王紅日，楊金華，謝姣艷，黃良機，王 強，李星新

（1、湖南金君工程科技有限公司 長沙410205；2、湖南小二工程科技有限公司 長沙410199；3、珠海市建設工程質量監(jiān)督檢測總站 珠海519015；4、珠海交通工程技術有限公司 珠海519031；5、湖南城市學院 湖南益陽413099）

0 引言

高應變法是采用錘擊系統(tǒng)沖擊樁頂，實測樁頂部或樁頂附近的速度和力時程響應曲線，通過采用應力波波動理論進行分析，對樁基單樁豎向抗壓承載力與樁身完整性進行判定的一種檢測方法［1］。1978 年國內對高應變法檢測理論、技術、實現(xiàn)方式等進行各種引進、嘗試、驗證、檢測等，經過40 多年［2］來的蓬勃發(fā)展，高應變法檢測是振動理論、應力波波動原理、數(shù)據(jù)分析與處理、樁基動力學（材料力學、彈性力學、巖土力學）、樁基施工技術以及有限元分析等多學科綜合技術應用。

樁基高應變法檢測過程中采用設備（非儀器）為錘擊系統(tǒng)：錘體、支架、脫鉤器、導向裝置、鎖定裝置、對中裝置、吊扣系統(tǒng)、吊裝設備、運輸設備等；工具類：沖擊鉆、手磨機、錘子、小扳手、標準孔板、緊固件（平爆螺絲、螺桿）、錘墊等。在此將錘體、支架、脫鉤器、導向裝置、鎖定裝置、對中裝置、吊扣系統(tǒng)等統(tǒng)稱為高應變法錘擊系統(tǒng)［3，4］。高應變法錘擊系統(tǒng)為直接激發(fā)瞬態(tài)沖擊激勵的錘擊設備或錘擊裝置，國內大多檢測機構使用的高應變錘擊設備為2～10 t，陳久照等人［5，6］成功研制出20 t 大型組合式高應變變動力試樁重錘，并不斷推出25 t、30 t 組合式重錘，采用外凸式螺栓聯(lián)結的組合錘形式，不僅組裝靈活、操作簡便、人員安全、整體適用，其制造便利直接帶來了技術的突破，大大降低成本。2011 年5 月王紅日等人［7，8］研制的42 t特大錘在南水北調項目完成應用。2011年溫振統(tǒng)［9］歷經1 年研制50 t（20 t+30 t）特大高應變測試設備，并于2017年10月推出60 t特大錘高應變檢測重錘研制，將高應變法檢測能力提高到60 000 kN，搶占了高應變法技術和設備的制高點，刷新了國內乃至世界高應變法檢測錘擊系統(tǒng)的梯度。然而國內區(qū)域發(fā)展極不平衡，國內其他區(qū)域少有公開報道，10～20 t 錘擊系統(tǒng)大部分采用噸位較大的強夯錘進行錘擊激振。本文從錘體、支架、脫鉤器、導向裝置、鎖定裝置、對中裝置、吊扣系統(tǒng)等方面討論國內外高應變法錘擊系統(tǒng)的現(xiàn)狀與設計應用。

1 錘體

在檢測過程中，首先看到的是錘體重量與構成方式。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，再細分為外凸式、內凹式；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）

錘體質量不是固定的，其因樁基承載力設計值而變，樁基承載力檢測主要觀察其激發(fā)的能量大小，現(xiàn)將高應變法錘擊系統(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）

高應變法錘體由于市場行情、檢測單位數(shù)量、整體價格、技術水平等，采用不同重量、不同錘體、不同支架或無支架等各種方式或手段，有可能會造成工程質量問題。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，建議錘體由計量單位進行計量，并在設備上進行標注。

1.2 按構成方式分類

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

表2 錘體構成分類Tab.2 Classification of Hammer Body Composition

①整體錘：顧名思義，為不能分開的實心錘體，采用鑄鋼、鑄鐵鑄造而成，一般為長方體、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為長寬（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過后處理、熱處理、切割、機械加工、機床精加工等。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，每個錘體既可單獨使用，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錘單獨使用，又可作為4、6、10 t三個整體錘；50 t 組合式鑄鋼高應變法錘擊系統(tǒng)由20 t+30 t組成，可以作為20、30、50 t三個整體錘，形成一變三的模式，而整個工作在2個月內完成，極大節(jié)約了工期、費用。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、人工調整錘體重量等，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、無導向上凸式、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夯錘，其屬于比較扁平、無導向裝置、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 強夯錘（16t、無導向上凸式、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

目前我國公路、建筑、鐵路、市政、軌道、水利、水運等建設領域中所使用的樁基99%均為圓形樁，方形錘體錘擊圓形樁時存在截面嚴重不一致，但檢測市場中小噸位、大噸位均采用方形錘體居多，然而方形錘的4 個角存在應力集中，對樁基產生局部應力集中及應力擴散效應，會使樁基頂面、頂部樁周開裂、裂縫向下延伸、局部破壞、磞塌等向下，造成試驗終止、導線斷裂、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（見圖4），橫截面為圓形、正方形，錘體的高徑（高寬）比有強制要求，但形狀樣式無要求。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，易積水導致槽體銹蝕）；錘體橫截面內凹式、外凸式錘體見導向裝置，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

高應變法錘擊系統(tǒng)按照已頒布樁基檢測規(guī)范均要求采用鑄鋼、鑄鐵澆鑄而成，但有些機構考慮到成本問題考慮長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號混凝土直接澆筑成錘使用。綜合考慮其實錘擊系統(tǒng)也是一個錘體，只要滿足錘擊能量、錘擊力、不破損、不產生應力集中、不對樁基上表面產生大面積破損影響測試即可，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，建議高應變法錘體應進行公開認證或計量確定。

2 支架

支架為起支撐作用的構架，支架的應用極其廣泛，但要支撐起2～70 t，其設計可謂五花八門。一般按支撐重量分類可分為：不承重、全承重、半承重（見表5）；按結構形式可分為：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、無導向上凸式、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導向作用，支架與樁基樁周直接固結或直接下落基礎，防止錘體錘擊時倒向樁外，故一般稱之為限位架或導向架。全承重支架能夠承受整個錘體、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備承擔（通過脫鉤器實現(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，其結構形式如圖8 所示。U 形支架由于其無頂部受力構為不承重結構，一般固結在樁周或立于地基上，在下落過程中主要起到限位作用，錘擊樁基中心區(qū)域，采用空箱式結構，下落式支架頂部不承擔錘體的沖擊。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8.0～9.5 m，達到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)，因此高應變法錘擊檢測時將支架作業(yè)納入危險作業(yè)管理。

3 脫鉤器

脫鉤器在整個錘擊系統(tǒng)中體積較小、自重較輕、結構精密，是整個檢測過程“四兩撥千斤”的設備，是最主要的部件。脫鉤器的好壞直接影響錘體下落，其對測試信號影響很大。脫鉤器是錘體自由落下的打開設備，它的安全可靠對檢測工作的安全十分重要。

從錘體扣掛、起吊、鎖定、轉移、打開、落錘等一系列分解動作中，脫鉤裝置承擔錘體重量、重量轉移、行程鎖定、決定打開時間等作用。在高應變法錘擊系統(tǒng)逐漸發(fā)展中，出現(xiàn)了不同形狀、形式、結構的脫鉤裝置，通常按承重方式分為全承重、半承重、不承重等；按結構形式劃分為鉗式、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、轉移、打開等動作，需要對脫鉤器進行仔細選材、精密設計、材料熱處理、機械機床加工等。

4 導向裝置

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

5 鎖定裝置

行程鎖定為錘體上升至錘擊落距時將錘體鎖定在支架上的裝置，其為錘擊系統(tǒng)的第三大受力結構，分為半承重（部分承重）或全承重。目前國內最大承擔60 t 錘重，因此設計時必須驗算其承載力。錘體最大行程不超過2.5 m，鎖定裝置是一個高度調節(jié)裝置，還考慮支架底、樁頭高度等，因此設計行程一般大于2.5 m，根據(jù)檢測過程需要進行調整。鎖定裝置一般采用單排式、單點雙排式、雙排式等鎖定板或鎖定孔，一般與支架合并設計。部分錘擊系統(tǒng)采用其他設備控制，如絞車自身可以控制標高，U 形支架采用兩側雙排孔洞式鎖定板或中心單排式鎖定板等。

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

6 對中裝置

對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情況下，能夠垂直下落，防止錘體在脫鉤過程中橫向擺動，錘擊中心點在樁基中心處。對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)實際包含吊繩、卸扣、脫鉤器、吊車等（脫鉤器、吊車作為單獨分類）。吊繩分為裝卸用錘體鋼絲繩、支架鋼絲繩，錘擊用主吊繩、側拉繩、打開繩等。鋼絲繩一般選用鋼芯鋼絲繩、麻芯鋼絲繩、防旋轉鋼絲繩等，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、強度、銷軸直徑等。

8 結論

本文介紹了高應變法錘擊系統(tǒng)的錘體、支架、脫鉤器、導向裝置、鎖定裝置、對中裝置、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、討論高應變法錘擊系統(tǒng)的設計方向與發(fā)展應用。