一种在基桩高应变动力检测中测量锤击力的方法及仪器

摘要

本发明涉及基桩高应变动力检测时一种用于测量锤击力的方法及配套仪器，属于土木工程的桩基工程质量检测领域。其利用兼容传统的基桩高应变动力检测方法的扩展型仪器，通过直接测量自由落锤锤体和桩头的加速度，对锤体的加速度信号进行低通滤波，按牛顿第二定律分别计算得到桩顶的锤击力和桩头的惯性力，将桩顶锤击力进行惯性效应修正后得到桩顶以下测量截面处的锤击力。由于落锤加速度信号中的高频干扰和桩头惯性效应只分别与落锤的几何尺寸和桩头的惯性质量有关，与混凝土的材质及应力－应变关系无关，进而提高了混凝土桩的高应变锤击力波信号测试质量和准确度。此外，采用本方法进行灌注桩现场检测时，可适当减小混凝土桩头加固费用和节约桩头开挖时间。

说明书

技术领域

本发明涉及到在基桩高应变动力检测中一种用于测量锤击力的方法及配套使用的采集记录仪器，属于土木工程的桩基工程质量检测领域。

背景技术

在桩基工程质量检测时，经常采用基桩高应变动力检测(亦称高应变动力试桩)方式对桩基础中的基桩竖向抗压承载力和桩身结构完整性的检测。在传统的基桩高应变动力检测中，桩顶的锤击力波和速度响应分别通过对称安装在测量截面(约距桩顶2D，D为桩的直径或边宽，以下同)处的2支环式应变计和2支加速度计测量，其中环式应变计输出的应变测量值需乘以估算的桩身材料弹性模量才能换算成力值。由于绝大多数桩基材料为混凝土，制桩或成桩工艺的不同，存在着不同程度的非线性和非均匀性，使锤击力波测量出现以下问题：

(1)重锤的冲击力幅值高，混凝土变形远远超出线弹性范围，非线性使“弹性模量”随应变的增加而递减，采用低应变幅值对应的弹性模量乘以实测应变值换算得到的力值偏高，准确度低，并导致据此分析计算得到的桩承载力数值放大，对工程不安全。特别在锤击偏心和混凝土非均匀性因素的耦合影响下，锤击力波测试失败的情况时有出现，甚至变形过大造成环式应变计损坏。

(2)灌注桩测试一般要在安装传感器的测量截面(约距桩顶2D)以上范围内重新加固处理桩头，费时并增加检测成本。若在未处理的桩头混凝土侧表面直接安装环式应变计，锤击力波测试失败的几率增加且普遍存在测试力信号质量差的问题。

本发明内容

基于上述目前基桩高应变动力检测中锤击力测量存在的问题，本发明的目的是提出一种测量锤击力的方法和仪器，通过该方法及配套的测试仪器，直接测量计算得到锤击力波波形，进而解决按传统方式进行基桩高应变动力检测时锤击力测试准确度低、测试力信号质量差的问题，是一种替代传统的利用环式应变计测量应变来换算锤击力的方法。

本发明是通过同步测量自由落锤锤体的加速度信号和桩身加速度信号，对锤体上纵、横波造成的加速度信号的高频干扰进行低通滤波，利用牛顿第二定律计算得到桩顶锤击力，再利用桩顶下测量截面处的加速度测量值对测量截面至桩顶范围的桩头部分进行惯性效应修正，从而实现测量截面处的锤击力测量。其具体方法步骤为：

(1)利用对称安装于锤体上、可测量冲击加速度的传感器，以及和传感器相连的信号采集记录仪器，测量记录重锤自由下落撞击桩顶时在锤体上产生的冲击加速度随时间t的变化a_r(t)；

(2)针对自由落锤与导向装置发生碰撞或摩擦引起的锤体内纵、横波高频干扰频率的不同，选择滤波截止频率或陷波频率，对加速度信号a_r(t)进行低通滤波或陷波；

(3)利用公式F_r(t)＝m_ra_r(t)计算得到桩顶锤击力波时程曲线F_r(t)，式中m_r为自由落锤的质量；

(4)利用安装在测量截面深度处桩侧表面、可测量冲击加速度的传感器，以及和传感器相连的信号采集记录仪器，测量记录落锤自由下落撞击桩顶时在桩身上产生的冲击加速度随时间t的变化a_p(t)；

(5)利用未积分的加速度时间信号a_p(t)，由公式F_p(t)＝m_pa_p(t)计算桩头惯性力时程曲线F_p(t)，其中a_p(t)为对称安装在距桩顶1D～2D深度的测量截面处的加速度传感器输出信号，m_p为桩顶至测量截面深度范围内桩头混凝土的质量；

(6)利用公式F(t)＝F_r(t)-F_p(t)进行桩头惯性效应修正，计算得到测量截面处的锤击力时程曲线F(t)。

采用传统的基桩高应变动力检测时，锤击力波量是通过实测测量截面处的应变，然后乘以估算的桩身材料弹性模量换算力值，由于桩材混凝土的非线性及高应力水平冲击，“弹性模量”并非常数，换算力值准确度低；由于锤击偏心和桩材混凝土非均匀性的耦合影响，造成测试力信号质量差。而本发明是其利用兼容传统的基桩高应变动力检测方式的扩展型仪器——在传统的两个加速度测量通道的基础上扩展成四个加速度测量通道的仪器，通过直接测量落锤加速度、按牛顿第二定律计算得到桩顶锤击力。在将桩顶锤击力转化成测量截面锤击力时，落锤加速度信号中的高频干扰和桩头惯性效应只分别与落锤的几何尺寸和桩头的惯性质量有关，与混凝土的材质及应力-应变关系无关，进而明显改善了混凝土桩的高应变锤击力波信号测试质量，提高了锤击力波测量准确度；此外，采用本方法进行灌注桩现场检测时，可适当减小混凝土桩头加固范围以及桩头开挖深度，一定程度地降低了检测成本、提高了检测效率。

下面结合测量方法的具体实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1为本发明测量方法及配套仪器工作原理示意图。

图2为利用图1所示采集记录仪器测得的锤击力波时程曲线。

具体实施方式

具体实施方法、步骤为：

(1)在图1中的锤体M1锤体中部对称安装2支可测量冲击加速度的传感器A1，在距桩顶平面P1以下1D～2D的测量平面P2深度处的桩身P侧表面对称安装2支可测量冲击加速度的传感器A2；加速度传感器A1和A2分别通过信号线A3与4通道采集记录仪器A4相连；

(2)计算图1中平面P1至平面P2深度范围的桩头体积、乘以桩身材料的质量密度得到桩头的惯性质量m_p；

(3)根据图1中自由落锤锤体M1的几何尺寸，预设高频滤波或陷波截止频率f_H；

(4)如图1所示，锤体M1沿导架M2下落撞击桩顶平面P1，利用与信号线A3相连的采集记录仪器A4，同步采集记录在锤体M1上的加速度传感器A1产生的冲击加速度信号a_r(t)、以及在桩身P上的加速度传感器A2产生的冲击加速度信号a_p(t)；

(5)根据干扰波频率的高低，选择滤波截止频率或陷波频率，对加速度信号a_r(t)进行低通滤波或陷波；

(6)利用公式F_r(t)＝m_ra_r(t)计算得到桩顶平面P1处的锤击力波时程曲线F_r(t)；

(7)利用公式F_p(t)＝m_pa_p(t)计算得到桩头惯性力时程曲线F_p(t)；

(8)利用公式F(t)＝F_r(t)-F_p(t)进行惯性效应修正，计算得到如图2所示的测量截面P2处的锤击力时程曲线F(t)。

本发明中测量冲击加速度的传感器是不限定的，其可以采用压电式、压阻式、电容式等类型；同样，对采集记录仪器的信号适调、模-数转换精度、采样频率等不予限定。