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對某建筑物樁基檢測技術(shù)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離析、斷樁等現象。樁體如果出現問(wèn)題就會(huì )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(jìn)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(cháng)度和進(jìn)入直接承受壓力土層的深度進(jìn)行檢測的電磁波技術(shù)。
關(guān)鍵詞：層析成像;檢測技術(shù);樁基工程
既有建筑物隨著(zhù)時(shí)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(guān)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(cháng)使用年限，需要對其基礎進(jìn)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狀進(jìn)行檢測，尤其是樁長(cháng)以及進(jìn)入直接承受壓力土層的深度。為了準確確定樁長(cháng)以及進(jìn)入直接承受壓力土層的深度，需要在基樁的兩側進(jìn)行地質(zhì)鉆孔，根據巖芯進(jìn)行地質(zhì)分層，并劃分風(fēng)化層，然后使用井間電磁波層析成像技術(shù)進(jìn)行檢測。采用該技術(shù)能夠保證地基既有的狀態(tài)，不會(huì )對既有建筑造成不良影響。
一、電磁波層析成像技術(shù)原理
電磁波層析成像技術(shù)原理，主要的理論基礎是電磁場(chǎng)和天線(xiàn)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(xué)射線(xiàn)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(xiàn)的初始輻射常數，表示為：
(2)
偶極天線(xiàn)的方向性因子為：
(3)
對于常用的半波天線(xiàn)，方向性因子為：
(4)
在接收點(diǎn)放置一相同天線(xiàn)，當兩鉆孔平行時(shí)，場(chǎng)強的觀(guān)測值為：
(5)
式中：E0為波源初始輻射值;r為發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)間的路徑長(cháng);f(θ) 為方向因子;θ為方向角; e為接收天線(xiàn)的等效高度;β為探測區域介質(zhì)的吸收系數;E為測得的場(chǎng)強的幅值。
吸收系數為：
(6)
吸收系數與巖石物性參數的關(guān)系如下式：
(7)
從式(7)可知，吸收系數受介質(zhì)的電導率σ、介電常數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，吸收系數是地下不同地質(zhì)體由于其不同的電導率、介電常數、磁導率綜合影響的結果。
電磁波層析成像是將射線(xiàn)通過(guò)的空間進(jìn)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(guān)測次數，N 為重建區域的網(wǎng)格個(gè)數，D 的元素dij為i次觀(guān)測中傳播路徑被j 個(gè)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(gè)網(wǎng)格的吸收系數;Y為M 維列向量，其元素yi = ln (E0・fi/Ei/Ri)。fi為第i次觀(guān)測中天線(xiàn)方向和場(chǎng)矢量方向有關(guān)的因子，Ei為第i次觀(guān)測的場(chǎng)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、磁導率方面有顯著(zhù)差異，對電磁波的吸收同樣存在明顯差異，其吸收系數比其周?chē)鷰r土體的吸收系數要大得多，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也存在差異。
二、工程概況
本文研究的建筑長(cháng)108m，寬55m，共3層。設計室內地坪標高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。根據地質(zhì)勘察報告，場(chǎng)地為填方區，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(shí)間約1年，結構松散�；鶐r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)現部分樁的樁周地面附近逐漸出現圓形開(kāi)裂，樁附近墻面出現較大裂紋。尤其是60、61、62、74 號樁附近區域( 見(jiàn)圖2)，變形特別明顯且持續增大。為了控制建筑的變形，對其基礎和處理層應進(jìn)行工程處理。
圖2 電磁波層析成像技術(shù)工作布置示意圖
為了確定工程處理方案，必須查清樁長(cháng)以及進(jìn)入直接承受壓力土層的深度。在場(chǎng)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(shù)。
三、野外工作方法
電磁波層析技術(shù)野外工作時(shí)采用定發(fā)裝置，即發(fā)射機先固定不動(dòng)，接收機每接收一對射線(xiàn)的數據就往下移一點(diǎn)再進(jìn)行接收，當接收機接收完該剖面的所有數據后，發(fā)射機再往下移一點(diǎn)進(jìn)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(jiàn)圖2)，每樁布置2個(gè)鉆孔，鉆孔深度為進(jìn)入中風(fēng)化基巖5m，鉆孔間距為3m。
電磁波層析成像技術(shù)探測工序及應注意的問(wèn)題：①測量放孔位置和距離時(shí)應采用測量?jì)x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，保證孔內暢通，孔底沉渣厚度小于20mm，套管采用塑料材料; ③數據采集( 鉆孔間)，激發(fā)點(diǎn)自孔底開(kāi)始，發(fā)射點(diǎn)間距、接收點(diǎn)間距一般為0. 50 ～1. 0m，發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)間距不超過(guò)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，否則應調節發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)間距。發(fā)射點(diǎn)間距、接收點(diǎn)間距大小確定的依據是保證反演的吸收系數圖能準確分辨異常的大小和形態(tài)，精度滿(mǎn)足要求并能兼顧快速采集數據的要求; ④野外獲得的原始波形，應及時(shí)進(jìn)行波形對比、初至判讀，當發(fā)現采集數據不滿(mǎn)足要求時(shí)，應及時(shí)進(jìn)行重新采集; ⑤當鉆孔距離一定時(shí)，應進(jìn)行天線(xiàn)試驗選擇。天線(xiàn)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(xiàn)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)現場(chǎng)試驗采用參數為： 發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)間距小于15m，發(fā)射點(diǎn)間距0.5m，接收點(diǎn)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(chǎng)地回填土和基巖的吸收系數，在樁的一側鉆取兩個(gè)間距為3m 鉆孔，采用大間距探測測試巖土層吸收系數。通過(guò)試驗得知，場(chǎng)地素填土的吸收系數為0.9～2.5，粘土的吸收系數為1.5～2.9，砂巖的吸收系數為0.9～2.1，泥巖的吸收系數為1.9～3.5。通過(guò)樁兩側電磁波探測，孔間距為3m時(shí)，有鋼筋混凝土段電磁波吸收系數為9.5 ～15.5。
四、資料分析與解釋
4.1 典型樁的分析
根據工程樁62號樁和82號樁電磁波層析成像解釋成果圖(見(jiàn)圖3) 可知，有樁段電磁波的吸收系數為9.4～15.1，填土、粘土和砂巖段電磁波吸收系數為0.9～2.5。樁與巖土體的電磁波吸收系數差異明顯，鋼筋混凝土的吸收系數是巖土體吸收系數的5～8倍;素填土來(lái)源于場(chǎng)地周?chē)鷰r土體，成分復雜，其電磁波吸收系數不均勻;原生粘土厚度較薄，電磁波吸收系數與填土的數值大小無(wú)明顯差異，而基巖的電磁波系數與填土相比，數值差異小但比較均勻。因此，利用電磁波吸收系數大小可準確劃分基樁的長(cháng)度，利用電磁波系數的均勻性，可大致劃分基巖的埋深。
圖3 電磁層析成像解釋成果
4.2 成果資料統計分析
對場(chǎng)地沉降較大區域的7 根基樁進(jìn)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(cháng)均小于基巖的埋藏深度。分析造成沉降較大原因，是由于場(chǎng)地填土較厚，時(shí)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(cháng)與工程樁施工驗收時(shí)超聲波檢測的樁長(cháng)，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測斜工作，發(fā)現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(cháng)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(guān)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(jìn)行電磁波層析成像探測時(shí)，要加強其探測孔的地質(zhì)鉆探成果記錄工作。
五、結語(yǔ)
根據建筑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與周?chē)鷰r土體相比有顯著(zhù)差異，利用電磁波C層析成像技術(shù)能夠有效探測基樁的樁長(cháng)。
(2)要準確判斷基樁進(jìn)入承受壓力土層的深度，一定要將電磁波所測試的樁長(cháng)和其地質(zhì)狀況相結合。
(3)要保證電磁波探測的樁長(cháng)準確有效，須保證電磁波兩個(gè)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。
(4)本次電磁波工作，對現場(chǎng)電磁波吸收系數采取的是同鉆孔間距的試驗工作，未對場(chǎng)地的混凝土、鋼筋以及巖土體等材料的電磁波吸收系數進(jìn)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(shù)在既有建筑基礎探測中得到廣泛推廣。
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