傳感器

傳感器是實(shí)現(xiàn)被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為易被傳輸和處理的電信號(hào)的器件。目前，在高應(yīng)變動(dòng)力試樁中一般用應(yīng)變式傳感器來(lái)測(cè)定樁頂附近截面的受力，用加速度傳感器（加速度計(jì)）來(lái)測(cè)定樁頂附近截面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1、 測(cè)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(lái)檢測(cè)高應(yīng)變動(dòng)力試樁中樁身截面受力，其外觀如下圖所示，它有一個(gè)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(gè)橋路，當(dāng)軸向受力時(shí)，兩片受壓，另兩片受拉。

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

2、測(cè)振傳感器——加速度計(jì)

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

要求：在《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)加速度計(jì)的量程未作具體規(guī)定。原因是不同類(lèi)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(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)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?yàn)榧铀俣扔?jì)量程越大，其自振頻率越高。加速度計(jì)量程用于混凝土樁測(cè)試時(shí)一般為1000~2000g，用于鋼樁測(cè)試時(shí)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(jì)的量程也不應(yīng)小于1000g。這也包括錘體上安裝加速度計(jì)的測(cè)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(guò)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(jí)微機(jī)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(shí)現(xiàn)。

要求：建工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《基樁動(dòng)測(cè)儀》JG/T 518對(duì)基樁動(dòng)測(cè)儀的主要性能指標(biāo)做了具體規(guī)定。在《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定檢測(cè)儀器的主要技術(shù)性能指標(biāo)不應(yīng)低于《基樁動(dòng)測(cè)儀》JG/T 518中下表中規(guī)定的2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

沖擊設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)高應(yīng)變?cè)囼?yàn)用錘擊設(shè)備分為兩大類(lèi)：預(yù)制樁打樁機(jī)械和自制自由落錘。

（1）預(yù)制樁打樁機(jī)械

這類(lèi)打樁機(jī)械有單動(dòng)或雙動(dòng)筒式柴油錘、導(dǎo)桿式柴油錘、單動(dòng)或雙動(dòng)蒸汽錘或液壓錘、振動(dòng)錘、落錘。在我國(guó)，單動(dòng)筒式柴油錘、導(dǎo)桿式柴油錘和振動(dòng)錘在沉樁施工中的應(yīng)用均很普遍。由于振動(dòng)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(cè)。導(dǎo)桿式柴油錘靠落錘下落壓縮汽缸中氣體對(duì)樁施力，造成力和速度上升前沿十分緩慢，由于動(dòng)測(cè)儀器的復(fù)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(hào)發(fā)生畸變，所以一般不用于高應(yīng)變檢測(cè)。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(zhǎng)鋼管樁沉樁施工中使用。如我國(guó)進(jìn)口的液壓錘的最大錘芯質(zhì)量為30t，國(guó)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(guò)1.5m。常說(shuō)液壓錘的效率高，實(shí)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(shí)廣為采用，國(guó)外最大的柴油錘錘芯質(zhì)量為15t，我國(guó)建筑工程常見(jiàn)的錘擊預(yù)制樁橫截面尺寸一般不超過(guò)600mm，用最大錘芯質(zhì)量為6.2t（跳高3m左右）的柴油錘可滿(mǎn)足沉樁要求。柴油錘是目前打樁過(guò)程監(jiān)測(cè)（初打）和休止一定時(shí)間后復(fù)測(cè)（復(fù)打）或承載力驗(yàn)收檢測(cè)采用較多的、能兼顧沉樁施工和檢測(cè)的錘擊設(shè)備，缺點(diǎn)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(dǎo)向架及其底盤(pán)組成，主要用于承載力驗(yàn)收檢測(cè)或復(fù)打。

常見(jiàn)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(lèi)。第一類(lèi)是利用杠桿原理，在長(zhǎng)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(jī)構(gòu)打開(kāi)。該脫鉤裝置的優(yōu)點(diǎn)是制作簡(jiǎn)單，最大缺點(diǎn)是錘脫鉤時(shí)受到偏心力作用，由于錘的重力突然釋放，吊車(chē)起重臂將產(chǎn)生強(qiáng)烈反彈。第二類(lèi)是錘在提升時(shí)是鎖死的，當(dāng)錘達(dá)到預(yù)定高度時(shí)，脫鉤裝置鎖扣與凸出的限位機(jī)構(gòu)碰撞使鎖扣打開(kāi)。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是錘脫鉤時(shí)不受偏心力作用。第三類(lèi)是利用兩鉗臂在受提升力時(shí)產(chǎn)生的水平分力將錘吊耳自動(dòng)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(dǎo)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(shí)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(dòng)脫鉤；該裝置制作簡(jiǎn)單，脫鉤時(shí)無(wú)偏心，幾乎沒(méi)有吊車(chē)起重臂反彈；但要求錘擊裝置的導(dǎo)向架應(yīng)有足夠的承重能力，試樁架底盤(pán)下的地基土不得在導(dǎo)向架承重期間產(chǎn)生不均勻沉降。

要求：

對(duì)于錘擊設(shè)備類(lèi)型的選擇，《建筑基樁檢測(cè)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(dǎo)向裝置的打樁機(jī)械，但不得采用導(dǎo)桿式柴油錘、振動(dòng)錘。

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

（1）高應(yīng)變檢測(cè)專(zhuān)用錘擊設(shè)備應(yīng)具有穩(wěn)固的導(dǎo)向裝置。重錘應(yīng)形狀對(duì)稱(chēng)，高徑（寬）比不得小于1。

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

（3）采用高應(yīng)變法進(jìn)行承載力檢測(cè)時(shí)，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(dāng)作為承載力檢測(cè)的灌注樁樁徑大于600mm或混凝土樁樁長(zhǎng)大于30m時(shí)，尚應(yīng)對(duì)樁徑或樁長(zhǎng)增加引起的樁-錘匹配能力下降進(jìn)行補(bǔ)償，在滿(mǎn)足第（3）條的前提下進(jìn)一步提高檢測(cè)用錘的重量。

無(wú)導(dǎo)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(shí)會(huì)不同程度地引起錘的搖擺，更容易造成錘擊嚴(yán)重偏心而產(chǎn)生垃圾信號(hào)。另外，如果采用汽車(chē)吊直接將錘吊起并脫鉤，因錘的重量突然釋放造成吊車(chē)吊臂的強(qiáng)烈反彈，對(duì)吊臂造成損害。因此穩(wěn)固的導(dǎo)向裝置的另一個(gè)作用是：在落錘脫鉤前需將錘的重量通過(guò)導(dǎo)向裝置傳遞給錘擊裝置的底盤(pán)，使吊車(chē)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(qiáng)夯錘，下落時(shí)不易導(dǎo)向且平穩(wěn)性差，容易造成嚴(yán)重錘擊偏心，影響測(cè)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(jì)測(cè)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(shí)刻錘體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和受力無(wú)差異，也就是說(shuō)，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(diǎn)。波動(dòng)理論分析結(jié)果表明：當(dāng)沿正弦波傳播方向的介質(zhì)尺寸小于正弦波波長(zhǎng)的1/10時(shí)，可認(rèn)為在該尺寸范圍內(nèi)無(wú)波傳播效應(yīng)，即同一時(shí)刻錘的受力和運(yùn)動(dòng)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(hào)中的有效頻率分量（占能量的90％以上）在200Hz以?xún)?nèi)，超過(guò)300Hz后可忽略不計(jì)。按不利條件估計(jì)，對(duì)力信號(hào)有貢獻(xiàn)的高頻分量波長(zhǎng)一般也不小于20m。所以，在大多數(shù)采用自由落錘的場(chǎng)合，牛頓第二定律能較嚴(yán)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(yùn)動(dòng)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(cè)力方式相比，優(yōu)缺點(diǎn)是：

（1）避免了樁頭損傷和安裝部位混凝土質(zhì)量差導(dǎo)致的測(cè)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(hào)失真（混凝土受壓時(shí)，理論上講是對(duì)實(shí)測(cè)力值放大，是不安全的）。

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

（4）測(cè)量響應(yīng)的加速度計(jì)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(shí)有負(fù)向（向下）的加速度，可能被誤認(rèn)為是沖擊力變化：如撞擊前錘體自由下落時(shí)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(fù)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(shí)難免與導(dǎo)架產(chǎn)生碰撞或摩擦，導(dǎo)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(hào)才能視為有效信號(hào)，也才能作為高應(yīng)變承載力分析與評(píng)價(jià)的依據(jù)。錘重不變時(shí)，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(yàn)中直觀表象是錘的強(qiáng)烈反彈，錘落距提高引起的樁頂動(dòng)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(cuò)誤的做法。個(gè)別檢測(cè)機(jī)構(gòu)，為了降低運(yùn)輸（搬運(yùn)）、吊（安）裝成本和試驗(yàn)難度，一味采用輕錘進(jìn)行試驗(yàn)，由于土阻力（承載力）發(fā)揮信息嚴(yán)重不足，遂隨意放大調(diào)整實(shí)測(cè)信號(hào)，導(dǎo)致承載力虛高；有時(shí)，輕錘高擊還引起樁身破損。

國(guó)際上，應(yīng)盡量加大動(dòng)測(cè)用錘重的觀點(diǎn)得到了普遍推崇，如美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM 在2000年頒布的《樁的高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》D4945中提出：錘重選擇以能充分調(diào)動(dòng)樁側(cè)、樁端巖土阻力為原則，并無(wú)具體低限值的要求；而在2008年修訂時(shí)，針對(duì)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(dāng)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(cè)技術(shù)規(guī)范JGJ 106》對(duì)錘重的增加無(wú)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(zhǎng)或樁徑較大時(shí)，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(dòng)”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(shí)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(duì)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?jī)煞矫婵紤]提高錘重是更科學(xué)的做法。當(dāng)樁徑或樁長(zhǎng)明顯超過(guò)本條低限值時(shí)，例如，1200mm直徑灌注樁，樁長(zhǎng)20m，設(shè)計(jì)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。