桩侧钻孔剖面图

图5 试桩1#磁测桩法曲线

为验证磁测桩法的结果，在桩顶钻孔至26m 左右位置，利用孔内摄像对试桩1#进行检测，对底板与承台连接位置、接桩处及桩底位置进行观察（图6）。

图6 孔内摄像结果俯视图

从孔内摄像结果可知，2m 为承台与管桩的连接处（图6b），12m 为第一节桩与第二节桩的连接位置（图6c），24m 为桩底（图6d），桩底土层为粉质黏土，桩底无桩尖，管桩桩长为22m。

磁测桩法判定试桩1#的桩长为22m，接桩处埋深为12m。孔内摄像测得试桩1#的桩长为22m，接桩处埋深为12m，磁测桩法与孔内摄像结论一致，验证了磁测桩法检测管桩桩长结果是准确的。

既有建筑地基基础检测中，桩侧钻孔在不损伤承台结构的情况下，可以得到桩周土及持力层的性状，为下一步分析提供依据，同时可为磁测桩法提供检测通道。

既有建筑管桩的桩底位置在磁测桩法曲线上的特征为：磁场垂直分量曲线由极小值转换为极大值的拐点，其值与背景场的值相近；
磁场垂直分量梯度曲线在该位置有一个极值点。

综上，采用磁测桩法检测既有建筑的管桩桩长具有良好的效果，该方法可以准确地得出管桩桩长，现场操作灵活，数据处理方便，结果直观，不会对既有建筑的承台及管桩造成破坏，是一种可靠的既有建筑基础检测方法。