專利名稱：一種在基樁高應變動力檢測中測量錘擊力的方法及儀器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到在基樁高應變動力檢測中一種用于測量錘擊力的方法及配套使用的采集記錄儀器，屬于土木工程的樁基工程質量檢測領域。
背景技術：
在樁基工程質量檢測時，經(jīng)常采用基樁高應變動力檢測(亦稱高應變動力試樁)方式對樁基礎中的基樁豎向抗壓承載力和樁身結構完整性的檢測。在傳統(tǒng)的基樁高應變動力檢測中，樁頂?shù)腻N擊力波和速度響應分別通過對稱安裝在測量截面(約距樁頂2D，D為樁的直徑或邊寬，以下同)處的2支環(huán)式應變計和2支加速度計測量，其中環(huán)式應變計輸出的應變測量值需乘以估算的樁身材料彈性模量才能換算成力值。由于絕大多數(shù)樁基材料為混凝土，制樁或成樁工藝的不同，存在著不同程度的非線性和非均勻性，使錘擊力波測量出現(xiàn)以下問題(1)重錘的沖擊力幅值高，混凝土變形遠遠超出線彈性范圍，非線性使“彈性模量”隨應變的增加而遞減，采用低應變幅值對應的彈性模量乘以實測應變值換算得到的力值偏高，準確度低，并導致?lián)朔治鲇嬎愕玫降臉冻休d力數(shù)值放大，對工程不安全。特別在錘擊偏心和混凝土非均勻性因素的耦合影響下，錘擊力波測試失敗的情況時有出現(xiàn)，甚至變形過大造成環(huán)式應變計損壞。
(2)灌注樁測試一般要在安裝傳感器的測量截面(約距樁頂2D)以上范圍內重新加固處理樁頭，費時并增加檢測成本。若在未處理的樁頭混凝土側表面直接安裝環(huán)式應變計，錘擊力波測試失敗的幾率增加且普遍存在測試力信號質量差的問題。
本

發(fā)明內容
基于上述目前基樁高應變動力檢測中錘擊力測量存在的問題，本發(fā)明的目的是提出一種測量錘擊力的方法和儀器，通過該方法及配套的測試儀器，直接測量計算得到錘擊力波波形，進而解決按傳統(tǒng)方式進行基樁高應變動力檢測時錘擊力測試準確度低、測試力信號質量差的問題，是一種替代傳統(tǒng)的利用環(huán)式應變計測量應變來換算錘擊力的方法。
本發(fā)明是通過同步測量自由落錘錘體的加速度信號和樁身加速度信號，對錘體上縱、橫波造成的加速度信號的高頻干擾進行低通濾波，利用牛頓第二定律計算得到樁頂錘擊力，再利用樁頂下測量截面處的加速度測量值對測量截面至樁頂范圍的樁頭部分進行慣性效應修正，從而實現(xiàn)測量截面處的錘擊力測量。其具體方法步驟為(1)利用對稱安裝于錘體上、可測量沖擊加速度的傳感器，以及和傳感器相連的信號采集記錄儀器，測量記錄重錘自由下落撞擊樁頂時在錘體上產(chǎn)生的沖擊加速度隨時間t的變化ar(t)；(2)針對自由落錘與導向裝置發(fā)生碰撞或摩擦引起的錘體內縱、橫波高頻干擾頻率的不同，選擇濾波截止頻率或陷波頻率，對加速度信號ar(t)進行低通濾波或陷波；(3)利用公式Fr(t)＝mrar(t)計算得到樁頂錘擊力波時程曲線Fr(t)，式中mr為自由落錘的質量；(4)利用安裝在測量截面深度處樁側表面、可測量沖擊加速度的傳感器，以及和傳感器相連的信號采集記錄儀器，測量記錄落錘自由下落撞擊樁頂時在樁身上產(chǎn)生的沖擊加速度隨時間t的變化ap(t)；(5)利用未積分的加速度時間信號ap(t)，由公式Fp(t)＝mpap(t)計算樁頭慣性力時程曲線Fp(t)，其中ap(t)為對稱安裝在距樁頂1D～2D深度的測量截面處的加速度傳感器輸出信號，mp為樁頂至測量截面深度范圍內樁頭混凝土的質量；(6)利用公式F(t)＝Fr(t)-Fp(t)進行樁頭慣性效應修正，計算得到測量截面處的錘擊力時程曲線F(t)。
采用傳統(tǒng)的基樁高應變動力檢測時，錘擊力波量是通過實測測量截面處的應變，然后乘以估算的樁身材料彈性模量換算力值，由于樁材混凝土的非線性及高應力水平?jīng)_擊，“彈性模量”并非常數(shù)，換算力值準確度低；由于錘擊偏心和樁材混凝土非均勻性的耦合影響，造成測試力信號質量差。而本發(fā)明是其利用兼容傳統(tǒng)的基樁高應變動力檢測方式的擴展型儀器——在傳統(tǒng)的兩個加速度測量通道的基礎上擴展成四個加速度測量通道的儀器，通過直接測量落錘加速度、按牛頓第二定律計算得到樁頂錘擊力。在將樁頂錘擊力轉化成測量截面錘擊力時，落錘加速度信號中的高頻干擾和樁頭慣性效應只分別與落錘的幾何尺寸和樁頭的慣性質量有關，與混凝土的材質及應力-應變關系無關，進而明顯改善了混凝土樁的高應變錘擊力波信號測試質量，提高了錘擊力波測量準確度；此外，采用本方法進行灌注樁現(xiàn)場檢測時，可適當減小混凝土樁頭加固范圍以及樁頭開挖深度，一定程度地降低了檢測成本、提高了檢測效率。
下面結合測量方法的具體實施例對本發(fā)明作進一步闡述。


圖1為本發(fā)明測量方法及配套儀器工作原理示意圖。
圖2為利用圖1所示采集記錄儀器測得的錘擊力波時程曲線。
具體實施例方式
具體實施方法、步驟為(1)在圖1中的錘體M1錘體中部對稱安裝2支可測量沖擊加速度的傳感器A1，在距樁頂平面P1以下1D～2D的測量平面P2深度處的樁身P側表面對稱安裝2支可測量沖擊加速度的傳感器A2；加速度傳感器A1和A2分別通過信號線A3與4通道采集記錄儀器A4相連；(2)計算圖1中平面P1至平面P2深度范圍的樁頭體積、乘以樁身材料的質量密度得到樁頭的慣性質量mp；(3)根據(jù)圖1中自由落錘錘體M1的幾何尺寸，預設高頻濾波或陷波截止頻率fH；(4)如圖1所示，錘體M1沿導架M2下落撞擊樁頂平面P1，利用與信號線A3相連的采集記錄儀器A4，同步采集記錄在錘體M1上的加速度傳感器A1產(chǎn)生的沖擊加速度信號ar(t)、以及在樁身P上的加速度傳感器A2產(chǎn)生的沖擊加速度信號ap(t)；(5)根據(jù)干擾波頻率的高低，選擇濾波截止頻率或陷波頻率，對加速度信號ar(t)進行低通濾波或陷波；(6)利用公式Fr(t)＝mrar(t)計算得到樁頂平面P1處的錘擊力波時程曲線Fr(t)；(7)利用公式Fp(t)＝mpap(t)計算得到樁頭慣性力時程曲線Fp(t)；(8)利用公式F(t)＝Fr(t)-Fp(t)進行慣性效應修正，計算得到如圖2所示的測量截面P2處的錘擊力時程曲線F(t)。
本發(fā)明中測量沖擊加速度的傳感器是不限定的，其可以采用壓電式、壓阻式、電容式等類型；同樣，對采集記錄儀器的信號適調、模-數(shù)轉換精度、采樣頻率等不予限定。
權利要求
1.一種基樁高應變檢測時測量錘擊力波的方法，其特征在于其是通過直接測量落錘錘體和樁頭的加速度，對落錘錘體的加速度信號進行低通濾波或陷波，按牛頓第二定律分別計算得到樁頂?shù)腻N擊力和樁頭的慣性力，將樁頂錘擊力進行慣性效應修正后得到樁頂以下的測量截面處的錘擊力，從而實現(xiàn)錘擊力波的測量。其具體步驟為(1)利用對稱安裝于錘體上、可測量沖擊加速度的傳感器，以及和傳感器相連的信號采集記錄儀器，測量記錄落錘自由下落撞擊樁頂時在錘體上產(chǎn)生的沖擊加速度時間信號ar(t)；(2)針對自由落錘與導向裝置發(fā)生碰撞或摩擦引起的錘體內縱、橫波高頻干擾頻率的不同，選擇濾波截止頻率或陷波頻率，對加速度信號ar(t)進行低通濾波或陷波；(3)利用公式Fr(t)＝mrar(t)計算得到樁頂錘擊力波時程曲線Fr(t)；(4)利用安裝在測量截面深度處樁側表面、可測量沖擊加速度的傳感器，以及和傳感器相連的信號采集記錄儀器，測量記錄落錘自由下落撞擊樁頂時在樁身上產(chǎn)生的沖擊加速度時間信號ap(t)；(5)利用未積分的加速度時間信號ap(t)，由公式Fp(t)＝mpap(t)計算樁頭慣性力時程曲線Fp(t)；(6)利用公式F(t)＝Fr(t)-Fp(t)進行慣性效應修正，計算得到測量截面處的錘擊力時程曲線F(t)。
2.一種同步采集記錄錘體加速度和樁身加速度的儀器、并兼容傳統(tǒng)的基樁高應變動力檢測方法的儀器，該儀器的特征在于一種在傳統(tǒng)的、只具有兩個樁身加速度測量通道的基樁高應變動力檢測儀器的基礎上，增加兩個測量自由落錘錘體沖擊加速度的通道，為具有四個加速度同步測量通道的擴展型儀器；一種完全兼容傳統(tǒng)的基樁高應變動力檢測方法的儀器；一種能實現(xiàn)錘體測量加速度通道與傳統(tǒng)的環(huán)式應變計測力通道的硬件切換、并通過軟件予以識別的儀器；一種能針對不同頻率的干擾波選擇低通濾波或陷波的儀器；兩個通過信號線與擴展型儀器相連的、可測量自由落錘錘體沖擊加速度的傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及基樁高應變動力檢測時一種用于測量錘擊力的方法及配套儀器，屬于土木工程的樁基工程質量檢測領域。其利用兼容傳統(tǒng)的基樁高應變動力檢測方法的擴展型儀器，通過直接測量自由落錘錘體和樁頭的加速度，對錘體的加速度信號進行低通濾波，按牛頓第二定律分別計算得到樁頂?shù)腻N擊力和樁頭的慣性力，將樁頂錘擊力進行慣性效應修正后得到樁頂以下測量截面處的錘擊力。由于落錘加速度信號中的高頻干擾和樁頭慣性效應只分別與落錘的幾何尺寸和樁頭的慣性質量有關，與混凝土的材質及應力－應變關系無關，進而提高了混凝土樁的高應變錘擊力波信號測試質量和準確度。此外，采用本方法進行灌注樁現(xiàn)場檢測時，可適當減小混凝土樁頭加固費用和節(jié)約樁頭開挖時間。
文檔編號G01P15/00GK101078661SQ20071012294
公開日2007年11月28日 申請日期2007年7月5日 優(yōu)先權日2007年7月5日
發(fā)明者陳凡, 李健民, 徐教宇 申請人:中國建筑科學研究院