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摘 要：桩基础中的钢筋笼受地磁场磁化从而产生感应磁场，并且与地磁场叠加产生局部磁异常。本文根据这一特点，利用MATLAB平台编写程序建立数值正演模型，对钢筋笼进行剖分，计算桩身附近钢筋笼的磁异常特征，讨论了根据磁异常及其梯度曲线确定钢筋笼接点极其长度的分析方法，并将工程实测曲线与理论曲线进行对比，取得了较好的一致性，从而证明了该方法的良好效果，并且为进一步精细化正演模型，进行更精确的定量计算奠定了基础。
关键词：磁异常；钢筋笼长度；正演；磁梯度
中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）04（a）-0000-00
1 引言
钢筋笼和基桩及桩周岩土间存在明显的磁性差异，因此在其分界界面上磁场垂直分量是不连续的，会产生突变点。根据磁场垂直分量的突变点就可以推测出钢筋笼的磁性介质分界面，即钢筋笼的接点位置，从而可以确定钢筋笼的长度。由于钢筋受地磁场磁化，其本身产生的磁化场与地磁场相叠加，使得基桩桩身和钢筋笼与其周围岩土间存在明显的磁性差异，产生磁异常。因此可以通过数值模拟钢筋笼磁场垂直Z分量的理论曲线，分析其空间分布特征，总结磁异常场与钢筋笼之间的对应规律，从而指导进一步的定量分析以及实际工程检测中的解释。
2 方法原理
式中：k为主筋磁化率， 为地磁场磁感应强度，S为主筋横截面积，L为测点到主筋的垂直距离。假设有效磁化倾角为90°，由上式可知钢筋笼主筋感应磁场强度Z大小跟主筋与测点的距离L的平方成反比，与主筋横截面积S成正比，且在与钢筋笼平行的方向上为定值。
3 模型试验
为验证上述方法原理检测钢筋笼长度的可靠性与可行性，以及测孔距L对检测结果的影响，我们设计了如下模型进行理论试验。
单个钢筋笼接头（即单个磁荷面）的模型：设计的接头位于地下10m处，钢筋笼直径为1m，磁化强度为30A/m，测量孔距离钢筋笼为0.5m。从下图可以看出垂直磁场分量及其梯度曲线清楚指明了接头的位置。
同样参数对2个钢筋笼接头或端部（即2个磁荷面）的模型进行了试验：接头分别位于地下1m和10m处。下图的结果同样对接头位判断准确。
同样参数对3个接头（即3个磁荷面）的模型进行了试验：接头分别间隔9米。下图的结果同样对接头位置判断准确，并表明各个接头处场的特征是一致的。
同样参数对8个钢筋笼接头（即8个磁荷面）的模型进行了试验：接头分别间隔9米。下图的结果同样对接头位置判断准确，并表明各个接头处场的特征是一致的。
如果对上一个模型的测量孔与钢筋笼的距离增大为1m，可以由下图看出，虽然对判断接头位置没有影响，但场的幅值明显减弱，曲线趋于宽缓。因此，测量时为保证高的分辨能力，必须尽量控制测量孔距离钢筋笼的位置在100cm之内。
实际测试中，考虑到测试孔的垂直度情况，则要求测试孔与被检测桩之间存在一定的距离，一般不宜小于0.5m；
4 工程桩实例
江苏南通某工程属于已建成楼房，是已完工工程，施工时间为2008年9月。居民迁入楼房一段时间后，发现楼房沉降情况明显，怀疑施工方缩短了PHC管桩长度，由于PHC管桩属于隐蔽工程，无法自行查看其长度，向有关部门反映情况，相关部门委托对该工程PHC管桩长度进行检测。
该工程PCH管桩底部多处于粉细砂与粉质粘土交界层，设计长度满足抗震要求。但如果施工单位偷工减料，缩短管桩长度，如果发生地震，会造成粉细砂流失，使建筑整体或部分沉降，严重威胁工程质量，更无法满足抗震要求。因出现了沉降问题，所以提出检测管桩长度。由于PHC管桩同样是由钢筋混凝土构成，其结构与钢筋笼灌注桩类似，所以同样可以采样磁测法判定管桩中钢筋笼的长度，由于PHC管桩属于全笼桩，通过判定钢筋的长度即可确定管桩的长度。
（1） 11号桩：
从图37中可以看出钻孔钻入深度为20.00m，钻孔底部在管桩底部以下。综合图中3条曲线的变化特征，结合数学模型试验结果，可以判定引起磁异常的场源即接头存在的位置对应于梯度曲线的极值处和二阶梯度异常的零值处。可以判定该试验桩头部在标高约-2.00m底部在标高-12.00m。因而确定钢筋笼有效长度在10.00m左右。由于该单位灌注桩钢筋笼设计长度为16.00m（10.00m+6.00m），我们得到测量结果长度为10.00m，与设计长度相差6.00m，说明该施工单位在施工中少用了一节桩，不符合设计要求。
（2） 39号桩：
从图中可以看出钻孔钻入深度为20.00m，综合图中3条曲线的变化特征，结合数学模型试验结果，可以判定引起磁异常的场源即接头存在的位置对应于梯度曲线的极值处和二阶梯度异常的零值处。可以判定该试验桩头部在标高约-2.00m底部在标高-12.00m。因而确定钢筋笼有效长度在10.00m左右。
由于该单位灌注桩钢筋笼设计长度为20.00m（10.00m+1.00m），我们得到测量结果长度为10.00m，与设计长度相差10.00m，说明该施工单位在施工中少用了一节桩，不符合设计要求。
5 结论与展望
1） 工程实例表明，磁测法可以有效的测量灌注桩钢筋笼的长度。理论分析和模型桩测试结果表明，钢筋笼的顶底面和接头处在其磁场强度垂直分量梯度曲线中表现为极值点，该点的二阶梯度为零。实验验证了模型，并有效指导了实践，通过实际工程检测，完善了数值解释的方法。
2） 实际工程基桩中一般用几节钢筋笼焊接施工，因此多接头的模型试验结果更进一步表现了磁梯度法对多节钢筋笼中各接头节点的定位能力，正演模拟结果中表现出的一致性对实际资料的正确解释有一定启示。
3） 通过改变测孔距模拟试验，发现Z分量与梯度曲线形态受到测点到钢筋笼距离的影响，在相同的背景参数条件下，测点到钢筋笼的距离越近，磁异常极值的绝对值越大，曲线的异常峰值越大，曲率越陡，因此实际检测时测孔距一般不超过100cm。
4） 由于目前技术条件和数据量的限制，只能依据相邻两节钢筋笼磁异常情况粗略判断根数。定量的解释钢筋笼所用钢筋的根数，还需要从数值模拟入手，通过进一步精细化正演模型，进行磁异常的定量计算。
参考文献：
[1] 董平， 樊敬亮， 刘朝晖， 等. 灌注桩钢筋笼外部的磁异常特征研究[J]. 地球物理学进展， 2007， 05： 1660-1665.
[2] 董平， 樊敬亮， 王良书， 等. 灌注桩钢筋笼内部的磁异常特征[J]. 物探与化探， 2008， 01： 101-104+108.
[3] 伍卓鹤， 张秀颀， 刘辉东， 等. 利用磁测井法检测灌注桩钢筋笼长度[J]. 工程地球物理学报， 2013， 05： 693-699.
[4] 丁华， 许明辉， 张建华， 等. 磁测钢筋笼长度方法分析和应用[J]. 工程勘察， 2011， 04： 90-93.
关键词：磁异常；钢筋笼长度；正演；磁梯度
中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）04（a）-0000-00
1 引言
钢筋笼和基桩及桩周岩土间存在明显的磁性差异，因此在其分界界面上磁场垂直分量是不连续的，会产生突变点。根据磁场垂直分量的突变点就可以推测出钢筋笼的磁性介质分界面，即钢筋笼的接点位置，从而可以确定钢筋笼的长度。由于钢筋受地磁场磁化，其本身产生的磁化场与地磁场相叠加，使得基桩桩身和钢筋笼与其周围岩土间存在明显的磁性差异，产生磁异常。因此可以通过数值模拟钢筋笼磁场垂直Z分量的理论曲线，分析其空间分布特征，总结磁异常场与钢筋笼之间的对应规律，从而指导进一步的定量分析以及实际工程检测中的解释。
2 方法原理
式中：k为主筋磁化率， 为地磁场磁感应强度，S为主筋横截面积，L为测点到主筋的垂直距离。假设有效磁化倾角为90°，由上式可知钢筋笼主筋感应磁场强度Z大小跟主筋与测点的距离L的平方成反比，与主筋横截面积S成正比，且在与钢筋笼平行的方向上为定值。
3 模型试验
为验证上述方法原理检测钢筋笼长度的可靠性与可行性，以及测孔距L对检测结果的影响，我们设计了如下模型进行理论试验。
单个钢筋笼接头（即单个磁荷面）的模型：设计的接头位于地下10m处，钢筋笼直径为1m，磁化强度为30A/m，测量孔距离钢筋笼为0.5m。从下图可以看出垂直磁场分量及其梯度曲线清楚指明了接头的位置。
同样参数对2个钢筋笼接头或端部（即2个磁荷面）的模型进行了试验：接头分别位于地下1m和10m处。下图的结果同样对接头位判断准确。
同样参数对3个接头（即3个磁荷面）的模型进行了试验：接头分别间隔9米。下图的结果同样对接头位置判断准确，并表明各个接头处场的特征是一致的。
同样参数对8个钢筋笼接头（即8个磁荷面）的模型进行了试验：接头分别间隔9米。下图的结果同样对接头位置判断准确，并表明各个接头处场的特征是一致的。
如果对上一个模型的测量孔与钢筋笼的距离增大为1m，可以由下图看出，虽然对判断接头位置没有影响，但场的幅值明显减弱，曲线趋于宽缓。因此，测量时为保证高的分辨能力，必须尽量控制测量孔距离钢筋笼的位置在100cm之内。
实际测试中，考虑到测试孔的垂直度情况，则要求测试孔与被检测桩之间存在一定的距离，一般不宜小于0.5m；
4 工程桩实例
江苏南通某工程属于已建成楼房，是已完工工程，施工时间为2008年9月。居民迁入楼房一段时间后，发现楼房沉降情况明显，怀疑施工方缩短了PHC管桩长度，由于PHC管桩属于隐蔽工程，无法自行查看其长度，向有关部门反映情况，相关部门委托对该工程PHC管桩长度进行检测。
该工程PCH管桩底部多处于粉细砂与粉质粘土交界层，设计长度满足抗震要求。但如果施工单位偷工减料，缩短管桩长度，如果发生地震，会造成粉细砂流失，使建筑整体或部分沉降，严重威胁工程质量，更无法满足抗震要求。因出现了沉降问题，所以提出检测管桩长度。由于PHC管桩同样是由钢筋混凝土构成，其结构与钢筋笼灌注桩类似，所以同样可以采样磁测法判定管桩中钢筋笼的长度，由于PHC管桩属于全笼桩，通过判定钢筋的长度即可确定管桩的长度。
（1） 11号桩：
从图37中可以看出钻孔钻入深度为20.00m，钻孔底部在管桩底部以下。综合图中3条曲线的变化特征，结合数学模型试验结果，可以判定引起磁异常的场源即接头存在的位置对应于梯度曲线的极值处和二阶梯度异常的零值处。可以判定该试验桩头部在标高约-2.00m底部在标高-12.00m。因而确定钢筋笼有效长度在10.00m左右。由于该单位灌注桩钢筋笼设计长度为16.00m（10.00m+6.00m），我们得到测量结果长度为10.00m，与设计长度相差6.00m，说明该施工单位在施工中少用了一节桩，不符合设计要求。
（2） 39号桩：
从图中可以看出钻孔钻入深度为20.00m，综合图中3条曲线的变化特征，结合数学模型试验结果，可以判定引起磁异常的场源即接头存在的位置对应于梯度曲线的极值处和二阶梯度异常的零值处。可以判定该试验桩头部在标高约-2.00m底部在标高-12.00m。因而确定钢筋笼有效长度在10.00m左右。
由于该单位灌注桩钢筋笼设计长度为20.00m（10.00m+1.00m），我们得到测量结果长度为10.00m，与设计长度相差10.00m，说明该施工单位在施工中少用了一节桩，不符合设计要求。
5 结论与展望
1） 工程实例表明，磁测法可以有效的测量灌注桩钢筋笼的长度。理论分析和模型桩测试结果表明，钢筋笼的顶底面和接头处在其磁场强度垂直分量梯度曲线中表现为极值点，该点的二阶梯度为零。实验验证了模型，并有效指导了实践，通过实际工程检测，完善了数值解释的方法。
2） 实际工程基桩中一般用几节钢筋笼焊接施工，因此多接头的模型试验结果更进一步表现了磁梯度法对多节钢筋笼中各接头节点的定位能力，正演模拟结果中表现出的一致性对实际资料的正确解释有一定启示。
3） 通过改变测孔距模拟试验，发现Z分量与梯度曲线形态受到测点到钢筋笼距离的影响，在相同的背景参数条件下，测点到钢筋笼的距离越近，磁异常极值的绝对值越大，曲线的异常峰值越大，曲率越陡，因此实际检测时测孔距一般不超过100cm。
4） 由于目前技术条件和数据量的限制，只能依据相邻两节钢筋笼磁异常情况粗略判断根数。定量的解释钢筋笼所用钢筋的根数，还需要从数值模拟入手，通过进一步精细化正演模型，进行磁异常的定量计算。
参考文献：
[1] 董平， 樊敬亮， 刘朝晖， 等. 灌注桩钢筋笼外部的磁异常特征研究[J]. 地球物理学进展， 2007， 05： 1660-1665.
[2] 董平， 樊敬亮， 王良书， 等. 灌注桩钢筋笼内部的磁异常特征[J]. 物探与化探， 2008， 01： 101-104+108.
[3] 伍卓鹤， 张秀颀， 刘辉东， 等. 利用磁测井法检测灌注桩钢筋笼长度[J]. 工程地球物理学报， 2013， 05： 693-699.
[4] 丁华， 许明辉， 张建华， 等. 磁测钢筋笼长度方法分析和应用[J]. 工程勘察， 2011， 04： 90-93.