论文部分内容阅读
摘要 ： 钻孔灌注桩在建筑业的应用及其广泛，其在建筑物内是关键的传力部位，所起的作用是及其关键的。正是因为桩的重要作用，使得有效检测桩身的质量成为施工质量控制的重要步骤。因为桩是深埋地下的，所以准确判断桩身质量是一大难题，常用的办法是采用低应变反射波法和声波透射法。本文着重介绍了应用电磁波法进行桩基检测的原理及其判断方法。无论是应用低应变发射波法和声波透射法检测桩基，都有着难以解决的缺陷。其中声波透射法能够很好反映桩身的混凝土质量但是对桩的钢筋笼长度和数量的检测确很难实现。电磁波法可以很好地弥补以上两种方法的缺陷，有十分广阔的应用前景和研究价值。分析结果表明，电磁波层析成像技术能够对桩身质量进行可信的评价。
关键词：电磁波法，钢筋长度，桩身质量，质量检测
中图分类号：F253.3 文献标识码：A 文章编号：
1 无线电波透视法原理
电磁波法是应用脉冲电磁波来探测隐蔽介质分布和目标物。当仪器向桩身发射高频宽频带脉冲电磁波时，其波形将随通过介质的介电特性及几何形态而变化，根据接收到反射波的旅行时间、频率和振幅等参数，可以推断介质内部的结构和目标物的埋藏深度及形态。地质雷达在地质勘测领域应用颇多，当地下存在介电或介磁特性分界面时，只要选择合适的采集参数，一般都会有较好效果，经过我们统计分析，这些波形是能够对应到某种缺陷，或者桩身完整情况的。
层析成像基本原理是:检测的时候进行一发多收，或者多次检测，形成收发间射线网络，资料处理时将收发间地质剖面划分成N´M个网格。该方法成像主要计算步骤有：
1） 网格划分，建立初始物理量（波速、电阻率或衰减系数）模型V；
2） 理论物理量与实际观测值的残差△t；
3） 建立并求解大型稀疏超定或亚定方程（以下以公式弹性波层析成像为例）：
A△V=△t
式中，A为N´M阶Jacobi矩阵；△V为M维曼度（速度的倒数）修正列向量；△t为N维走时观测值与理论计算值之差。
4） 计算出△V后，对初始波速模型修正，重新代入上述②～④步，直至实测走时与理论走时之差小于预先给定的一个正数，即可成像输出最终结果。从而可直观地了解孔间介质的波速分布，借以解决地质问题。
电磁波的成像因为通过同一网络结点的收发路径多，采集的数据量大，其反演结果能比较真实地还原孔间介质的物理量（波速、电阻率或衰减系数），所以该方法广泛运用于岩溶、空洞、断层、破碎带等的勘测。
2 电磁波法检测桩身质量
地下电磁波法系统由数据采集系统和数据处理系统两部分组成，可以跨孔方式探测钻孔间的剖面，也可以单孔方式探测孔周围。系统轻便，能适应小口径孔。
系统包括放置于钻孔中的发射机、接收机及其地下天线，控制发射机、接收机并进行数据采集的地面采集监控器。发射机发射宽频带程控扫频的脉冲信号，接收机同步接收此扫频脉冲信号。数据经地面采集监控器记录并送数据给处理系统处理成图。为实现宽频带程控扫频脉冲信号的发射和同步接收，数据采集并与计算机通讯，应用了频率合成、功率合成、微计算机控制等现代电子技术。使用分段宽频带地下天线。数据处理系统包括数据传输与预处理、层析成像（CT）等模块。此系统具有安装简易、用户界面友好、运行速度快等特点。虽然低应变法和超声波法能够粗略的判断桩身质量，原因是其获得参数比较有限，因此电磁波法的差别在于辨别基桩不同介质的能力。笔者将以低应变方法为例证说明电磁波法与其他检测方法的差异。
图一 低应变法得到的曲线图
图一是采用低应变法检测桩基采集的图像，从中我们一般可以得出。低应变方法是通过桩基检测仪器将反射信号进行放大等在计算机显示得到时程曲线，根據入射波和反射波的波形，相位，振幅等特征判断阻抗变化的位置，结合工程地质条件和施工实际情况，综合评价桩的完整性。如果采用电磁波法检测，由于介质的不同介电常数有如下关系,由下式（引自冯锐，1992）
（1）
式中E为相聚R处的接收天线接收点的场强值；为初始辐射常数，分别是发射和接收天线的方向分布函数，θ为天线的辐射角度，L是射线路径，bdl是积分元，β为介质的吸收系数，R是发射与接收点之间的距离。
由于雷达波在泥岩中的传播速度比粘土层中的传播速度快，因此泥岩中的
桩土分界面同相轴出现的较早，但是在上下两层介质中，雷达波在桩体内的历
时时间是相同的。图中桩基在各层介质的底端和实际模型桩基设置相符；此
外，图中泥岩中的同相轴强度小于粘土层中的同相轴强度，这与泥岩与桩体混
凝土的介电常数差异较小有关。
3电磁波法检测钢筋笼长度
由式（1）公式的变式可知，当获得不同介质的电磁波吸收系数不同，也因此可用此法来检测钢筋笼的长度：
（2）
由(2)通过将低压直流电源获得的高压高频的交流电分别接在待测钢筋笼和探测器两端，然后将探测器和移动电极一起沿预留在灌注桩边的竖直钻孔下放，并记录测试仪读数绘制磁场强强度随深度变化曲线。 在钢筋笼的深度范围内，电磁场强度变化不大；而在超出钢筋笼长度时，电磁场强度为会随探头和电极深度加大而迅速衰减。因此，在电磁场强度随深度变化曲线上的拐点深度即对应钢筋笼的长度。
4结论
（1）在一定条件下，在部分钻孔位置可以同时测到多个桩体的反射信号，但如果钻孔位置布置不当，则对检测结果的分析影响较大。因此在布置检测孔时应该避免应检桩基、相邻桩基与检测孔的距离基本一致，最好是应检桩基、相邻桩基与检测孔的距离相差足够大，同时检测孔与相邻桩基不在应检桩基的同一侧。
(2)电磁波法检测桩基的最大优点是：不用外部震源、可在有水、无水孔中应用，可扫频测量，工作效率高，成果直观，稳定性、一致性好。因其探测速度快、精度高应受到重视。根据雷达波反射图像的变化及同相轴的变化对被测物体的状态进行解释及分析.
参考文献
[1]商涛平，童寿兴，王新友。2002,24（9）.混凝土表面损伤层厚度的超声波检测方法研究[J].无损检测。373~375.
[2]冯锐，程嘉庚，郭强旭，等。1992.电磁波井间层析技术在城建中的应用。地球物理学报，35（增刊）：438~357.
[3]梁庆华，吴燕清，宋劲。2010无线电波坑道透视探测的定性分析及其应用。重庆大学学报.11
[4]刘立振，何建文。1995.电磁波层析成像100例的统计分析。CT理论与应用研究，10（1）:15~19
[5]横山秀吉。1980.岩石的电学性质。物理探矿。第33卷第五号
关键词：电磁波法，钢筋长度，桩身质量，质量检测
中图分类号：F253.3 文献标识码：A 文章编号：
1 无线电波透视法原理
电磁波法是应用脉冲电磁波来探测隐蔽介质分布和目标物。当仪器向桩身发射高频宽频带脉冲电磁波时，其波形将随通过介质的介电特性及几何形态而变化，根据接收到反射波的旅行时间、频率和振幅等参数，可以推断介质内部的结构和目标物的埋藏深度及形态。地质雷达在地质勘测领域应用颇多，当地下存在介电或介磁特性分界面时，只要选择合适的采集参数，一般都会有较好效果，经过我们统计分析，这些波形是能够对应到某种缺陷，或者桩身完整情况的。
层析成像基本原理是:检测的时候进行一发多收，或者多次检测，形成收发间射线网络，资料处理时将收发间地质剖面划分成N´M个网格。该方法成像主要计算步骤有：
1） 网格划分，建立初始物理量（波速、电阻率或衰减系数）模型V；
2） 理论物理量与实际观测值的残差△t；
3） 建立并求解大型稀疏超定或亚定方程（以下以公式弹性波层析成像为例）：
A△V=△t
式中，A为N´M阶Jacobi矩阵；△V为M维曼度（速度的倒数）修正列向量；△t为N维走时观测值与理论计算值之差。
4） 计算出△V后，对初始波速模型修正，重新代入上述②～④步，直至实测走时与理论走时之差小于预先给定的一个正数，即可成像输出最终结果。从而可直观地了解孔间介质的波速分布，借以解决地质问题。
电磁波的成像因为通过同一网络结点的收发路径多，采集的数据量大，其反演结果能比较真实地还原孔间介质的物理量（波速、电阻率或衰减系数），所以该方法广泛运用于岩溶、空洞、断层、破碎带等的勘测。
2 电磁波法检测桩身质量
地下电磁波法系统由数据采集系统和数据处理系统两部分组成，可以跨孔方式探测钻孔间的剖面，也可以单孔方式探测孔周围。系统轻便，能适应小口径孔。
系统包括放置于钻孔中的发射机、接收机及其地下天线，控制发射机、接收机并进行数据采集的地面采集监控器。发射机发射宽频带程控扫频的脉冲信号，接收机同步接收此扫频脉冲信号。数据经地面采集监控器记录并送数据给处理系统处理成图。为实现宽频带程控扫频脉冲信号的发射和同步接收，数据采集并与计算机通讯，应用了频率合成、功率合成、微计算机控制等现代电子技术。使用分段宽频带地下天线。数据处理系统包括数据传输与预处理、层析成像（CT）等模块。此系统具有安装简易、用户界面友好、运行速度快等特点。虽然低应变法和超声波法能够粗略的判断桩身质量，原因是其获得参数比较有限，因此电磁波法的差别在于辨别基桩不同介质的能力。笔者将以低应变方法为例证说明电磁波法与其他检测方法的差异。
图一 低应变法得到的曲线图
图一是采用低应变法检测桩基采集的图像，从中我们一般可以得出。低应变方法是通过桩基检测仪器将反射信号进行放大等在计算机显示得到时程曲线，根據入射波和反射波的波形，相位，振幅等特征判断阻抗变化的位置，结合工程地质条件和施工实际情况，综合评价桩的完整性。如果采用电磁波法检测，由于介质的不同介电常数有如下关系,由下式（引自冯锐，1992）
（1）
式中E为相聚R处的接收天线接收点的场强值；为初始辐射常数，分别是发射和接收天线的方向分布函数，θ为天线的辐射角度，L是射线路径，bdl是积分元，β为介质的吸收系数，R是发射与接收点之间的距离。
由于雷达波在泥岩中的传播速度比粘土层中的传播速度快，因此泥岩中的
桩土分界面同相轴出现的较早，但是在上下两层介质中，雷达波在桩体内的历
时时间是相同的。图中桩基在各层介质的底端和实际模型桩基设置相符；此
外，图中泥岩中的同相轴强度小于粘土层中的同相轴强度，这与泥岩与桩体混
凝土的介电常数差异较小有关。
3电磁波法检测钢筋笼长度
由式（1）公式的变式可知，当获得不同介质的电磁波吸收系数不同，也因此可用此法来检测钢筋笼的长度：
（2）
由(2)通过将低压直流电源获得的高压高频的交流电分别接在待测钢筋笼和探测器两端，然后将探测器和移动电极一起沿预留在灌注桩边的竖直钻孔下放，并记录测试仪读数绘制磁场强强度随深度变化曲线。 在钢筋笼的深度范围内，电磁场强度变化不大；而在超出钢筋笼长度时，电磁场强度为会随探头和电极深度加大而迅速衰减。因此，在电磁场强度随深度变化曲线上的拐点深度即对应钢筋笼的长度。
4结论
（1）在一定条件下，在部分钻孔位置可以同时测到多个桩体的反射信号，但如果钻孔位置布置不当，则对检测结果的分析影响较大。因此在布置检测孔时应该避免应检桩基、相邻桩基与检测孔的距离基本一致，最好是应检桩基、相邻桩基与检测孔的距离相差足够大，同时检测孔与相邻桩基不在应检桩基的同一侧。
(2)电磁波法检测桩基的最大优点是：不用外部震源、可在有水、无水孔中应用，可扫频测量，工作效率高，成果直观，稳定性、一致性好。因其探测速度快、精度高应受到重视。根据雷达波反射图像的变化及同相轴的变化对被测物体的状态进行解释及分析.
参考文献
[1]商涛平，童寿兴，王新友。2002,24（9）.混凝土表面损伤层厚度的超声波检测方法研究[J].无损检测。373~375.
[2]冯锐，程嘉庚，郭强旭，等。1992.电磁波井间层析技术在城建中的应用。地球物理学报，35（增刊）：438~357.
[3]梁庆华，吴燕清，宋劲。2010无线电波坑道透视探测的定性分析及其应用。重庆大学学报.11
[4]刘立振，何建文。1995.电磁波层析成像100例的统计分析。CT理论与应用研究，10（1）:15~19
[5]横山秀吉。1980.岩石的电学性质。物理探矿。第33卷第五号