嚴文根

(中機國能電力工程有限公司，上海 200061)

0 引言

燃機電廠主要建筑物荷載有其特性，對沉降控制要求高，特別在軟土地區(qū)需采用樁基。PHC 樁因具有樁身強度高、單樁承載力高、耐久性好、施工快速、易控制施工質(zhì)量且造價低等優(yōu)點，在軟土地區(qū)應(yīng)用較多。

燃機電廠燃機輪機和汽輪機屬于周期性運轉(zhuǎn)的大型設(shè)備，其基礎(chǔ)的振動和隔振設(shè)計需要了解樁基的動力特性參數(shù)，如動剛度。獲得動剛度可以基于樁周土的當量抗剪剛度系數(shù)和樁尖土的當量抗壓剛度系數(shù)的經(jīng)驗取值計算得到[1]，但對周期性振動機器的基礎(chǔ)應(yīng)采用強迫振動測試方法[2]。

本文根據(jù)PHC 樁的動剛度測試，對軟土地區(qū)燃機電廠的PHC樁動剛度測試結(jié)果進行對比分析，對測試過程、分析計算等提出了建議。

1 動剛度試驗概述

1.1 試驗原理

當樁—土體系在低頻小振幅振動時，樁體以剛性運動為主，樁土體系可簡化為質(zhì)量—彈簧—阻尼模型來分析，可推導(dǎo)出樁基的動力特性參數(shù)的計算公式，具體公式可見GB/T 50269—2015《地基動力特性測試規(guī)范》(以下簡稱《測試規(guī)范》)。

1.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備包括激振設(shè)備、測振系統(tǒng)、便攜電腦及配套軟件。

激振設(shè)備有機械式和電磁式兩種。電磁式為常擾力，即輸出擾力幅值恒定，不隨輸出頻率變化而變化。對樁基模型基礎(chǔ)試驗來說，激振力太小，基礎(chǔ)振動幅值也小，會使得振動測量的誤差相對變大，測得的幅頻曲線不夠光滑，所以《測試規(guī)范》規(guī)定其激振力不宜小于2 000 N。目前較多采用機械式激振器。

機械式激振器由變頻器、交流馬達、偏心塊式激振器組成。其輸出擾力為變擾力，與振動頻率的平方成正比。測試所用激振器最高工作頻率達70 Hz。

測振系統(tǒng)由傳感器、接口箱(含放大、濾波功能)、A/D采集卡、便攜式計算機(裝有采集及處理軟件)及電纜組成。傳感器采用891-Ⅱ型拾振器，速度輸出靈敏度有三檔可調(diào)。

豎向試驗時激振器輸出擾力方向為豎向且通過基礎(chǔ)重心，在頂面長邊的中點處安裝兩支豎向傳感器；水平回轉(zhuǎn)試驗時擾力方向與承臺長軸方向一致，在頂面長邊的中點處安裝兩支水平傳感器，同時在短邊中點處安裝兩支豎向傳感器。雙樁承臺豎向試驗設(shè)備連接如圖1所示。

圖1 雙樁承臺豎向試驗設(shè)備連接示意圖

一般先做豎向測試，后做水平回轉(zhuǎn)向測試。激振器從低頻開始運行，監(jiān)視振動波形，待波形穩(wěn)定且為正弦波時記錄。增加激振頻率，記錄振動波形，直至完成整個頻段的測試。

1.3 數(shù)據(jù)處理及計算

采集的信號為近似正弦的速度信號，對信號進行積分，得到位移信號，讀取位移幅值并記錄。專用軟件可以自動計算信號的有效值、峰值，由于實際信號并不是嚴格的正弦波，特別是低頻時或者激振力偏心的情況下，積分得到的位移信號會有畸變，軟件自動計算的值會偏離實際，這就需要人工讀出多組幅值數(shù)據(jù)，平均后得到振動幅值。對每一頻率重復(fù)上述步驟，得到幅值和激振頻率關(guān)系，繪制幅頻曲線，然后計算各項參數(shù)。

2 工程應(yīng)用

2.1 江蘇昆山某燃機項目(項目一)

該項目位于江蘇省昆山市，地貌單元屬沖積—湖積平原場地，埋深70 m以上主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積物及沖、湖積物，以淤泥質(zhì)土、粘性土、砂類土為主，深度約3 m以下有厚度約18 m的流塑—軟塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。

測試樁型為PHC 600 AB 110-46b，樁端持力層為⑦可塑—軟塑狀粉質(zhì)粘土夾粉土，樁長46.0 m左右。完成了三根單樁及一個模型基礎(chǔ)的動剛度試驗，試驗結(jié)果見表1所列。

表1 江蘇昆山某燃機項目動剛度試驗結(jié)果

T5單樁的水平回轉(zhuǎn)向強迫振動的幅頻曲線發(fā)生了畸變，和正常曲線對比如圖2～圖3所示，計算出的阻尼比明顯低于正常值，事后檢查發(fā)現(xiàn)該樁頂法蘭盤和樁之間出現(xiàn)縫隙，連接剛度不夠，其計算結(jié)果不予采用。T6樁的單樁抗剪剛度要高于T4樁，高出約50%，說明墊層對抗剪剛度有一定的提高作用，但其值與承臺的試驗結(jié)果相比差距仍很大，相差約一個數(shù)量級，這說明承臺對提高樁基抗剪剛度作用很大[3]。

圖2 T4單樁試驗水平回轉(zhuǎn)向幅頻曲線

圖3 T5單樁試驗水平回轉(zhuǎn)向幅頻曲線

T5、T6樁的單樁抗壓剛度均略高于T4，但高出比例很小，約4.6%，說明墊層對抗壓剛度有一定程度提高。

三根單樁的抗壓剛度和兩樁承臺折算到單樁的抗壓剛度相差不大，有墊層的情況下(T5、T6)還略高于承臺中的單樁，和常識相悖。分析認為：橫向上對抗壓剛度有影響的土體范圍通常大于4倍樁徑，而本次模型基礎(chǔ)的2根樁間距只有2.1 m，不到4倍樁徑，影響范圍有一部分重疊，對每根樁而言，發(fā)揮作用的土體就相對減少了，這就抵消了承臺底面土對抗壓剛度的提升，相應(yīng)地折算到一根樁的抗壓剛度就可能略低于獨立的單樁。

2.2 上海奉賢某燃機項目(項目二)

該項目位于上海市奉賢區(qū)杭州灣北岸，地貌單元屬濱海平原與潮坪的交匯地帶，地基土主要由飽和黏性土、粉土及砂土等組成，具水平層理。測試區(qū)深度約6 m以下存在厚度約為19 m的流塑狀態(tài)淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。

測試包括四根單樁及一個模型基礎(chǔ)的動剛度試驗。試驗樁型為PHC 600 AB 110，樁長約39.0 m，樁端持力層為⑦2灰色粉細砂，飽和、密實。試驗結(jié)果見表2所列。

表2 上海奉賢某燃機項目動剛度試驗結(jié)果

由表2可見，單樁抗壓剛度、有墊層的單樁抗壓剛度的變化規(guī)律和項目一較一致，但兩者均小于承臺試驗折算到一根樁的抗壓剛度，這與項目一的規(guī)律不同?？辜魟偠鹊淖兓?guī)律與項目一相同。

3 測試結(jié)果的幾點分析與討論

3.1 共振頻率及阻尼比

兩個燃機項目測試的共振頻率和阻尼比結(jié)果對比見表3所列。模型基礎(chǔ)底面均為粉性土。

表3 共振頻率和阻尼比對比表

由單樁到嵌固于承臺組成樁基礎(chǔ)，豎向振動的共振頻率和阻尼比都是降低的，水平回轉(zhuǎn)向則是共振頻率降低、阻尼比升高。

比較實測和計算的水平回轉(zhuǎn)向阻尼比，實測值(明置情況下)大于計算值(明置及埋置)，可以推斷埋置后實測值比計算值更大，雖然阻尼比小是偏安全的，但很顯然以計算值進行設(shè)計過于保守。

3.2 抗壓剛度的計算

GB 50040—96《動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《設(shè)計規(guī)范》)提供了根據(jù)樁周土的當量抗剪、抗壓剛度系數(shù)經(jīng)驗取值計算抗壓剛度的方法。計算結(jié)果和實測結(jié)果見表4所列。

表4 理論計算與實測抗壓剛度對比

由表4可以得出以下幾點：

1)兩個項目30 m以內(nèi)的地層相近，樁型一致，淤泥質(zhì)土厚度相近，項目一頂板埋深比項目二淺，但實測單樁抗壓剛度卻是項目一大于項目二，原因應(yīng)該是深度25 m以內(nèi)占比最大的淤泥質(zhì)土層的狀態(tài)不同，項目一為流塑—軟塑，項目二為流塑，項目一略好于項目二，這個差異反映到剛度上就是項目一單樁實測抗壓剛度大于項目二。

2)樁基的抗壓剛度主要由基樁提供，承臺本身對樁基抗壓剛度的影響取決于樁間距。承臺明置條件下，樁間距小于4倍樁徑時基本可以忽略，樁間距大于4倍樁徑時，有10%～20%的提升。

3)如果計算至全部樁長，理論計算的結(jié)果大大超過實測值，這說明在小應(yīng)變的條件下，對動剛度有影響的土層埋深是有限度的。根據(jù)上述對比，筆者認為軟土地區(qū)，在沒有條件實測的情況下，采用《設(shè)計規(guī)范》所述方法計算單樁抗壓剛度計算深度不宜超過25 m。

3.3 樁基抗剪剛度的計算

項目一的抗剪剛度系數(shù)明顯高于項目二，主要是模型基礎(chǔ)的尺寸差異導(dǎo)致。這對計算樁基抗壓剛度影響較小，因為《設(shè)計規(guī)范》和《測試規(guī)范》均明確規(guī)定樁基抗壓剛度由單樁抗壓剛度乘以樁數(shù)計算。對抗剪剛度，如果仍按剛度系數(shù)乘以基礎(chǔ)底面積的方法計算，則對于樁間距大于試驗樁的基礎(chǔ)，其抗剪剛度會偏大，對樁間距小于試驗樁的基礎(chǔ)，抗剪剛度會偏小。為了降低這個偏差的影響，除了使試驗樁間距盡量接近工程樁間距，還應(yīng)參照抗壓剛度的計算方法，以折算到一根樁的抗剪剛度乘以實際的工程樁數(shù)來計算樁基的抗剪剛度。

《設(shè)計規(guī)范》給出的樁基抗剪剛度計算方法為取相應(yīng)天然地基抗壓剛度的0.98倍。根據(jù)地層特性，兩個項目天然地基抗壓剛度系 數(shù) 分 別 按 45 000 kN/m3、35 000 kN/m3考慮，則明置情況下模型基礎(chǔ)的抗剪剛度計算值分別為 3.9×105kN/m、6.3×105kN/m，而實 測 值 為 11.9×105kN/m、10.9×105kN/m，相差懸殊，主要原因在于沒有考慮到基礎(chǔ)內(nèi)樁型、數(shù)量及樁間距對樁基抗剪剛度的影響并不隨基礎(chǔ)面積的增加而成比例增加，雖然計算值小于實測值，安全性有保證，但用于設(shè)計計算過于保守。

3.4 動、靜剛度對比

基于靜載試驗數(shù)據(jù)，分別計算小應(yīng)變(加第一級荷載800 kN或900 kN時的樁身應(yīng)變)和大應(yīng)變(加承載力極限對應(yīng)荷載時的樁身應(yīng)變)下的單樁靜剛度，與實測單樁動剛度做對比，結(jié)果見表5所列。

表5 單樁靜剛度、動剛度對比表

動/靜(小應(yīng)變)比的離散性要小于動/靜(大應(yīng)變)，根據(jù)靜載試驗數(shù)據(jù)計算小應(yīng)變下的靜剛度，乘以1.2～1.4的比例系數(shù)可得到單樁抗壓動剛度?！对O(shè)計規(guī)范》中的計算方法需要對各土層的當量抗剪、抗壓剛度系數(shù)賦值，賦值的準確性完全取決于測試人員的經(jīng)驗，很難保證計算結(jié)果的準確性。而上述根據(jù)靜載試驗數(shù)據(jù)推算的辦法可有效降低人為因素的影響，在沒有條件實測時，是一種行之有效的解決思路。

由于承臺抗剪剛度主要取決于承臺底面土層的抗剪能力及側(cè)面土的抗壓能力，且單樁抗剪剛度在樁基抗剪剛度中占比較小，進行動、靜對比意義不大。

4 結(jié)論

通過對PHC樁的單樁及模型基礎(chǔ)動剛度試驗結(jié)果的對比分析，可得出以下結(jié)論：

1)對于軟土地區(qū)的PHC樁樁基，其抗壓剛度、抗剪剛度、阻尼比等理論計算值和實測值存在較大差距，所以含有動力機器的重要工程應(yīng)以實測方式獲得樁基動力特性參數(shù)。

2)在沒有條件實測又需要提供樁基動參數(shù)時，對抗壓剛度，可根據(jù)抗壓靜載試驗數(shù)據(jù)計算小應(yīng)變下的靜剛度，乘以1.2～1.4的比例系數(shù)得到單樁抗壓動剛度，可推算樁基的抗壓剛度。對抗剪剛度，仍可由相應(yīng)天然地基抗壓剛度推算。

3)沒有靜載試驗數(shù)據(jù)時，可根據(jù)樁周土的當量抗剪、抗壓剛度系數(shù)計算單樁抗壓剛度，計算深度不宜超過25 m。

4)由單樁(樁頂自由)抗壓剛度推算樁基抗壓剛度，需考慮樁間距，樁間距小于等于4倍樁徑，可不考慮提高，大于4倍樁徑，可提高10%～20%。

目前國內(nèi)動剛度試驗多限于豎向和水平回轉(zhuǎn)向試驗，極少進行扭轉(zhuǎn)向試驗，主要原因是缺乏扭轉(zhuǎn)向激振設(shè)備。今后應(yīng)研制輸出擾力大的機械式激振器，同一臺設(shè)備，可進行豎向、水平回轉(zhuǎn)向、扭轉(zhuǎn)向試驗，這樣可簡化設(shè)備安裝及試驗過程。通過試驗積累經(jīng)驗及數(shù)據(jù)，為后續(xù)測試、燃機地基基礎(chǔ)設(shè)計提供參數(shù)。