高應(yīng)變法錘擊系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展應(yīng)用

王紅日，楊金華，謝姣艷，黃良機(jī)，王 強(qiáng)，李星新

（1、湖南金君工程科技有限公司 長(zhǎng)沙410205；2、湖南小二工程科技有限公司 長(zhǎng)沙410199；3、珠海市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)總站 珠海519015；4、珠海交通工程技術(shù)有限公司 珠海519031；5、湖南城市學(xué)院 湖南益陽(yáng)413099）

0 引言

高應(yīng)變法是采用錘擊系統(tǒng)沖擊樁頂，實(shí)測(cè)樁頂部或樁頂附近的速度和力時(shí)程響應(yīng)曲線，通過(guò)采用應(yīng)力波波動(dòng)理論進(jìn)行分析，對(duì)樁基單樁豎向抗壓承載力與樁身完整性進(jìn)行判定的一種檢測(cè)方法［1］。1978 年國(guó)內(nèi)對(duì)高應(yīng)變法檢測(cè)理論、技術(shù)、實(shí)現(xiàn)方式等進(jìn)行各種引進(jìn)、嘗試、驗(yàn)證、檢測(cè)等，經(jīng)過(guò)40 多年［2］來(lái)的蓬勃發(fā)展，高應(yīng)變法檢測(cè)是振動(dòng)理論、應(yīng)力波波動(dòng)原理、數(shù)據(jù)分析與處理、樁基動(dòng)力學(xué)（材料力學(xué)、彈性力學(xué)、巖土力學(xué)）、樁基施工技術(shù)以及有限元分析等多學(xué)科綜合技術(shù)應(yīng)用。

樁基高應(yīng)變法檢測(cè)過(guò)程中采用設(shè)備（非儀器）為錘擊系統(tǒng)：錘體、支架、脫鉤器、導(dǎo)向裝置、鎖定裝置、對(duì)中裝置、吊扣系統(tǒng)、吊裝設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備等；工具類：沖擊鉆、手磨機(jī)、錘子、小扳手、標(biāo)準(zhǔn)孔板、緊固件（平爆螺絲、螺桿）、錘墊等。在此將錘體、支架、脫鉤器、導(dǎo)向裝置、鎖定裝置、對(duì)中裝置、吊扣系統(tǒng)等統(tǒng)稱為高應(yīng)變法錘擊系統(tǒng)［3，4］。高應(yīng)變法錘擊系統(tǒng)為直接激發(fā)瞬態(tài)沖擊激勵(lì)的錘擊設(shè)備或錘擊裝置，國(guó)內(nèi)大多檢測(cè)機(jī)構(gòu)使用的高應(yīng)變錘擊設(shè)備為2～10 t，陳久照等人［5，6］成功研制出20 t 大型組合式高應(yīng)變變動(dòng)力試樁重錘，并不斷推出25 t、30 t 組合式重錘，采用外凸式螺栓聯(lián)結(jié)的組合錘形式，不僅組裝靈活、操作簡(jiǎn)便、人員安全、整體適用，其制造便利直接帶來(lái)了技術(shù)的突破，大大降低成本。2011 年5 月王紅日等人［7，8］研制的42 t特大錘在南水北調(diào)項(xiàng)目完成應(yīng)用。2011年溫振統(tǒng)［9］歷經(jīng)1 年研制50 t（20 t+30 t）特大高應(yīng)變測(cè)試設(shè)備，并于2017年10月推出60 t特大錘高應(yīng)變檢測(cè)重錘研制，將高應(yīng)變法檢測(cè)能力提高到60 000 kN，搶占了高應(yīng)變法技術(shù)和設(shè)備的制高點(diǎn)，刷新了國(guó)內(nèi)乃至世界高應(yīng)變法檢測(cè)錘擊系統(tǒng)的梯度。然而國(guó)內(nèi)區(qū)域發(fā)展極不平衡，國(guó)內(nèi)其他區(qū)域少有公開(kāi)報(bào)道，10～20 t 錘擊系統(tǒng)大部分采用噸位較大的強(qiáng)夯錘進(jìn)行錘擊激振。本文從錘體、支架、脫鉤器、導(dǎo)向裝置、鎖定裝置、對(duì)中裝置、吊扣系統(tǒng)等方面討論國(guó)內(nèi)外高應(yīng)變法錘擊系統(tǒng)的現(xiàn)狀與設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1 錘體

在檢測(cè)過(guò)程中，首先看到的是錘體重量與構(gòu)成方式。按照錘體的重量可分為小錘、中錘、大錘、特大錘、超大錘等，小錘如圖1 所示；按照構(gòu)成方式可分為片片錘、組合錘、整體錘，片片錘如圖2所示；按照外形可分為圓柱體錘、方柱體錘，再細(xì)分為外凸式、內(nèi)凹式；按吊耳的位置可分為上凸式、下凹式；按照材料種類可分為：鑄鋼、鑄鐵、焊接厚鋼板、混凝土錘、外包錘（內(nèi)為混凝土、外包鋼板混凝土或其他物體錘體）等。

1.1 按重量分類

圖1 小錘（3t、全凸體、圓柱體、鑄鋼、整體錘）Fig.1 Small Hammer（3tons，F(xiàn)ull Convex Body，Cylinder，Cast Steel，Integral Hammer）

錘體質(zhì)量不是固定的，其因樁基承載力設(shè)計(jì)值而變，樁基承載力檢測(cè)主要觀察其激發(fā)的能量大小，現(xiàn)將高應(yīng)變法錘擊系統(tǒng)按照錘體重量劃分為小錘、中錘、大錘、特大錘、超大錘等，如表1所示。

表1 錘體重量分類Tab.1 Classification of Hammer Weight（t）

高應(yīng)變法錘體由于市場(chǎng)行情、檢測(cè)單位數(shù)量、整體價(jià)格、技術(shù)水平等，采用不同重量、不同錘體、不同支架或無(wú)支架等各種方式或手段，有可能會(huì)造成工程質(zhì)量問(wèn)題。但各種材料密度差異較大，混凝土密度為2.4～2.6 t∕m3，鋼鐵材料密度為6.9～7.8 t∕m2，其他密度材料極少采用，建議錘體由計(jì)量單位進(jìn)行計(jì)量，并在設(shè)備上進(jìn)行標(biāo)注。

1.2 按構(gòu)成方式分類

錘體構(gòu)成是指錘體整體外觀形式，市場(chǎng)可見(jiàn)整體成型或厚鋼板焊接成型的整體錘，2～3 個(gè)整體錘組合而成的組合錘，或8～15 片等片狀鋼板通過(guò)上下通孔串聯(lián)的片片錘，其結(jié)構(gòu)上最大的區(qū)別是有無(wú)連接件，或連接件大小與長(zhǎng)短等，如表2所示。

表2 錘體構(gòu)成分類Tab.2 Classification of Hammer Body Composition

①整體錘：顧名思義，為不能分開(kāi)的實(shí)心錘體，采用鑄鋼、鑄鐵鑄造而成，一般為長(zhǎng)方體、圓柱體，其底面光滑、平整，頂部留出一吊耳便于起吊。不同重量的整體錘實(shí)為長(zhǎng)寬（或直徑）高的變化，一般為2～60 t等，鑄鋼鑄鐵錘體鑄造完后必須經(jīng)過(guò)后處理、熱處理、切割、機(jī)械加工、機(jī)床精加工等。②有些中錘、大錘、特大錘、超大錘等，可由較小錘體組合而成，整體即稱為組合錘，每個(gè)錘體既可單獨(dú)使用，又可組合為其他較大噸位的錘體，如10 t 鑄鋼組合錘采用4 t+6 t組成，既可作為10 t錘單獨(dú)使用，又可作為4、6、10 t三個(gè)整體錘；50 t 組合式鑄鋼高應(yīng)變法錘擊系統(tǒng)由20 t+30 t組成，可以作為20、30、50 t三個(gè)整體錘，形成一變?nèi)哪Ｊ?，而整個(gè)工作在2個(gè)月內(nèi)完成，極大節(jié)約了工期、費(fèi)用。③片片錘：采用多片式鋼鐵片制作而成，既便于人工裝卸、人工搬運(yùn)、人工調(diào)整錘體重量等，又采用人工的方式脫落，根據(jù)樁基承載力大小選擇不同數(shù)量的鋼鐵片，將分割為100～200 kg鋼鐵片，由2～4人搬抬將螺桿、鋼鐵片串聯(lián)即可，如圖2所示。

圖2 片片錘（2t、無(wú)導(dǎo)向上凸式、圓柱體、鋼板）Fig.2 Sheet Hammer（2tons, Unguided Convex Type，Cylinder，Steel Plate）

還有一類主要用于地基處理的強(qiáng)夯錘，其屬于比較扁平、無(wú)導(dǎo)向裝置、易偏心的大片狀錘體，一般將其劃入片片錘，如圖3所示。

圖3 強(qiáng)夯錘（16t、無(wú)導(dǎo)向上凸式、圓柱體、外包錘、片片錘）Fig.3 Dynamic Compaction Hammer（16tons，Unguided Type，Cylinder, Closed Hammer，Sheet Hammer）

1.3 按形狀分類

目前我國(guó)公路、建筑、鐵路、市政、軌道、水利、水運(yùn)等建設(shè)領(lǐng)域中所使用的樁基99%均為圓形樁，方形錘體錘擊圓形樁時(shí)存在截面嚴(yán)重不一致，但檢測(cè)市場(chǎng)中小噸位、大噸位均采用方形錘體居多，然而方形錘的4 個(gè)角存在應(yīng)力集中，對(duì)樁基產(chǎn)生局部應(yīng)力集中及應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)，會(huì)使樁基頂面、頂部樁周開(kāi)裂、裂縫向下延伸、局部破壞、磞塌等向下，造成試驗(yàn)終止、導(dǎo)線斷裂、傳感器破損等現(xiàn)象。

錘體按照外形一般分為圓柱體、方柱體（見(jiàn)圖4），橫截面為圓形、正方形，錘體的高徑（高寬）比有強(qiáng)制要求，但形狀樣式無(wú)要求。錘體按其橫截面、豎截面劃分為全凹、全凸、半凹∕凸錘體，其主要的區(qū)別是橫截面、豎截面及連接體。豎截面按照吊耳位置劃分為上凸式、下凹式錘體（下凹式錘體吊耳形成一空槽，易積水導(dǎo)致槽體銹蝕）；錘體橫截面內(nèi)凹式、外凸式錘體見(jiàn)導(dǎo)向裝置，其分類如表3所示。

圖4 方柱錘（42t、全凸體、方柱體、外包錘、整體錘）Fig.4 Square Hammer（42tons，F(xiàn)ull Convex Body，Square Cylinder，Closed Hammer，Integral Hammer）

表3 錘體外形分類Tab.3 Classification of Hammer Shape

1.4 按主要材料分類

高應(yīng)變法錘擊系統(tǒng)按照已頒布樁基檢測(cè)規(guī)范均要求采用鑄鋼、鑄鐵澆鑄而成，但有些機(jī)構(gòu)考慮到成本問(wèn)題考慮長(zhǎng)期使用紛紛采用混凝土、球墨鑄鐵等做填充料，部分單位直接采用高標(biāo)號(hào)混凝土直接澆筑成錘使用。綜合考慮其實(shí)錘擊系統(tǒng)也是一個(gè)錘體，只要滿足錘擊能量、錘擊力、不破損、不產(chǎn)生應(yīng)力集中、不對(duì)樁基上表面產(chǎn)生大面積破損影響測(cè)試即可，可以采用更高密度、硬度的金屬材料或其他材料。按材料分類為鑄鋼錘、鑄鐵錘、焊接錘、混凝土錘（見(jiàn)圖5）、外包錘等，如表4所示。但各種材料重度都差別較大，建議高應(yīng)變法錘體應(yīng)進(jìn)行公開(kāi)認(rèn)證或計(jì)量確定。

2 支架

支架為起支撐作用的構(gòu)架，支架的應(yīng)用極其廣泛，但要支撐起2～70 t，其設(shè)計(jì)可謂五花八門。一般按支撐重量分類可分為：不承重、全承重、半承重（見(jiàn)表5）；按結(jié)構(gòu)形式可分為：穿心式支架、三角支架、斜井形（井形）支架、U 形支架、龍門架、車輛支架等，一般采用各種型鋼、鋼材制作，支架分類如表5所示。

圖5 混凝土錘（6t、無(wú)導(dǎo)向上凸式、圓柱體、整體錘）Fig.5 Concrete Hammer（6tons，Unguided Convex Type，Cylinder，Integral Hammer）

表4 錘體材料分類Tab.4 Classification of Hammer Material

表5 支架分類Tab.5 Classification of Bracket

不承重支架主要作用是起限位或?qū)蜃饔?，支架與樁基樁周直接固結(jié)或直接下落基礎(chǔ)，防止錘體錘擊時(shí)倒向樁外，故一般稱之為限位架或?qū)蚣堋Ｈ兄刂Ъ苣軌虺惺苷麄€(gè)錘體、支架、脫鉤器、連接件等重量并有富余系數(shù)；半承重支架錘體重量大部分由吊裝設(shè)備承擔(dān)（通過(guò)脫鉤器實(shí)現(xiàn)）或一般不考慮安全系數(shù)等。

圖6 全承重、三角形支架Fig.6 Full Bearing，Triangular Bracket

圖7 半承重、斜井支架Fig.7 Semi Load Bearing，Inclined Shaft Support

龍門架采用鋼板、大截面管材料制作，整體承載力大幅度提高，目前中錘（＞15 t 錘體）基本采用龍門架，其結(jié)構(gòu)形式如圖8 所示。U 形支架由于其無(wú)頂部受力構(gòu)為不承重結(jié)構(gòu)，一般固結(jié)在樁周或立于地基上，在下落過(guò)程中主要起到限位作用，錘擊樁基中心區(qū)域，采用空箱式結(jié)構(gòu)，下落式支架頂部不承擔(dān)錘體的沖擊。車輛支架主要是支架或部分支架加車輛的方式，車輛作為一種支撐、運(yùn)輸、吊裝等作用。

圖8 半承重、龍門架（60t組合錘）Fig.8 Semi Load Bearing，Mouth Support（60tons Superposed Hammer）

支架高度一般為3.0～5.0 m左右，最高達(dá)8.0～9.5 m，達(dá)到3 層樓高，但支架頂部寬度僅0.3～0.6 m，支架作業(yè)為一不安全因數(shù)，因此高應(yīng)變法錘擊檢測(cè)時(shí)將支架作業(yè)納入危險(xiǎn)作業(yè)管理。

3 脫鉤器

脫鉤器在整個(gè)錘擊系統(tǒng)中體積較小、自重較輕、結(jié)構(gòu)精密，是整個(gè)檢測(cè)過(guò)程“四兩撥千斤”的設(shè)備，是最主要的部件。脫鉤器的好壞直接影響錘體下落，其對(duì)測(cè)試信號(hào)影響很大。脫鉤器是錘體自由落下的打開(kāi)設(shè)備，它的安全可靠對(duì)檢測(cè)工作的安全十分重要。

從錘體扣掛、起吊、鎖定、轉(zhuǎn)移、打開(kāi)、落錘等一系列分解動(dòng)作中，脫鉤裝置承擔(dān)錘體重量、重量轉(zhuǎn)移、行程鎖定、決定打開(kāi)時(shí)間等作用。在高應(yīng)變法錘擊系統(tǒng)逐漸發(fā)展中，出現(xiàn)了不同形狀、形式、結(jié)構(gòu)的脫鉤裝置，通常按承重方式分為全承重、半承重、不承重等；按結(jié)構(gòu)形式劃分為鉗式、鎖扣式、力臂式、鉗臂式（小力矩）［6］、架脫一體式、絞車（或減速器）固定式以及電子脫鉤器等，鉗式、半承重脫鉤器如圖9a 所示，鎖扣式、全承重脫鉤器如圖9b所示。

圖9 脫鉤器Fig.9 Uncoupling Device

要做到精確鎖定、轉(zhuǎn)移、打開(kāi)等動(dòng)作，需要對(duì)脫鉤器進(jìn)行仔細(xì)選材、精密設(shè)計(jì)、材料熱處理、機(jī)械機(jī)床加工等。

4 導(dǎo)向裝置

高應(yīng)變法錘擊系統(tǒng)為自由落體錘，其錘體本可以按照自己的軌跡下落，導(dǎo)向裝置的主要作用是保證錘體偏心或樁頭破損時(shí)錘體不砸向人員、地面、儀器等，導(dǎo)向裝置必須保證足夠的剛度，在錘擊偏心及多次使用后導(dǎo)向桿往往發(fā)生彎曲變形，保證試驗(yàn)過(guò)程中人員、儀器、設(shè)備等的安全。無(wú)導(dǎo)向裝置的錘體一般采用吊鉤加鋼絲繩（落距長(zhǎng)）保證安全。

5 鎖定裝置

行程鎖定為錘體上升至錘擊落距時(shí)將錘體鎖定在支架上的裝置，其為錘擊系統(tǒng)的第三大受力結(jié)構(gòu)，分為半承重（部分承重）或全承重。目前國(guó)內(nèi)最大承擔(dān)60 t 錘重，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須驗(yàn)算其承載力。錘體最大行程不超過(guò)2.5 m，鎖定裝置是一個(gè)高度調(diào)節(jié)裝置，還考慮支架底、樁頭高度等，因此設(shè)計(jì)行程一般大于2.5 m，根據(jù)檢測(cè)過(guò)程需要進(jìn)行調(diào)整。鎖定裝置一般采用單排式、單點(diǎn)雙排式、雙排式等鎖定板或鎖定孔，一般與支架合并設(shè)計(jì)。部分錘擊系統(tǒng)采用其他設(shè)備控制，如絞車自身可以控制標(biāo)高，U 形支架采用兩側(cè)雙排孔洞式鎖定板或中心單排式鎖定板等。

圖10 圓形導(dǎo)向槽（海洋液壓打樁錘）Fig.10 Circular Guide Groove（Marine Hydraulic Pile Hammer）

6 對(duì)中裝置

對(duì)中裝置是將錘體中心、樁基頂面中心在同一鉛垂線上的裝置。確保錘體在脫鉤打開(kāi)情況下，能夠垂直下落，防止錘體在脫鉤過(guò)程中橫向擺動(dòng)，錘擊中心點(diǎn)在樁基中心處。對(duì)中裝置一般采用彩色射燈定位、數(shù)值三維定位（北斗、GPS等）［10］。

7 吊扣系統(tǒng)

吊扣系統(tǒng)實(shí)際包含吊繩、卸扣、脫鉤器、吊車等（脫鉤器、吊車作為單獨(dú)分類）。吊繩分為裝卸用錘體鋼絲繩、支架鋼絲繩，錘擊用主吊繩、側(cè)拉繩、打開(kāi)繩等。鋼絲繩一般選用鋼芯鋼絲繩、麻芯鋼絲繩、防旋轉(zhuǎn)鋼絲繩等，根據(jù)其受理能力、破斷拉力、破斷系數(shù)選取，并根據(jù)扣、吊、路徑等選擇鋼絲繩長(zhǎng)度，以及插編、雞心環(huán)、重型環(huán)套、鋁套等鋼絲繩編制方式等。

卸扣主要是吊繩與脫鉤器、支架連接，其直接承擔(dān)錘體重量，因此必須選擇與之配套的D、B 型卸扣，并考慮荷載余量、強(qiáng)度、銷軸直徑等。

8 結(jié)論

本文介紹了高應(yīng)變法錘擊系統(tǒng)的錘體、支架、脫鉤器、導(dǎo)向裝置、鎖定裝置、對(duì)中裝置、吊扣系統(tǒng)等，提出了錘體分類、支架分類、全承重支架、全承重脫鉤器等，與行業(yè)人士一起分享、討論高應(yīng)變法錘擊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方向與發(fā)展應(yīng)用。