傳感器

傳感器是實現(xiàn)被測物理量轉(zhuǎn)化為易被傳輸和處理的電信號的器件。目前，在高應(yīng)變動力試樁中一般用應(yīng)變式傳感器來測定樁頂附近截面的受力，用加速度傳感器（加速度計）來測定樁頂附近截面的運動狀態(tài)。

1、 測力傳感器——工具式應(yīng)變傳感器

通常采用環(huán)型應(yīng)變式力傳感器來檢測高應(yīng)變動力試樁中樁身截面受力，其外觀如下圖所示，它有一個彈性鋁合金環(huán)型框架，在框架內(nèi)壁貼有四片箔式電阻片，電阻片連成一個橋路，當軸向受力時，兩片受壓，另兩片受拉。

要求：應(yīng)變式傳感器應(yīng)滿足帶寬0~1200Hz，幅值線性度優(yōu)于±5%等技術(shù)指標。

2、測振傳感器——加速度計

目前一般采用壓電式（或壓阻式）加速度傳感器來測試樁頂截面的運動狀況。壓電式加速度計具有體積小、質(zhì)量輕、低頻特性好、頻帶寬等特點。壓阻式加速度計是利用半導體應(yīng)變片的壓阻效應(yīng)工作的。壓阻式加速度計具有靈敏度高、信噪比大、輸出阻抗低、可測量很低頻率等優(yōu)點，因此常用于低頻振動測量中。其外觀如下圖所示：

要求：在《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》中對加速度計的量程未作具體規(guī)定。原因是不同類型的樁，各種因素影響使其最大沖擊加速度變化很大，建議根據(jù)實測經(jīng)驗合理選擇，一般原則是選擇量程大于預(yù)估最大沖擊加速度的一倍以上，因為加速度計量程越大，其自振頻率越高。加速度計量程用于混凝土樁測試時一般為1000~2000g，用于鋼樁測試時為3000~5000g（g為重力加速度）。 在其他任何情況下，如采用自制自由落錘，加速度計的量程也不應(yīng)小于1000g。這也包括錘體上安裝加速度計的測試，但根據(jù)重錘低擊原則，錘體上的加速度峰值不應(yīng)超過150～200g。

高應(yīng)變儀

一體化高應(yīng)變儀一般采用小尺寸、低功耗、可靠性較高的工業(yè)級微機主板和液晶屏，與內(nèi)置的顯卡、外存、外部接口、采集板（模塊）、適調(diào)線路板（模塊）、交直流電源等構(gòu)成其硬件部分，使用操作與分析功能全部由軟件實現(xiàn)。

要求：建工行業(yè)標準《基樁動測儀》JG/T 518對基樁動測儀的主要性能指標做了具體規(guī)定。在《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定檢測儀器的主要技術(shù)性能指標不應(yīng)低于《基樁動測儀》JG/T 518中下表中規(guī)定的2級標準。

沖擊設(shè)備

現(xiàn)場高應(yīng)變試驗用錘擊設(shè)備分為兩大類：預(yù)制樁打樁機械和自制自由落錘。

（1）預(yù)制樁打樁機械

這類打樁機械有單動或雙動筒式柴油錘、導桿式柴油錘、單動或雙動蒸汽錘或液壓錘、振動錘、落錘。在我國，單動筒式柴油錘、導桿式柴油錘和振動錘在沉樁施工中的應(yīng)用均很普遍。由于振動錘施加給樁的是周期激振力，目前尚不適合于瞬態(tài)法的高應(yīng)變檢測。導桿式柴油錘靠落錘下落壓縮汽缸中氣體對樁施力，造成力和速度上升前沿十分緩慢，由于動測儀器的復位（隔直流）作用，加上壓電加速度傳感器的有限低頻響應(yīng)（低頻響應(yīng)不能到零），使響應(yīng)信號發(fā)生畸變，所以一般不用于高應(yīng)變檢測。蒸汽錘和液壓錘在常規(guī)的預(yù)制樁施工中較少采用，主要在陸地和海洋上一些大直徑超長鋼管樁沉樁施工中使用。如我國進口的液壓錘的最大錘芯質(zhì)量為30t，國產(chǎn)的蒸汽錘錘芯質(zhì)量為42t，這些錘的下落高度一般不超過1.5m。常說液壓錘的效率高，實際從樁錘匹配角度上考慮能量傳遞，它符合前面所講的“重錘低擊”原則。筒式柴油錘在一般常規(guī)樁型沉樁施工時廣為采用，國外最大的柴油錘錘芯質(zhì)量為15t，我國建筑工程常見的錘擊預(yù)制樁橫截面尺寸一般不超過600mm，用最大錘芯質(zhì)量為6.2t（跳高3m左右）的柴油錘可滿足沉樁要求。柴油錘是目前打樁過程監(jiān)測（初打）和休止一定時間后復測（復打）或承載力驗收檢測采用較多的、能兼顧沉樁施工和檢測的錘擊設(shè)備，缺點是噪聲大并伴有油煙污染。

（2）自制錘擊設(shè)備

一般由錘體（整體或分塊組裝式）、脫鉤裝置、導向架及其底盤組成，主要用于承載力驗收檢測或復打。

常見的自制自由落錘脫鉤裝置大體分為力臂式、鎖扣式和鉗式三類。第一類是利用杠桿原理，在長臂端施加下拉力使脫鉤器旋轉(zhuǎn)一定角度，使錘體的吊耳從吊鉤中滑出，或使鎖扣機構(gòu)打開。該脫鉤裝置的優(yōu)點是制作簡單，最大缺點是錘脫鉤時受到偏心力作用，由于錘的重力突然釋放，吊車起重臂將產(chǎn)生強烈反彈。第二類是錘在提升時是鎖死的，當錘達到預(yù)定高度時，脫鉤裝置鎖扣與凸出的限位機構(gòu)碰撞使鎖扣打開。這種裝置的優(yōu)點是錘脫鉤時不受偏心力作用。第三類是利用兩鉗臂在受提升力時產(chǎn)生的水平分力將錘吊耳自動抱緊，錘上升至預(yù)定高度后，將脫鉤裝置中心吊環(huán)用鋼絲繩鎖定在導向架上，緩慢下放落錘使錘的重力逐漸傳遞給中心吊環(huán)的鋼絲繩，此時兩鉗臂所受上拉力逐漸減小，抱緊力也隨之減小，抱緊力減小到一定程度后錘將自動脫鉤；該裝置制作簡單，脫鉤時無偏心，幾乎沒有吊車起重臂反彈；但要求錘擊裝置的導向架應(yīng)有足夠的承重能力，試樁架底盤下的地基土不得在導向架承重期間產(chǎn)生不均勻沉降。

要求：

對于錘擊設(shè)備類型的選擇，《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》JGJ 106規(guī)定：錘擊設(shè)備可采用筒式柴油錘、液壓錘、蒸汽錘等具有導向裝置的打樁機械，但不得采用導桿式柴油錘、振動錘。

《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》JGJ 106高應(yīng)變法中對沖擊設(shè)備還有以下規(guī)定：

（1）高應(yīng)變檢測專用錘擊設(shè)備應(yīng)具有穩(wěn)固的導向裝置。重錘應(yīng)形狀對稱，高徑（寬）比不得小于1。

（2）當采取落錘上安裝加速度傳感器的方式實測錘擊力時，重錘的高徑（寬）比應(yīng)為1.0～1.5。

（3）采用高應(yīng)變法進行承載力檢測時，錘的重量與單樁豎向抗壓承載力特征值的比值不得小于0.02。

（4）當作為承載力檢測的灌注樁樁徑大于600mm或混凝土樁樁長大于30m時，尚應(yīng)對樁徑或樁長增加引起的樁-錘匹配能力下降進行補償，在滿足第（3）條的前提下進一步提高檢測用錘的重量。

無導向錘的脫鉤裝置多基于杠桿式原理制成，操作人員需在離錘很近的范圍內(nèi)操作，缺乏安全保障，且脫鉤時會不同程度地引起錘的搖擺，更容易造成錘擊嚴重偏心而產(chǎn)生垃圾信號。另外，如果采用汽車吊直接將錘吊起并脫鉤，因錘的重量突然釋放造成吊車吊臂的強烈反彈，對吊臂造成損害。因此穩(wěn)固的導向裝置的另一個作用是：在落錘脫鉤前需將錘的重量通過導向裝置傳遞給錘擊裝置的底盤，使吊車吊臂不再受力。扁平狀錘如分片組裝式錘的單片或混凝土澆筑的強夯錘，下落時不易導向且平穩(wěn)性差，容易造成嚴重錘擊偏心，影響測試質(zhì)量。因此規(guī)定錘體的高徑（寬）比不得小于1。

自由落錘安裝加速度計測量樁頂錘擊力的依據(jù)是牛頓第二和第三定律。其成立條件是同一時刻錘體內(nèi)各質(zhì)點的運動和受力無差異，也就是說，雖然錘為彈性體，只要錘體內(nèi)部不存在波傳播的不均勻性，就可視錘為一剛體或具有一定質(zhì)量的質(zhì)點。波動理論分析結(jié)果表明：當沿正弦波傳播方向的介質(zhì)尺寸小于正弦波波長的1/10時，可認為在該尺寸范圍內(nèi)無波傳播效應(yīng)，即同一時刻錘的受力和運動狀態(tài)均勻。除鋼樁外，較重的自由落錘在樁身產(chǎn)生的力信號中的有效頻率分量（占能量的90％以上）在200Hz以內(nèi)，超過300Hz后可忽略不計。按不利條件估計，對力信號有貢獻的高頻分量波長一般也不小于20m。所以，在大多數(shù)采用自由落錘的場合，牛頓第二定律能較嚴格地成立。規(guī)定錘體高徑（寬）比不大于1.5正是為了避免波傳播效應(yīng)造成的錘內(nèi)部運動狀態(tài)不均勻。這種方式與在樁頭附近的樁側(cè)表面安裝應(yīng)變式傳感器的測力方式相比，優(yōu)缺點是：

（1）避免了樁頭損傷和安裝部位混凝土質(zhì)量差導致的測力失敗以及應(yīng)變式傳感器的經(jīng)常損壞。

（2）避免了因混凝土非線性造成的力信號失真（混凝土受壓時，理論上講是對實測力值放大，是不安全的）。

（3）直接測定錘擊力，即使混凝土的波速、彈性模量改變，也無需修正；當混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的非線性嚴重時，不存在通過應(yīng)變環(huán)測試換算沖擊力造成的力值放大。

（4）測量響應(yīng)的加速度計只能安裝在距樁頂較近的樁側(cè)表面，尤其不能安裝在樁頭變阻抗截面以下的樁身上。

（5）樁頂只能放置薄層樁墊，不能放置尺寸和質(zhì)量較大的樁帽（替打）。

（6）錘高一般以2.0m～2.5m為限，則最大使用的錘重可能受到限制，除非采用重錘或厚軟錘墊減少錘上的波傳播效應(yīng)。

（7）錘在非受力狀態(tài)時有負向（向下）的加速度，可能被誤認為是沖擊力變化：如撞擊前錘體自由下落時的-1g（g為重力加速度）加速度；撞擊后錘體可能與樁頂脫離接觸（反彈）并回落而產(chǎn)生負向加速度，錘越輕、樁的承載力或樁身阻抗越大，反彈表現(xiàn)就越顯著。

（8）重錘撞擊樁頂瞬時難免與導架產(chǎn)生碰撞或摩擦，導致錘體上產(chǎn)生高頻縱、橫干擾波，錘的縱、橫尺寸越小，干擾波頻率就越高，也就越容易被濾除。

錘的重量大小直接關(guān)系到樁側(cè)、樁端巖土阻力發(fā)揮的高低，只有充分包含土阻力發(fā)揮信息的信號才能視為有效信號，也才能作為高應(yīng)變承載力分析與評價的依據(jù)。錘重不變時，隨著樁橫截面尺寸、樁的質(zhì)量或單樁承載力的增加，錘與樁的匹配能力下降，試驗中直觀表象是錘的強烈反彈，錘落距提高引起的樁頂動位移或貫入度增加不明顯，而樁身錘擊應(yīng)力的增加比傳遞給樁的有效能量的增加效果更為顯著，因此輕錘高落距錘擊是錯誤的做法。個別檢測機構(gòu)，為了降低運輸（搬運）、吊（安）裝成本和試驗難度，一味采用輕錘進行試驗，由于土阻力（承載力）發(fā)揮信息嚴重不足，遂隨意放大調(diào)整實測信號，導致承載力虛高；有時，輕錘高擊還引起樁身破損。

國際上，應(yīng)盡量加大動測用錘重的觀點得到了普遍推崇，如美國材料與試驗協(xié)會ASTM 在2000年頒布的《樁的高應(yīng)變動力檢測標準試驗方法》D4945中提出：錘重選擇以能充分調(diào)動樁側(cè)、樁端巖土阻力為原則，并無具體低限值的要求；而在2008年修訂時，針對灌注樁增加了“落錘錘重至少為極限承載力期望值的1%～2%”的要求，相當于本規(guī)范所用錘重與單樁豎向抗壓承載力特征值的比值為2%～4%。

《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范JGJ 106》對錘重的增加無上限限制，一是體現(xiàn)“重錘低擊”原則，二是考慮以下情況：

（1）樁較長或樁徑較大時，一般使側(cè)阻、端阻充分發(fā)揮所需位移大；

（2）樁是否容易被“打動”取決于樁身“廣義阻抗”的大小。廣義阻抗與樁身截面波阻抗和樁周土巖土阻力均有關(guān)。隨著樁直徑增加，波阻抗的增加通常快于土阻力，而樁身阻抗的增加實際上就是樁的慣性質(zhì)量增加，仍按承載力特征值的2%選取錘重，將使錘對樁的匹配能力下降。

因此，不僅從土阻力，也要從樁身慣性質(zhì)量兩方面考慮提高錘重是更科學的做法。當樁徑或樁長明顯超過本條低限值時，例如，1200mm直徑灌注樁，樁長20m，設(shè)計要求的承載力特征值較低，僅為2000kN，即使將錘重與承載力特征值的比值提高到3%，即采用60kN的重錘仍感錘重偏輕。