摘要：简要介绍了高应变检测技术的原理，重点论述了使用冲击锤体上安装加速度传感器的测力技术的理论基础及其应用优势，并结合工程实例予以证明。指出了正确运用高应变检测技术的关键技术要点，提出了高应变法具有广泛的应用前景。
关键词：高应变法；检测；锤体测力
引言
在基桩质量检测中，主要考虑的参数就是桩身的承载力与完整性，高应变法和静载荷试验法可用于检测单桩极限承载力，而在桩身承载力和完整性同步测试时，一般只用到高应变法。这种方法在测试过程中需要在桩顶施加一个高能量的冲击脉冲，其产生的应力波沿桩身向下传播的过程中使桩一土之间产生一定的永久位移，从而自上而下依次激发桩侧摩阻力及桩端阻力，通过桩身上部安装的传感器测得重锤冲击过程中传感器安装处的桩身截面运动及受力状态，通过应力波理论和对桩－土作了一些简化后的模型，反演分析单桩土阻力分布，从而得出单桩极限承载力。高应变试验相对于静载试验具有成本低，对场地试验条件要求低，检测时间短，检测信息量大，能得出桩侧阻力及桩端阻力，可得到承载力极限值从而获得了广泛应用，但目前高应变检测并不完善，且受吊车等检测设备的制约，对其展开研究有利于提高其准确性及可靠性，具有很高的实用价值。
一、概述
高应变法，是用重锤冲击桩顶，实测桩顶附近的速度和力时程曲线，通过波动理论分析，对单桩竖向抗压承载力和桩身完整性进行判定的检测方法。该方法适用于检测基桩的竖向抗压承载力和桩身完整性，监测预制桩打入时的桩身应力和锤击能量传递比，为沉桩工艺参数及桩长选择提供依据。但进行灌注桩的竖向抗压承载力检测时，应具有现场检测经验和本地区相近条件下的可靠对比验证资料。对于大直径扩底桩和 Q－s 曲线具有缓变型特征的大直径灌注桩，不宜采用该方法进行竖向抗压承载力检测。
二、高应变法检测的功能
高应变法的主要功能是判定单桩竖向抗压承载力是否满足设计要求，该方法具有检测成本低，对场地条件要求低、检测周期短、检测覆盖面大等优越性。这里所说的承载力是指在桩身强度或刚度满足桩身结构承载力的前提下，得到的桩周土对桩的抗力（静阻力），所以只要重锤有足够的冲击能量，使桩侧和桩端岩土阻力充分发挥，就可以得到承载力极限值。这点较使用静载法进行基桩竖向抗压承载力验收检测具有更大优势。
高应变法的另一个功能是判定桩身完整性。相对于低应变法完整性检测，高应变法能直接计算桩身缺陷以上桩段的土阻力所引起的反射波幅衰减，其完整性系数β值可通过应力波测量直接定量得到；且由于高应变法具有激励能量大和检测有效深度大的优点，特别是在桩身水平整合型裂缝，预制桩接头缺陷时，能够在判别这些缺陷是否影响单桩竖向抗压承载力的基础上，合理判定缺陷程度和桩身完整性类别。
高应变法较低应变、静载法存在较大优势，却得不到广泛应用的原因有以下几种情况：
（1）对高应变法不熟悉。使用高应变法要求技术人员要有较高的波动理论、桩基工程、信号处理等专业方面的综合知识，了解该方法的力学模型、数值解法、所选参数的工程和力学意义、边界条件等，否则得不出合理的结果。
（2）现场采集信号质量不高。反映在信号的归零性、比例性、一致性和信息的充分有效性等方面，现场要获得满足上述条件的检测曲线难度较高。不仅要求锤击设备要有良好导向，现场还需具备良好的检测条件（桩头开挖、桩头加固、锤击设备架设），并严格按规范要求安装传感器等。
针对高应变法应用问题的上述瓶颈，国内质量监督站重点在人员培训方面加大力度，邀请有理论基础和丰富实践经验的专家，对从业人员进行技术培训，提高技术水平。另一方面，积极采用能有效提高现场采集信号质量的方法，如中国建筑科学研究院的发明专利，在重锤上安装加速度传感器的测力技术。
三、锤上测力的基本原理
《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106－2014）中规定了高应变动力试桩法有两种测力的方法，一种是传统的在桩侧面安装应变传感器（结合桩身混凝土模量）测力法；另一种是根据牛顿第二定律F=ma（m 为锤体质量），在重锤侧面安装加速度计，直接从重锤上测定力的方法。该方法同时还利用了牛顿第三定律，即作用力与反作用力F =－F。当重锤上的波传播效应可忽略时，根据牛顿第二定律，由于重锤是有稳定质量的刚体，所以通过实测重锤的运动加速度，可以较精确地测定重锤上的惯性力；当锤垫或桩帽的质量及厚度可忽略时，依据牛顿第三定律作用力和反作用力大小相等，方向相反，所以只要把重锤的惯性力符号改变，即可获得作用在桩顶的力信号；最后，扣除掉测量响应的加速度传感器安装面以上的混凝土桩头的惯性力（桩头质量与桩头部位加速度的乘积），得到与加速度传感器在同一平面而安装在桩身部位加速度信号同步的锤击力。
四、使用锤上测力方法的高应变法检测技术的应用优势
该项技术比传统的用应变传感器测力技术有极大的技术优势。该技术的使用，大大提高了采集信号的质量，降低了检测现场工作难度，提高了工作效率，还节约了耗材，同时对高应变检测技术的规范化有较强的推动作用，具体体现在以下几个方面：
（1）该专利技术解决了使用应变传感器测力由于锤击偏心等因素导致的两个应变信号分别产生拉、压超载，从而使通过应变换算得到的力信号失效的难题，大大提高了信号的可用率和单桩承载力分析精确度。特别对钻孔灌注桩，由于桩头部位的混凝土质量差，非线性特征明显，力信号往往失真，在金属锤上直接测力则可消除此影响因素。
（2）现场准备工作，不再要求传感器必须安装在距桩顶面以下大于2.0倍桩径的位置，从而使被检桩现场开挖深度减少，减轻了现场准备工作的挖土工作量。
（3）传统方法安装应变式力传感器时，由于要确保其足够的量程，安装所引起的初始受拉、或受压（包括受弯）量应控制在很小范围，从而对传感器安装螺栓孔位的布置、安装面的平整度均有较高要求，而且在安装时还需要通过监视传感器的初始变形状态多次进行安装状态的调整，工作效率较低。而使用安装在锤体上的加速度传感器测力，只需传感器安装牢固，不需重复打孔，大大减少了对桩体打磨、打孔的工作量，工作效率成倍提高。
（4）传统方法使用应变式力传感器，由于混凝土塑性变形或开裂，容易引起应变传感器损坏，而使用加速度测力，由于加速度传感器安装在锤体，可以重复使用，不易损坏，大大降低了高应变检测的耗材。
（5）由于使用加速度计锤上测力一般不采用多片分体式锤，且通常有导向装置，所以无形中促使高应变法检测更加规范。
（6）下面是实际工程应用中的实测力和速度曲线。曲线尾部归零，力、速度曲线峰值比例协调。
五、高应变锤上测力应注意的问题
1、检测截面的选择
初始应力波信号的波峰前后区段对数据质量的判断极为重要，应尽可能避免受到各种因素的干扰和重叠；因此检测截面附近不得存在阻抗突变的截面。必须严格保证每组传感器安裝位置在检测截面的对称性，每组传感器的两个测点和检测截面的中心轴的距离必须相等，其连线必须通过中心轴；只有满足这两个条件，两个测点的实测结果的平均值才有可能代表桩身的轴向力和速度。
2、锤重的选择
采用自由落锤为锤击设备时，应重锤低击，最大锤击落距不宜大于2.5m。重锤与受检桩的阻抗匹配合理，可使重锤的动能最大限度地传递给桩，从而使桩侧、桩端阻力充分发挥。柱顶的最大锤击应力主要与锤冲击桩顶时的初速度有关，落距越高，锤击应力和偏心越大，越容易击碎桩头。轻锤高击并不能有效提高锤传递给桩的能量和增大桩顶位移，因为力脉冲作用持续时间不仅与锤垫有关，还主要与锤重有关，事实上，若将锤重增加到预估单桩极限承载力的5﹪~10﹪以上，则可以得到与静动法相似的长持续力脉冲作用。此时，桩身波传播效应大为减弱，岩土阻力发挥更接近静载作用时的荷载传递性状。因此，重锤低击是保障高应变法检测承载力准确性的基本原则。
3、高应变锤上测力的局限性
①由于在自由落锤上安装加速度计进行测力时，主要依据牛顿力学定律，测量条件为相同时刻锤体内各质点的运动和受力都保持一致，故大锤的测试效果可能比小锤差，因为大锤内部的运动和受力状态会存在不均匀性，故在大直径灌注桩检测中受到一定限制。
②桩顶只能放置薄层桩垫，质量很大的桩帽不可以放置，因为厚垫和大尺寸桩帽会引起较大的锤击力与桩顶速度响应的时间差，桩帽质量较大时的惯性力不能忽略，即牛顿第三定律不成立。
③由于基线修正方法的不同，锤体加速度测量存在一定误差。
结束语
通过对锤上测力方法在高应变检测技术中的应用效果分析，我们确信，这种方法在获得可靠的原始信号方面，与传统方法相比有较强的优势。如果再有一批高素质的检测从业人员，对信号的分析处理，严格把握拟合计算分析的收敛条件，即：1）土阻力分布要符合工程地质条件；2）分析得出的静阻力是充分发挥的；3）拟合计算的基桩的贯入度与实测情况基本吻合；4）拟合质量系数控制在合理的范围。同时，经过不断地积累静动对比的实例验证，相信能进一步提高高应变法对基桩竖向抗压承载力检测的准确度，使高应变法检测技术更有效地服务于桩基工程。
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论文作者:关则领
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/27
标签：承载力论文; 应变论文; 传感器论文; 加速度论文; 桩头论文; 阻力论文; 重锤论文; 《基层建设》2019年第16期论文;