預(yù)制方樁與鉆孔灌注樁動力特性試驗研究

單寶學(xué) 閻志迎 司占峰

中國新興建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司 北京 100039

1 前言

機器基礎(chǔ)振動作為一種物理現(xiàn)象在工業(yè)生產(chǎn)普遍存在。為滿足基礎(chǔ)設(shè)計要求，必須通過測試獲取地基動力特性參數(shù)，其是機器基礎(chǔ)振動和隔振設(shè)計以及在動荷載作用下各類建筑物、構(gòu)筑物的動力反應(yīng)和地基動力穩(wěn)定性分析必需的資料，是計算動力機器基礎(chǔ)振動的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其是否符合實際，直接影響到基礎(chǔ)設(shè)計的效果。不同的工程需要采用不同的測試方法和動力參數(shù)，而模型基礎(chǔ)動力參數(shù)測試是動力機器基礎(chǔ)的振動設(shè)計和隔振設(shè)計常用方法，其振動形式分為強迫振動和自由振動兩種激振方式。

某工程分別采用預(yù)制混凝土方樁和鉆孔灌注樁作為樁基礎(chǔ)試樁，進行雙樁承臺的樁基礎(chǔ)動力參數(shù)測試。采用樁基豎向、水平-回轉(zhuǎn)向和扭轉(zhuǎn)向振動測試三種測試方法進行動力特性測試，得出阻尼比（豎向、水平-回轉(zhuǎn)向和扭轉(zhuǎn)向）、參振總質(zhì)量（豎向、水平-回轉(zhuǎn)向和扭轉(zhuǎn)向）、單樁抗壓剛度、樁基抗彎剛度、抗剪剛度、抗剪剛度系數(shù)、抗扭剛度及抗扭剛度系數(shù)等，并采用明置基礎(chǔ)和埋置基礎(chǔ)兩種使用工況，獲得基礎(chǔ)下地基的動力參數(shù)和基礎(chǔ)埋置后對動力參數(shù)的提高效果。

2 樁基礎(chǔ)動力參數(shù)測試方法

本工程采用強迫振動測試，通常的激振設(shè)備有機械式和電磁式。機械式激振設(shè)備是由偏心質(zhì)量在不同的轉(zhuǎn)速下的離心力產(chǎn)生動激力，其隨著激振器轉(zhuǎn)速的變化而變化，也成變擾力。電磁式激振設(shè)備的作用力可以控制，故可以保持不變，也成常擾力。本次測試方法采用機械式，即變擾力試驗，工作頻率取5-50HZ。

根據(jù)規(guī)范要求，樁基礎(chǔ)塊體模型基礎(chǔ)動力測試需同時采用明置基礎(chǔ)和埋置基礎(chǔ)兩種使用工況，一般先進行明置基礎(chǔ)工況下的振動試驗，試驗完畢后，將開挖土分層碾壓回填至模型基礎(chǔ)頂面，再進行埋置基礎(chǔ)工況的測試。

2.1 豎向振動測試

機械式激振測試為了使激振器輸出的擾力能有效的傳到樁頭，激振器和直流電動機與基礎(chǔ)地腳螺栓必須擰緊。安裝時要使機械式激振器的擾力，在基礎(chǔ)重心的同一豎直線上，并在基礎(chǔ)長軸兩端各安置一個傳感器。

2.2水平-回轉(zhuǎn)振動測試

激振設(shè)備的擾力方向應(yīng)調(diào)整到水平方向；在基礎(chǔ)頂面沿長度方向軸線的兩端各布置一臺豎向傳感器。布置豎向傳感器的目的是為了測量基礎(chǔ)回轉(zhuǎn)振動時產(chǎn)后的豎振幅，以便計算基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)角，因此，兩臺傳感器之間的距離必須測量準(zhǔn)確。在基礎(chǔ)中間布置一臺水平向傳感器，以測量基礎(chǔ)的水平振幅。

2.3 扭轉(zhuǎn)振動測試

扭轉(zhuǎn)振動測試應(yīng)在測試基礎(chǔ)上施加一個扭轉(zhuǎn)力矩使基礎(chǔ)產(chǎn)生圍繞豎軸的扭轉(zhuǎn)。振動傳感器應(yīng)同相位對稱布置在基礎(chǔ)頂面沿水平軸線的兩端，其水平振動方向應(yīng)與軸線垂直。

3 理論計算公式

3.1 地基豎向阻尼比

地基豎向阻尼比（ζz）應(yīng)在變擾力幅頻響應(yīng)曲線（d-f曲線）上，選取共振峰峰點和共振頻率0.5～0.85范圍內(nèi)不少于三點的頻率fi及相應(yīng)的振幅di，并按下式計算：

式中：ζzi為由第i點計算的地基豎向阻尼比；fm為基礎(chǔ)豎向振動的共振頻率（HZ）；dm為基礎(chǔ)豎向振動的共振振幅（m）；fi為在幅頻響應(yīng)曲線上選取的第i點的頻率（HZ）；di為在幅頻響應(yīng)曲線上選取的第i點的頻率所對應(yīng)的振幅（m）。

3.2 豎向振動的參振總質(zhì)量

基礎(chǔ)豎向振動的參振總質(zhì)量（mz），其包括基礎(chǔ)、激振設(shè)備和地基參加振動的當(dāng)量質(zhì)量，按下列公式計算：

式中： m0為激振設(shè)備旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量（t）；e0為激振設(shè)備旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量的偏心距（m）。

3.3 單樁抗壓剛度、樁基抗彎剛度

單樁抗壓剛度（kpz）與樁基抗彎剛度（Kpφ），應(yīng)按下列公式計算：

式中 Kz為樁基抗壓剛度（kN/m）；np為樁數(shù)（單樁、雙樁）；ri為第i根樁的軸線至基礎(chǔ)底面形心回轉(zhuǎn)軸的距離(m)。

3.4 水平-回轉(zhuǎn)向第一振型阻尼比

地基水平回轉(zhuǎn)向第一振型阻尼比ζxφ1，應(yīng)按下列公式計算：

式中：dm1為水平回轉(zhuǎn)耦合振動第一振型共振峰點水平振幅（m）；d 為頻率為0.7 0 7 fm1所對應(yīng)的水平振幅（m）。

3.5 水平-回轉(zhuǎn)耦合振動的參振總質(zhì)量

基礎(chǔ)水平-回轉(zhuǎn)耦合振動的參振總質(zhì)量mxφ，應(yīng)按下列公式計算：

式中：ρ1為基礎(chǔ)第一振型轉(zhuǎn)動中心至基礎(chǔ)重心的距離（m）；Φm1為基礎(chǔ)第一振型共振峰點的回轉(zhuǎn)角位移（rad）；dx為基礎(chǔ)重心處的水平振幅（m）。

3.6 地基抗剪剛度和抗剪剛度系數(shù)

地基抗剪剛度Kx和抗剪剛度系數(shù)Cx，應(yīng)按下列公式計算：

式中：fnx為基礎(chǔ)水平向無阻尼固有頻率（HZ）。

3.7 地基抗彎剛度和抗彎剛度系數(shù)

地基抗彎剛度Kφ和抗彎剛度系數(shù)Cφ，應(yīng)按下列公式計算：

式中：fnφ為基礎(chǔ)回轉(zhuǎn)無阻尼固有頻率（Hz）；J為基礎(chǔ)對通過其重心軸的轉(zhuǎn)動慣量（t·m2）；I為基礎(chǔ)底面對通過其形心軸的慣性矩（m4）。

3.8 地基扭轉(zhuǎn)向阻尼比

地基扭轉(zhuǎn)向阻尼比ζψ，應(yīng)按下列公式計算：

式中：dmψ為基礎(chǔ)扭轉(zhuǎn)振動共峰點水平振幅（m）；dxψ為基礎(chǔ)頻率為0.707fmψ所對應(yīng)的水平振幅（m）；fmψ為基礎(chǔ)扭轉(zhuǎn)振動的共振頻率（Hz）

3.9 基礎(chǔ)扭轉(zhuǎn)振動的參振總質(zhì)量

基礎(chǔ)扭轉(zhuǎn)振動的參振總質(zhì)量mψ，應(yīng)按下列公式計算：

式中：mψ包括基礎(chǔ)、激振設(shè)備和地基參加振動的當(dāng)量質(zhì)量（t）；Jz為基礎(chǔ)對通過其重心軸的極轉(zhuǎn)動慣量（t·m2）；fnψ為基礎(chǔ)扭轉(zhuǎn)振動無阻尼固有頻率（HZ）；ωnψ為基礎(chǔ)扭轉(zhuǎn)振動無阻尼固有圓頻率（rad/s）。

3.10 地基抗扭剛度和抗扭剛度系數(shù)

地基抗扭剛度Kψ和抗扭剛度系數(shù)Cψ，應(yīng)按下列公式計算：

4 工程實例-預(yù)制方樁動力特性試驗

4.1 工程地質(zhì)條件

工程場地地面下50.0m深度范圍內(nèi)地層主要由第四紀(jì)全新統(tǒng)（Q4）沖、洪積細顆粒沉積物組成。據(jù)現(xiàn)場鉆探及土工試驗資料，場地地層主要以粉土為主，局部夾粉質(zhì)粘土及礫砂層。

4.2樁基礎(chǔ)參數(shù)及模型基礎(chǔ)

4.2.1 樁基礎(chǔ)參數(shù)

樁基礎(chǔ)參數(shù) 表1

4.2.2 樁基模型基礎(chǔ)參數(shù)

本工程共進行2組模型基礎(chǔ)振動測試，模型基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)（雙樁承臺），根據(jù)不同樁型設(shè)置不同的基礎(chǔ)規(guī)格。采用明置基礎(chǔ)和埋置基礎(chǔ)兩種形式進行強迫振動試驗。測試樁基礎(chǔ)的埋置深度為1.6m。

樁基模型基礎(chǔ)參數(shù) 表2

4.3 試驗測試結(jié)果

本工程共對2個樁基礎(chǔ)進行了激振法測試，首先進行明置基礎(chǔ)振動測試，回填完畢后再進行埋置基礎(chǔ)振動測試。根據(jù)試驗點實測振動測試數(shù)據(jù)，依據(jù)規(guī)范中變擾力作用下要求的取值辦法及動參數(shù)計算公式，樁基礎(chǔ)豎向、水平-回轉(zhuǎn)向及扭轉(zhuǎn)向強迫振動測試結(jié)果計算如表3所示。

預(yù)制鋼筋混凝土方樁及鉆孔灌注樁動力參數(shù)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 表3

4.4 測試結(jié)果分析

由表3中兩種不同樁型承臺的動力參數(shù)測試數(shù)據(jù)可知：

（1）無論何種樁基礎(chǔ)模型，阻尼比（豎向、水平-回轉(zhuǎn)向、扭轉(zhuǎn)向）、基礎(chǔ)參振總質(zhì)量（豎向、水平-回轉(zhuǎn)向、扭轉(zhuǎn)向）明置基礎(chǔ)均小于埋置基礎(chǔ)；單樁抗壓剛度、樁基抗彎剛度、抗剪剛度、抗扭剛度也存在相同趨勢。

（2）由表3可知，預(yù)制方樁混凝土樁模型基礎(chǔ)中，單樁抗壓剛度、抗剪剛度、抗扭剛度在埋置基礎(chǔ)的工況下比明置基礎(chǔ)工況下提高分別約2.14、1.92、1.94倍；由表4可知，鉆孔灌注樁模型基礎(chǔ)中，單樁抗壓剛度、抗剪剛度、抗扭剛度在埋置基礎(chǔ)的工況下比明置基礎(chǔ)工況下提高分別約1.35、2.47、2.61倍，可見埋置基礎(chǔ)的樁基礎(chǔ)動力參數(shù)相對于明置基礎(chǔ)參數(shù)有2倍左右的提高，效果明顯。

（3）由表3可知，不同樁型所得的阻尼比數(shù)值比較接近，可見地基阻尼比與樁型的關(guān)系不大；而鉆孔灌注樁與預(yù)制混凝土方樁相比，前者參振總質(zhì)量、單樁抗壓剛度、抗剪剛度、抗扭剛度比后者有較大提高，明置基礎(chǔ)分別提高約2.30、1.67、3.99倍，埋置基礎(chǔ)分別提高約1.45、2.15、5.36倍，主要與不同樁型的樁徑大小及模型基礎(chǔ)大小有關(guān)。

5 結(jié)論

本工程對預(yù)制混凝土方樁和鉆孔灌注樁兩種樁型進行了動力特性試驗，試驗分析計算得出了動力特性參數(shù)，根據(jù)試驗結(jié)果可知：

（1）即使樁基礎(chǔ)模型不同，埋置基礎(chǔ)與明置基礎(chǔ)相比，動力參數(shù)均有較大提高；

（2）埋置基礎(chǔ)的樁基礎(chǔ)動力參數(shù)相對于明置基礎(chǔ)參數(shù)有2倍左右的提高，效果明顯，與相關(guān)文獻相比提高倍數(shù)較多，應(yīng)與基礎(chǔ)埋置深度有較大關(guān)系。

（3）不同樁型，尤其是樁型設(shè)計參數(shù)不同時，得出的動力參數(shù)除阻尼比外，均有較大差異，樁徑及樁基礎(chǔ)模型參數(shù)越大，得出的動力參數(shù)也相應(yīng)較大。