高应变动力检测的锤击设备应符合哪些规定

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高应变动力检测的锤击设备应符合哪些规定

21031人已浏览 时间 : 2017-04-08 09:31:16

导语:锤击设备宜具有稳固的导向装置;导杆式柴油锤荷载上升时间过于缓慢,容易造成速度响应信号失真。除导杆式柴油锤外的打桩机械或类似的装置都可作为锤击设备。

 (1)锤击设备宜具有稳固的导向装置;导杆式柴油锤荷载上升时间过于缓慢,容易造成速度响应信号失真。除导杆式柴油锤外的打桩机械或类似的装置都可作为锤击设备。
    预制桩打桩机械有筒式柴油锤、导杆式柴油锤、蒸汽锤或液压锤、振动锤、落锤。其中,单动筒式柴油锤、导杆式柴油锤和振动锤在沉桩施工中普遍应用。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,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),致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,一般在陆地和海洋上一些大直径超长钢管桩沉桩施工中使用。液压锤符合前面所讲的“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。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,缺点是振动和噪声大并伴有油烟污染。
    筒式柴油锤利用冲击部分自由下落的冲击能和柴油燃烧爆炸的能量使桩下沉。它实质上是一个单杠两冲程柴油发动机,其工作情况如图5-7所示。当活塞1在下行而触及油泵压块7时,就开始向锤座5的中央球槽中喷油;活塞继续下行至关闭吸、排气口4,空气被压缩,这是喷油与压缩过程,如图5-7(a)所示。此后活塞下行,直到冲击锤座5,产生强大的冲击力,使桩下沉。与此同时,喷入球槽中的柴油,在高温高压空气的作用下雾化,并着火燃烧,如图5-7(b)所示。燃烧爆炸力一边将活塞向上推,一边对锤座产生压力,如图5-7(c)所示。当活塞上行到越过吸、排气口4时,废气排于缸外,如图5-7(d)所示。缸内废气排出,但活塞还要惯性上行,于是新鲜空气又被吸入,如图5-7(e)所示。当活塞重新下行时,缸内新鲜空气向缸外排出一部分,直到活塞下行至如图5-7(f)所示情况。至此完成一个工作循环。

目前国内最大的D128筒式柴油打桩锤的上活塞重达12.8 t,最大起跳高度为3.4 m,最大打击能量为426 500 N·m。
    (2)高应变检测用重锤应材质均匀、形状对称、锤底平整。高径(宽)比不得小于1,并采用铸铁或铸钢制作。分片组装锤的单片或强夯锤,下落时平稳性差且不易导向,很大可能会造成严重的锤击偏心,故不得使用。当采取自由落锤安装加速度传感器的方式实测锤击力时,重锤应整体铸造,且高径(宽)比应在1.0~1.5范围内。
    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。《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2003)对锤重和锤形选择以强制性条文的形式做了严格规定,以规范现场高应变检测操作。
    ①高应变试验要求既有足够的能量又有足够的桩一土间相对位移,足够的能量是保证足够位移的必要条件,但不充分。轻锤打击桩顶后常出现锤的强烈反弹,显然能量不可能完全传递。即使是在桩锤一桩土系统阻抗匹配的条件下,动量一冲量的守恒必然使在更短荷载作用时间内以提高冲击力幅值和速度幅值为代价,锤击力增大容易击碎桩头、造成桩身应力过大或引起混凝土明显的非线性;同时也出现不希望看到的现象:桩身波传播效应更加明显,桩周岩土的动阻力加剧。所以,只能在选择锤重上做出牺牲,即重锤低击。
    ②形状扁平的锤打桩时更容易造成锤击偏心、击碎桩头。对称安装在距桩顶以下桩侧表面的应变式力传感器对锤击偏心很敏感,某一侧混凝土表现出非线性、塑性变形或开裂,严重时使所测力信号成为垃圾。另外,当桩的承载力较高时,现有自制锤击设备的锤重不足,转而用强夯锤作为替代。强夯锤形状扁平,又无导向,脱钩时横向摆动,下落时平稳性差,更易产生锤击偏心和翻倒。扁平锤与细长锤相比,锤底面与桩的相对接触面积变小,感觉上似乎减少了锤的阻抗,而且锤的高度减少本身会减少力的作用时间,故应避免使用。
    目前国内自制锤锤体的最大重量一般在200kN左右,最早曾于1985年青海西宁市某工程的桩动力检测中使用。用超过200kN重的锤做高应变试验的实例在国外也有报道。对于一些高承载力桩的检测,高应变试桩虽然速度快,但它和静载试验一样,也常受场地运输吊装条件限制而难于实施。以前,锤重是按桩重的比例选择,后来又按桩极限承载力的比例选择。《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2003)综合了这两个因素,符合桩锤一桩土体系(广义阻抗)匹配的概念。高应变的检测能力目前与静载检测能力相比尚有差距。
    (3)进行高应变承载力检测时,锤的重量应大于预估单桩极限承载力的1.0%~1.5%,混凝土桩的桩径大于600mm或桩长大于30m时取高值。
    高应变动力试桩选择锤重应考虑以下因素:
    ①承载力大小及桩的承载性状的影响。承载力越大,锤越重;承载力构成中端阻力占的比例越大,则要求锤越重。
    ②桩径的影响。桩径越大,桩本身的惯性越大,锤与桩匹配能力下降,要求锤越重。此外,桩径的增大也会增大土的弹限,导致对锤重的要求增加。
    ③桩长的影响。桩越长,应力波在传播过程中的衰减越大,桩中下部及端阻力就越难激发,因而要求的锤重越重。
    ④岩土弹限的影响。桩侧、桩端土的弹限极限较大。土的弹限越大,意味着激发岩土阻力所需的桩土相对位移越大,要求锤重越重。
    ⑤桩垫的影响。桩垫太软,锤激发岩土阻力的能力下降,桩垫太硬则达不到调整、缓冲桩顶均匀受力,保护桩头的目的。因此,桩垫的选择应是保证充分激发岩土阻力前提下,尽量选择较软的桩垫。
    ⑥提倡“重锤低击”。“轻锤高击”虽然可以提高锤击能量,但常会打碎桩头。高应变试桩应大力提倡“重锤低击”。实际应用中,自由落锤的常用落锤高度范围一般为1.0~2. 0m。
    (4)控制落锤高度一般基于以下条件:冲击力不宜过高,否则桩体材料会塑性变形甚至破坏;桩体有一定的沉降位移,确保桩被打动;要求落锤稳定。最大锤击高度不宜大于2.5m。
    (5)重锤宜整体铸造,不宜使用分片组装锤。目前许多用钢板制成的分片组装锤,单片钢板厚度不够,多次试验后钢板变形,组装后钢板与钢板之间有孔隙,锤击时钢板的变形和相互碰撞使得力信号曲线不规则,严重影响计算分析成果,整体锤可避免上述现象。
    (6)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。
    (7)欧洲目前广泛使用的FonDy试验加载设备,该设备的锤重4.0t,最大落距2.5m,其最大的好处是计算机控制可以精确对中,重锤的起吊和下落也很方便。
    (8)图5-11所示分别为IDWS (Israeli  Drop Weight System)高应变锤击装置结构图。落锤重量可以通过导向架两侧的连接螺杆进行组合,同时落距可以调整。桩垫上有一个撞击盘。

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