張開偉,李志勇,齊松松,韓文永,聶慶科

(1河北雙誠建筑工程檢測有限公司，河北 石家莊 050031;2河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

1 引 言

地基土動(dòng)力特性參數(shù)對(duì)于工程地球物理學(xué)和動(dòng)力機(jī)械基礎(chǔ)工業(yè)設(shè)計(jì)研究,均具有重要的技術(shù)支持作用[1]。尤其體現(xiàn)在具體的實(shí)際工業(yè)建設(shè)中,它是動(dòng)力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及建造的重要依據(jù)[2]。因此，獲取巖土層的實(shí)際動(dòng)力特性參數(shù)是地基動(dòng)力測試試驗(yàn)的主要目的，實(shí)際試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，墊層問題在天然土質(zhì)地基激振法測試中并不突出，因?yàn)橥临|(zhì)地基強(qiáng)度較低，剛性較差，自持力也較弱，模型基礎(chǔ)與地基容易貼合在一起，試驗(yàn)場地易于處理，多數(shù)情況下對(duì)測試結(jié)果沒有影響[3]。但在巖石地基上進(jìn)行試驗(yàn)測試時(shí)，墊層就會(huì)成為一項(xiàng)較為突出的問題，由于巖石地基本身硬度及剛度很大，且結(jié)構(gòu)面自持力較強(qiáng)，實(shí)際試驗(yàn)場地模型基礎(chǔ)與地基幾乎都不能很好地貼合及解除，基礎(chǔ)與巖石地基之間存在不連續(xù)接觸面，需要在巖石地基與模型基礎(chǔ)間鋪設(shè)墊層，以使其緊密接觸[4，5]。由于地基動(dòng)力測試是為動(dòng)力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參數(shù)用以指導(dǎo)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)施工的，因此，設(shè)計(jì)及施工采用的墊層方式應(yīng)該與實(shí)際地基動(dòng)力參數(shù)測試時(shí)地基與模型基礎(chǔ)間墊層的方式相同[6]。近年來建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院的李友鵬研究員進(jìn)行了塊體基礎(chǔ)強(qiáng)迫振動(dòng)測試研究，通過采用Z變換高精度頻譜分析技術(shù)及振幅曲線擬合計(jì)算分析技術(shù),提高了測試信號(hào)的頻率和振幅分析精度[7];中國地震局地震研究所王嵐高工利用雙基礎(chǔ)法,實(shí)測了場地土的動(dòng)力參數(shù),重點(diǎn)對(duì)土的動(dòng)剛度、參振質(zhì)量、自振周期及阻尼比等動(dòng)力特性參數(shù)進(jìn)行了研究[8];西安建筑科技大學(xué)王軍教授對(duì)墊層地基、復(fù)合地基上的塊體模型基礎(chǔ)進(jìn)行了地基動(dòng)力參數(shù)測試研究，提出了通過折減系數(shù)修正地基剛度系數(shù)計(jì)算值的綜合確定地基剛度系數(shù)的方法，確定了墊層地基和復(fù)合地基各振型剛度系數(shù)之間的關(guān)系[9];劉志久博士對(duì)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了系統(tǒng)研究，他通過建立塊體基礎(chǔ)復(fù)合集總參數(shù)模型，研究與動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)激振力頻率有關(guān)的動(dòng)力特性參數(shù)，并轉(zhuǎn)化為與激振力頻率無關(guān)的定參數(shù)，通過這些定參數(shù)利用機(jī)械多自由度振動(dòng)理論計(jì)算彈性半空間上塊體基礎(chǔ)的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)[10]。但以上研究均沒有對(duì)巖基基礎(chǔ)地基動(dòng)力測試試驗(yàn)中的墊層的影響問題進(jìn)行詳細(xì)闡述，基于此，本文通過對(duì)某核電工程項(xiàng)目的汽輪機(jī)部分廠房巖石地基基礎(chǔ)上的不同墊層方式塊體模型基礎(chǔ)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)參數(shù)測試，對(duì)比了兩種不同類型墊層方式的測試結(jié)果，對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行了深入研究。

2 項(xiàng)目實(shí)例及測試設(shè)備

該項(xiàng)目研究區(qū)為某火電項(xiàng)目汽輪機(jī)廠房，項(xiàng)目擬在常規(guī)島汽輪機(jī)廠房部位進(jìn)行地基處理施工，項(xiàng)目試驗(yàn)區(qū)也在該部位。項(xiàng)目基礎(chǔ)動(dòng)力測試目的主要是通過模型基礎(chǔ)動(dòng)力特性測試，提供豎向共振頻率、豎向振動(dòng)參振總質(zhì)量、豎向共振振幅、豎向無阻尼固有頻率、豎向阻尼比、抗壓剛度系數(shù)、水平回轉(zhuǎn)耦合振動(dòng)第一振型無阻尼固有頻率、水平回轉(zhuǎn)耦合振動(dòng)第一振型共振峰點(diǎn)水平振幅、水平回轉(zhuǎn)第一振型阻尼比、水平回轉(zhuǎn)耦合振動(dòng)參振總質(zhì)量、抗剪剛度系數(shù)、抗彎剛度系數(shù)及幅頻響應(yīng)曲線等測試參數(shù)。激振設(shè)備由激振器、功率放大器、變頻器、信號(hào)發(fā)生器、激振力監(jiān)控系統(tǒng)等組成，采樣設(shè)備由信號(hào)發(fā)生器，動(dòng)態(tài)拉壓力測量儀，信號(hào)放大器，數(shù)據(jù)采集分析儀，應(yīng)力傳感器及配套計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成。

3 墊層模型基礎(chǔ)方式

該汽輪機(jī)廠房區(qū)域模型基礎(chǔ)與巖石地基采用砂墊層和素混凝土墊層兩種連接方式，其中素混凝土墊層主要以兩種方式與模型基礎(chǔ)連接。一是將高標(biāo)號(hào)素混凝土砂漿薄薄地鋪設(shè)在測試面上鋪平，并保證測試面水平，當(dāng)混凝土達(dá)到一定齡期，強(qiáng)度與巖石地基相當(dāng)后，將模型基礎(chǔ)吊至測試面進(jìn)行測試，這種情況下模型基礎(chǔ)與地基是分開的，與基礎(chǔ)未粘連在一起。二是將高標(biāo)號(hào)素混凝土砂漿攤鋪在測試面上，在混凝土砂漿還未初凝時(shí)，就將模型基礎(chǔ)吊至測試面，當(dāng)達(dá)到一定齡期后進(jìn)行測試。這種情況下模型基礎(chǔ)與地基可能是粘連在一起的一個(gè)整體。對(duì)于這三種墊層方式，均進(jìn)行了試驗(yàn)。

4 具體測試方法

試驗(yàn)項(xiàng)目采用電磁與機(jī)械式兩種類型激振設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)測試，不同類型激振設(shè)備的擾力都是可變常擾力，激振設(shè)備出力幅值不隨頻率變化，試驗(yàn)期間，通過調(diào)節(jié)輸出端電流控制激振設(shè)備擾力大小[7]。激振設(shè)備工作期間，出力端傳遞到模型基礎(chǔ)的擾力是一種組合力，由電磁感應(yīng)力、彈性力、阻尼力及慣性力組成，不是單純的電磁感應(yīng)力，通過力傳感器來監(jiān)測激振設(shè)備與模型基礎(chǔ)之間的受力，計(jì)算地基動(dòng)力測試試驗(yàn)的各項(xiàng)參數(shù)[11,12]。

現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于豎向強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)，激振出力設(shè)備垂直布置在模型基礎(chǔ)中心頂面處，激振出力設(shè)備通過預(yù)埋螺栓與模型基礎(chǔ)鉚接在一起，常擾力豎向垂直基礎(chǔ)頂面，模型基礎(chǔ)重心與擾力作用點(diǎn)處在同一豎向直線上，豎向力傳感器布設(shè)在模型基礎(chǔ)頂面長軸方向，兩端各布置一支;對(duì)于水平回轉(zhuǎn)強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)，激振出力設(shè)備水平安裝在模型基礎(chǔ)側(cè)面中心處，激振出力設(shè)備和模型基礎(chǔ)連接方式與豎向強(qiáng)迫振動(dòng)測試相同，模型基礎(chǔ)頂面軸線長軸方向兩端各布置一支豎向力傳感器，軸線中部布設(shè)一支水平向力傳感器[13,14]。

5 測試結(jié)果與分析

試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于豎向強(qiáng)迫振動(dòng)測試，取模型基礎(chǔ)頂面不少于3點(diǎn)的豎向測點(diǎn)讀取其振動(dòng)的頻率和振幅。通過模型基礎(chǔ)各測點(diǎn)頻率及振幅，繪制幅頻響應(yīng)變化曲線。對(duì)于水平回轉(zhuǎn)向強(qiáng)迫振動(dòng)測試試驗(yàn)，同樣取實(shí)測水平回轉(zhuǎn)振動(dòng)的各測點(diǎn)曲線讀取頻率和振幅，繪制對(duì)應(yīng)曲線。水平回轉(zhuǎn)向振動(dòng)測試的動(dòng)力參數(shù)計(jì)算采用0.707法。

5.1 素混凝土墊層及砂墊層(未粘連)豎向振動(dòng)測試結(jié)果對(duì)比分析

試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)素混凝土墊層(未粘連)連接及砂墊層方式采用不同擾力的實(shí)測豎向振動(dòng)測試數(shù)據(jù)，計(jì)算對(duì)應(yīng)的頻率和振幅，繪制出圖1、圖2的幅頻響應(yīng)曲線。

圖1 素混凝土墊層(未粘連)不同常擾力豎向強(qiáng)迫振動(dòng)測試幅頻響應(yīng)曲線Fig.1 Amplitude-frequency response curve of vertical forced vibration test of plain concrete cushion (unbonded /unadhesived) under different constant disturbances

圖2 砂墊層(未粘連)不同常擾力豎向強(qiáng)迫振動(dòng)測試幅頻響應(yīng)曲線Fig.2 Amplitude-frequency response curve of vertical forced vibration test of sand cushion (unbonded) under different constant disturbances

由圖1、圖2可知，模型基礎(chǔ)與砂及素混凝土墊層(未粘連)連接，其豎向強(qiáng)迫振動(dòng)的幅頻響應(yīng)曲線“鼓包”現(xiàn)象在不同頻段都有所存在。為了減少計(jì)算結(jié)果偏差，在計(jì)算取值時(shí)多采取避開鼓包區(qū)域的方法，減少數(shù)據(jù)計(jì)算的離散性。通過讀取幅頻響應(yīng)曲線的振幅及頻率，依據(jù)規(guī)范計(jì)算取值方法及各項(xiàng)動(dòng)參數(shù)計(jì)算公式，該項(xiàng)目模型基礎(chǔ)試塊豎向強(qiáng)迫振動(dòng)測試結(jié)果計(jì)算如表1所示。

表1 素混凝土墊層及砂墊層(未粘連)在不同常擾力下豎向強(qiáng)迫振動(dòng)測試成果

由圖1、圖2及表1可知，地基與模型基礎(chǔ)采用砂墊層連接時(shí)測試所得模型基礎(chǔ)豎向無阻尼固有頻率、模型基礎(chǔ)豎向振動(dòng)共振頻率、地基抗壓剛度系數(shù)均小于采用素混凝土墊層時(shí)的相應(yīng)動(dòng)力參數(shù)，地基抗壓剛度系數(shù)相差將近一倍。分析其原因，砂墊層強(qiáng)度遠(yuǎn)低于素混凝土墊層和巖石地基，在巖石地基與模型基礎(chǔ)之間鋪設(shè)砂墊層，等于在巖石地基上加了一層軟墊，測試結(jié)果不再是地基本身的動(dòng)力參數(shù)，而是砂墊層軟墊和巖石地基共同作用的結(jié)果，巖石地基本身的剛度以及砂墊層的軟硬、厚薄決定最后的測試結(jié)果。這種測試結(jié)果與動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工的實(shí)際情況是不相符的；而采用素混凝土墊層，素混凝土墊層強(qiáng)度與巖石地基相當(dāng)或高于巖石地基，墊層可以看做是巖石地基的一部分且是一個(gè)剛性墊層，基礎(chǔ)的振動(dòng)可以通過墊層無損耗地傳遞給地基，其測試結(jié)果就由巖石地基本身的動(dòng)力特性決定，這種情況與實(shí)際動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工的情況是相符的。因此，認(rèn)為采用素混凝土墊層與巖石地基未粘連進(jìn)行豎向強(qiáng)迫振動(dòng)測試，其成果數(shù)據(jù)更具代表性和真實(shí)性。

5.2 素混凝土墊層及砂墊層(未粘連)水平向振動(dòng)測試結(jié)果對(duì)比分析

在水平回轉(zhuǎn)強(qiáng)迫振動(dòng)測試中也針對(duì)兩種不同的墊層做了對(duì)比測試工作。圖3為模型基礎(chǔ)與巖石地基砂墊層連接方式水平回轉(zhuǎn)向強(qiáng)迫振動(dòng)測試得到的幅頻響應(yīng)曲線，使用的擾力值分別為0.182 kN和0.425 kN。圖4為模型基礎(chǔ)與巖石地基素混凝土墊層(未粘連)連接方式水平回轉(zhuǎn)向強(qiáng)迫振動(dòng)測試得到的幅頻響應(yīng)曲線，使用的擾力值分別為0.121 kN和0.181 kN。通過采集實(shí)測水平向振動(dòng)測試數(shù)據(jù)，計(jì)算對(duì)應(yīng)的頻率和振幅，繪制出圖3、圖4的幅頻響應(yīng)曲線。

圖3 砂墊層(未粘連)不同常擾力水平向強(qiáng)迫振動(dòng)測試幅頻響應(yīng)曲線Fig.3 The different constant disturbance levels of the sand cushion (unbonded) and the frequency response curve to the forced vibration test

圖4 素混凝土墊層(未粘連)不同常擾力水平向強(qiáng)迫振動(dòng)測試幅頻響應(yīng)曲線Fig.4 The different constant disturbance levels of the concrete cushion (unbonded) and the frequency response curve to the forced vibration test

同樣，依據(jù)規(guī)范常擾力作用下要求的取值辦法及動(dòng)參數(shù)計(jì)算公式，巖石地基模型基礎(chǔ)試塊水平強(qiáng)迫振動(dòng)測試結(jié)果計(jì)算如表2所示。

表2 砂墊層及素混凝土墊層(未粘連)在不同常擾力下水平向強(qiáng)迫振動(dòng)測試成果

由圖3、圖4及表2可知，地基與模型基礎(chǔ)采用砂墊層連接時(shí)測試所得模型基礎(chǔ)水平回轉(zhuǎn)耦合振動(dòng)第一振型無阻尼固有頻率、地基抗剪剛度系數(shù)、水平回轉(zhuǎn)向共振頻率、地基抗彎剛度系數(shù)均小于采用素混凝土墊層時(shí)的相應(yīng)動(dòng)力參數(shù),其原因與豎向強(qiáng)迫振動(dòng)測試基本相同。采用素混凝土墊層與巖石地基未粘連進(jìn)行水平向強(qiáng)迫振動(dòng)測試，其成果數(shù)據(jù)與天然地基基本一致。

5.3 素混凝土墊層(粘連)模型基礎(chǔ)豎向強(qiáng)迫振動(dòng)測試結(jié)果分析

該測試點(diǎn)在常規(guī)島項(xiàng)目巖石地基處，使巖石地基與模型基礎(chǔ)采用素混凝土墊層(粘連)連接方式進(jìn)行連接，使用大噸位機(jī)械式激振器進(jìn)行常擾力豎向強(qiáng)迫振動(dòng)測試，得到幅頻響應(yīng)測試曲線。與前節(jié)素混凝土墊層(未粘連)方式不同，這是在混凝土墊層砂漿還未初凝時(shí)，就將模型基礎(chǔ)吊至測試面，當(dāng)達(dá)到一定齡期后進(jìn)行測試的結(jié)果。此時(shí)模型基礎(chǔ)與地基緊密粘連在一起，地基與基礎(chǔ)成為一個(gè)整體，采用大噸位機(jī)械式激振器激振，試驗(yàn)后用50 t吊車采用最大起吊力進(jìn)行起吊未能使模型基礎(chǔ)與地基分離，最后由切石機(jī)切割墊層的四角，配合大噸位吊車及反力杠桿將模型基礎(chǔ)與地基脫離。通過采集實(shí)測水平向振動(dòng)測試數(shù)據(jù)，計(jì)算對(duì)應(yīng)的頻率和振幅，繪制出圖5的幅頻響應(yīng)曲線。

從圖5可以看出，該幅頻響應(yīng)曲線無明顯的共振幅，振幅相對(duì)于與基礎(chǔ)未粘連的素混凝土墊層形式要小近一個(gè)數(shù)量級(jí)，這表明地基與模型基礎(chǔ)成為一體，測試時(shí)地基很大一部分質(zhì)量參與了振動(dòng)，大大增加了基礎(chǔ)參振總質(zhì)量，同樣的擾力激發(fā)的振幅要小得多，這種情況下計(jì)算的地基剛度系數(shù)要遠(yuǎn)大于與基礎(chǔ)未粘連的情況，這種模型基礎(chǔ)獲得的地基動(dòng)力測試參數(shù)不具參考意義。

圖5 素混凝土墊層(粘連)機(jī)械振動(dòng)常擾力豎向強(qiáng)迫振動(dòng)測試幅頻響應(yīng)曲線Fig.5 The mechanical vibration constant disturbance force vertical forced vibration test amplitude response curve of the concrete cusiont layer (unbonded)

6 結(jié)論與討論

通過對(duì)不同類型墊層在巖石地基動(dòng)力模型基礎(chǔ)的地基動(dòng)力特性參數(shù)測試結(jié)果的分析獲得以下認(rèn)識(shí)：

1)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果顯示，墊層在與巖石地基處于未粘連狀態(tài)時(shí)，若采用素混凝土墊層設(shè)計(jì)基礎(chǔ)連接形式，素混凝土墊層強(qiáng)度與巖石地基接近或高于巖石地基，將墊層看做是巖石地基的一部分，也就是一個(gè)剛性墊層，基礎(chǔ)的振動(dòng)可以通過墊層無損耗地傳遞給地基，實(shí)際測試結(jié)果也顯示由巖石地基本身的動(dòng)力特性決定，實(shí)際動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)與測試得到的數(shù)據(jù)是相匹配的，采用素混凝土墊層進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)測試，其成果數(shù)據(jù)更具代表性。砂墊層強(qiáng)度低于素混凝土墊層及巖石地基，巖石地基與模型基礎(chǔ)之間以砂墊層進(jìn)行連接，二者之間形成阻抗軟墊，測試所得到的不再是地基本身的動(dòng)力參數(shù)，而是砂墊層軟墊和巖石地基共同作用的結(jié)果，巖石地基本身的剛度以及砂墊層的強(qiáng)度參數(shù)共同決定了最后的測試結(jié)果，其測試結(jié)果與實(shí)際動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工況參數(shù)是不相符的。

2)墊層在與巖石地基粘連時(shí)，素混凝土墊層與巖石基礎(chǔ)可以看作是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，地基動(dòng)力測試幅頻響應(yīng)曲線無明顯的共振幅，模型基礎(chǔ)幾乎不發(fā)生共振現(xiàn)象，其振幅與基礎(chǔ)未粘連的素混凝土墊層不在同一數(shù)量級(jí)，無法凸顯共振峰，地基與模型基礎(chǔ)基本融為一體，基礎(chǔ)參振總質(zhì)量巨大，同樣的電磁激振擾力激發(fā)的振幅要小得多，采用大噸位機(jī)械式激振器激振也無法達(dá)到測試效果，計(jì)算得到的地基剛度系數(shù)就要遠(yuǎn)大于與基礎(chǔ)未粘連的情況，實(shí)際動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)不能采用這種模型基礎(chǔ)獲得的動(dòng)力參數(shù)。