传感器

 

传感器是实现被测物理量转化为易被传输和处理的电信号的器件。目前，在高应变动力试桩中一般用应变式传感器来测定桩顶附近截面的受力，用加速度传感器（加速度计）来测定桩顶附近截面的运动状态。

 

1、 测力传感器——工具式应变传感器

 

通常采用环型应变式力传感器来检测高应变动力试桩中桩身截面受力，其外观如下图所示，它有一个弹性铝合金环型框架，在框架内壁贴有四片箔式电阻片，电阻片连成一个桥路，当轴向受力时，两片受压，另两片受拉。

 

 

要求：应变式传感器应满足带宽0~1200Hz，幅值线性度优于±5%等技术指标。

 

2、测振传感器——加速度计

 

目前一般采用压电式（或压阻式）加速度传感器来测试桩顶截面的运动状况。压电式加速度计具有体积小、质量轻、低频特性好、频带宽等特点。压阻式加速度计是利用半导体应变片的压阻效应工作的。压阻式加速度计具有灵敏度高、信噪比大、输出阻抗低、可测量很低频率等优点，因此常用于低频振动测量中。其外观如下图所示：

要求：在《建筑基桩检测技术规范》中对加速度计的量程未作具体规定。原因是不同类型的桩，各种因素影响使其最大冲击加速度变化很大，建议根据实测经验合理选择，一般原则是选择量程大于预估最大冲击加速度的一倍以上，因为加速度计量程越大，其自振频率越高。加速度计量程用于混凝土桩测试时一般为1000~2000g，用于钢桩测试时为3000~5000g（g为重力加速度）。 在其他任何情况下，如采用自制自由落锤，加速度计的量程也不应小于1000g。这也包括锤体上安装加速度计的测试，但根据重锤低击原则，锤体上的加速度峰值不应超过150～200g。

 

高应变仪

一体化高应变仪一般采用小尺寸、低功耗、可靠性较高的工业级微机主板和液晶屏，与内置的显卡、外存、外部接口、采集板（模块）、适调线路板（模块）、交直流电源等构成其硬件部分，使用操作与分析功能全部由软件实现。

 

要求：建工行业标准《基桩动测仪》JG/T 518对基桩动测仪的主要性能指标做了具体规定。在《建筑基桩检测技术规范》中规定检测仪器的主要技术性能指标不应低于《基桩动测仪》JG/T 518中下表中规定的2级标准。

 

 

 

冲击设备

现场高应变试验用锤击设备分为两大类：预制桩打桩机械和自制自由落锤。

 

（1）预制桩打桩机械

这类打桩机械有单动或双动筒式柴油锤、导杆式柴油锤、单动或双动蒸汽锤或液压锤、振动锤、落锤。在我国，单动筒式柴油锤、导杆式柴油锤和振动锤在沉桩施工中的应用均很普遍。由于振动锤施加给桩的是周期激振力，目前尚不适合于瞬态法的高应变检测。导杆式柴油锤靠落锤下落压缩汽缸中气体对桩施力，造成力和速度上升前沿十分缓慢，由于动测仪器的复位（隔直流）作用，加上压电加速度传感器的有限低频响应（低频响应不能到零），使响应信号发生畸变，所以一般不用于高应变检测。蒸汽锤和液压锤在常规的预制桩施工中较少采用，主要在陆地和海洋上一些大直径超长钢管桩沉桩施工中使用。如我国进口的液压锤的最大锤芯质量为30t，国产的蒸汽锤锤芯质量为42t，这些锤的下落高度一般不超过1.5m。常说液压锤的效率高，实际从桩锤匹配角度上考虑能量传递，它符合前面所讲的“重锤低击”原则。筒式柴油锤在一般常规桩型沉桩施工时广为采用，国外最大的柴油锤锤芯质量为15t，我国建筑工程常见的锤击预制桩横截面尺寸一般不超过600mm，用最大锤芯质量为6.2t（跳高3m左右）的柴油锤可满足沉桩要求。柴油锤是目前打桩过程监测（初打）和休止一定时间后复测（复打）或承载力验收检测采用较多的、能兼顾沉桩施工和检测的锤击设备，缺点是噪声大并伴有油烟污染。

 

（2）自制锤击设备

一般由锤体（整体或分块组装式）、脱钩装置、导向架及其底盘组成，主要用于承载力验收检测或复打。

常见的自制自由落锤脱钩装置大体分为力臂式、锁扣式和钳式三类。第一类是利用杠杆原理，在长臂端施加下拉力使脱钩器旋转一定角度，使锤体的吊耳从吊钩中滑出，或使锁扣机构打开。该脱钩装置的优点是制作简单，最大缺点是锤脱钩时受到偏心力作用，由于锤的重力突然释放，吊车起重臂将产生强烈反弹。第二类是锤在提升时是锁死的，当锤达到预定高度时，脱钩装置锁扣与凸出的限位机构碰撞使锁扣打开。这种装置的优点是锤脱钩时不受偏心力作用。第三类是利用两钳臂在受提升力时产生的水平分力将锤吊耳自动抱紧，锤上升至预定高度后，将脱钩装置中心吊环用钢丝绳锁定在导向架上，缓慢下放落锤使锤的重力逐渐传递给中心吊环的钢丝绳，此时两钳臂所受上拉力逐渐减小，抱紧力也随之减小，抱紧力减小到一定程度后锤将自动脱钩；该装置制作简单，脱钩时无偏心，几乎没有吊车起重臂反弹；但要求锤击装置的导向架应有足够的承重能力，试桩架底盘下的地基土不得在导向架承重期间产生不均匀沉降。

 

要求：

对于锤击设备类型的选择，《建筑基桩检测技术规范》JGJ 106规定：锤击设备可采用筒式柴油锤、液压锤、蒸汽锤等具有导向装置的打桩机械，但不得采用导杆式柴油锤、振动锤。

 

《建筑基桩检测技术规范》JGJ 106高应变法中对冲击设备还有以下规定：

（1）高应变检测专用锤击设备应具有稳固的导向装置。重锤应形状对称，高径（宽）比不得小于1。

（2）当采取落锤上安装加速度传感器的方式实测锤击力时，重锤的高径（宽）比应为1.0～1.5。

（3）采用高应变法进行承载力检测时，锤的重量与单桩竖向抗压承载力特征值的比值不得小于0.02。

（4）当作为承载力检测的灌注桩桩径大于600mm或混凝土桩桩长大于30m时，尚应对桩径或桩长增加引起的桩-锤匹配能力下降进行补偿，在满足第（3）条的前提下进一步提高检测用锤的重量。

 

无导向锤的脱钩装置多基于杠杆式原理制成，操作人员需在离锤很近的范围内操作，缺乏安全保障，且脱钩时会不同程度地引起锤的摇摆，更容易造成锤击严重偏心而产生垃圾信号。另外，如果采用汽车吊直接将锤吊起并脱钩，因锤的重量突然释放造成吊车吊臂的强烈反弹，对吊臂造成损害。因此稳固的导向装置的另一个作用是：在落锤脱钩前需将锤的重量通过导向装置传递给锤击装置的底盘，使吊车吊臂不再受力。扁平状锤如分片组装式锤的单片或混凝土浇筑的强夯锤，下落时不易导向且平稳性差，容易造成严重锤击偏心，影响测试质量。因此规定锤体的高径（宽）比不得小于1。

 

自由落锤安装加速度计测量桩顶锤击力的依据是牛顿第二和第三定律。其成立条件是同一时刻锤体内各质点的运动和受力无差异，也就是说，虽然锤为弹性体，只要锤体内部不存在波传播的不均匀性，就可视锤为一刚体或具有一定质量的质点。波动理论分析结果表明：当沿正弦波传播方向的介质尺寸小于正弦波波长的1/10时，可认为在该尺寸范围内无波传播效应，即同一时刻锤的受力和运动状态均匀。除钢桩外，较重的自由落锤在桩身产生的力信号中的有效频率分量（占能量的90％以上）在200Hz以内，超过300Hz后可忽略不计。按不利条件估计，对力信号有贡献的高频分量波长一般也不小于20m。所以，在大多数采用自由落锤的场合，牛顿第二定律能较严格地成立。规定锤体高径（宽）比不大于1.5正是为了避免波传播效应造成的锤内部运动状态不均匀。这种方式与在桩头附近的桩侧表面安装应变式传感器的测力方式相比，优缺点是：

（1）避免了桩头损伤和安装部位混凝土质量差导致的测力失败以及应变式传感器的经常损坏。

（2）避免了因混凝土非线性造成的力信号失真（混凝土受压时，理论上讲是对实测力值放大，是不安全的）。

（3）直接测定锤击力，即使混凝土的波速、弹性模量改变，也无需修正；当混凝土应力-应变关系的非线性严重时，不存在通过应变环测试换算冲击力造成的力值放大。

（4）测量响应的加速度计只能安装在距桩顶较近的桩侧表面，尤其不能安装在桩头变阻抗截面以下的桩身上。

（5）桩顶只能放置薄层桩垫，不能放置尺寸和质量较大的桩帽（替打）。

（6）锤高一般以2.0m～2.5m为限，则最大使用的锤重可能受到限制，除非采用重锤或厚软锤垫减少锤上的波传播效应。

（7）锤在非受力状态时有负向（向下）的加速度，可能被误认为是冲击力变化：如撞击前锤体自由下落时的-1g（g为重力加速度）加速度；撞击后锤体可能与桩顶脱离接触（反弹）并回落而产生负向加速度，锤越轻、桩的承载力或桩身阻抗越大，反弹表现就越显著。

（8）重锤撞击桩顶瞬时难免与导架产生碰撞或摩擦，导致锤体上产生高频纵、横干扰波，锤的纵、横尺寸越小，干扰波频率就越高，也就越容易被滤除。

 

锤的重量大小直接关系到桩侧、桩端岩土阻力发挥的高低，只有充分包含土阻力发挥信息的信号才能视为有效信号，也才能作为高应变承载力分析与评价的依据。锤重不变时，随着桩横截面尺寸、桩的质量或单桩承载力的增加，锤与桩的匹配能力下降，试验中直观表象是锤的强烈反弹，锤落距提高引起的桩顶动位移或贯入度增加不明显，而桩身锤击应力的增加比传递给桩的有效能量的增加效果更为显著，因此轻锤高落距锤击是错误的做法。个别检测机构，为了降低运输（搬运）、吊（安）装成本和试验难度，一味采用轻锤进行试验，由于土阻力（承载力）发挥信息严重不足，遂随意放大调整实测信号，导致承载力虚高；有时，轻锤高击还引起桩身破损。

 

国际上，应尽量加大动测用锤重的观点得到了普遍推崇，如美国材料与试验协会ASTM 在2000年颁布的《桩的高应变动力检测标准试验方法》D4945中提出：锤重选择以能充分调动桩侧、桩端岩土阻力为原则，并无具体低限值的要求；而在2008年修订时，针对灌注桩增加了“落锤锤重至少为极限承载力期望值的1%～2%”的要求，相当于本规范所用锤重与单桩竖向抗压承载力特征值的比值为2%～4%。

 

《建筑基桩检测技术规范JGJ 106》对锤重的增加无上限限制，一是体现“重锤低击”原则，二是考虑以下情况：

（1）桩较长或桩径较大时，一般使侧阻、端阻充分发挥所需位移大；

（2）桩是否容易被“打动”取决于桩身“广义阻抗”的大小。广义阻抗与桩身截面波阻抗和桩周土岩土阻力均有关。随着桩直径增加，波阻抗的增加通常快于土阻力，而桩身阻抗的增加实际上就是桩的惯性质量增加，仍按承载力特征值的2%选取锤重，将使锤对桩的匹配能力下降。

因此，不仅从土阻力，也要从桩身惯性质量两方面考虑提高锤重是更科学的做法。当桩径或桩长明显超过本条低限值时，例如，1200mm直径灌注桩，桩长20m，设计要求的承载力特征值较低，仅为2000kN，即使将锤重与承载力特征值的比值提高到3%，即采用60kN的重锤仍感锤重偏轻。