軟土地區(qū)PHC樁動(dòng)剛度測試及分析

嚴(yán)文根

(中機(jī)國能電力工程有限公司，上海 200061)

0 引言

燃機(jī)電廠主要建筑物荷載有其特性，對(duì)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(qiáng)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(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在軟土地區(qū)應(yīng)用較多。

燃機(jī)電廠燃機(jī)輪機(jī)和汽輪機(jī)屬于周期性運(yùn)轉(zhuǎn)的大型設(shè)備，其基礎(chǔ)的振動(dòng)和隔振設(shè)計(jì)需要了解樁基的動(dòng)力特性參數(shù)，如動(dòng)剛度。獲得動(dòng)剛度可以基于樁周土的當(dāng)量抗剪剛度系數(shù)和樁尖土的當(dāng)量抗壓剛度系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)取值計(jì)算得到[1]，但對(duì)周期性振動(dòng)機(jī)器的基礎(chǔ)應(yīng)采用強(qiáng)迫振動(dòng)測試方法[2]。

本文根據(jù)PHC 樁的動(dòng)剛度測試，對(duì)軟土地區(qū)燃機(jī)電廠的PHC樁動(dòng)剛度測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)測試過程、分析計(jì)算等提出了建議。

1 動(dòng)剛度試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)原理

當(dāng)樁—土體系在低頻小振幅振動(dòng)時(shí)，樁體以剛性運(yùn)動(dòng)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(dòng)力特性參數(shù)的計(jì)算公式，具體公式可見GB/T 50269—2015《地基動(dòng)力特性測試規(guī)范》(以下簡稱《測試規(guī)范》)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)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(jī)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(duì)樁基模型基礎(chǔ)試驗(yàn)來說，激振力太小，基礎(chǔ)振動(dòng)幅值也小，會(huì)使得振動(dòng)測量的誤差相對(duì)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(jī)械式激振器。

機(jī)械式激振器由變頻器、交流馬達(dá)、偏心塊式激振器組成。其輸出擾力為變擾力，與振動(dòng)頻率的平方成正比。測試所用激振器最高工作頻率達(dá)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(jì)算機(jī)(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(yàn)時(shí)激振器輸出擾力方向?yàn)樨Q向且通過基礎(chǔ)重心，在頂面長邊的中點(diǎn)處安裝兩支豎向傳感器；水平回轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)擾力方向與承臺(tái)長軸方向一致，在頂面長邊的中點(diǎn)處安裝兩支水平傳感器，同時(shí)在短邊中點(diǎn)處安裝兩支豎向傳感器。雙樁承臺(tái)豎向試驗(yàn)設(shè)備連接如圖1所示。

圖1 雙樁承臺(tái)豎向試驗(yàn)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(yùn)行，監(jiān)視振動(dòng)波形，待波形穩(wěn)定且為正弦波時(shí)記錄。增加激振頻率，記錄振動(dòng)波形，直至完成整個(gè)頻段的測試。

1.3 數(shù)據(jù)處理及計(jì)算

采集的信號(hào)為近似正弦的速度信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分，得到位移信號(hào)，讀取位移幅值并記錄。專用軟件可以自動(dòng)計(jì)算信號(hào)的有效值、峰值，由于實(shí)際信號(hào)并不是嚴(yán)格的正弦波，特別是低頻時(shí)或者激振力偏心的情況下，積分得到的位移信號(hào)會(huì)有畸變，軟件自動(dòng)計(jì)算的值會(huì)偏離實(shí)際，這就需要人工讀出多組幅值數(shù)據(jù)，平均后得到振動(dòng)幅值。對(duì)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(jì)算各項(xiàng)參數(shù)。

2 工程應(yīng)用

2.1 江蘇昆山某燃機(jī)項(xiàng)目(項(xiàng)目一)

該項(xiàng)目位于江蘇省昆山市，地貌單元屬?zèng)_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(gè)模型基礎(chǔ)的動(dòng)剛度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1所列。

表1 江蘇昆山某燃機(jī)項(xiàng)目動(dòng)剛度試驗(yàn)結(jié)果

T5單樁的水平回轉(zhuǎn)向強(qiáng)迫振動(dòng)的幅頻曲線發(fā)生了畸變，和正常曲線對(duì)比如圖2～圖3所示，計(jì)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(jì)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(duì)抗剪剛度有一定的提高作用，但其值與承臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果相比差距仍很大，相差約一個(gè)數(shù)量級(jí)，這說明承臺(tái)對(duì)提高樁基抗剪剛度作用很大[3]。

圖2 T4單樁試驗(yàn)水平回轉(zhuǎn)向幅頻曲線

圖3 T5單樁試驗(yàn)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(duì)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(tái)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(tái)中的單樁，和常識(shí)相悖。分析認(rèn)為：橫向上對(duì)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(duì)每根樁而言，發(fā)揮作用的土體就相對(duì)減少了，這就抵消了承臺(tái)底面土對(duì)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(dú)立的單樁。

2.2 上海奉賢某燃機(jī)項(xiàng)目(項(xiàng)目二)

該項(xiàng)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(gè)模型基礎(chǔ)的動(dòng)剛度試驗(yàn)。試驗(yàn)樁型為PHC 600 AB 110，樁長約39.0 m，樁端持力層為⑦2灰色粉細(xì)砂，飽和、密實(shí)。試驗(yàn)結(jié)果見表2所列。

表2 上海奉賢某燃機(jī)項(xiàng)目動(dòng)剛度試驗(yàn)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(xiàng)目一較一致，但兩者均小于承臺(tái)試驗(yàn)折算到一根樁的抗壓剛度，這與項(xiàng)目一的規(guī)律不同。抗剪剛度的變化規(guī)律與項(xiàng)目一相同。

3 測試結(jié)果的幾點(diǎn)分析與討論

3.1 共振頻率及阻尼比

兩個(gè)燃機(jī)項(xiàng)目測試的共振頻率和阻尼比結(jié)果對(duì)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(duì)比表

由單樁到嵌固于承臺(tái)組成樁基礎(chǔ)，豎向振動(dòng)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(shí)測和計(jì)算的水平回轉(zhuǎn)向阻尼比，實(shí)測值(明置情況下)大于計(jì)算值(明置及埋置)，可以推斷埋置后實(shí)測值比計(jì)算值更大，雖然阻尼比小是偏安全的，但很顯然以計(jì)算值進(jìn)行設(shè)計(jì)過于保守。

3.2 抗壓剛度的計(jì)算

GB 50040—96《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《設(shè)計(jì)規(guī)范》)提供了根據(jù)樁周土的當(dāng)量抗剪、抗壓剛度系數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值計(jì)算抗壓剛度的方法。計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果見表4所列。

表4 理論計(jì)算與實(shí)測抗壓剛度對(duì)比

由表4可以得出以下幾點(diǎn)：

1)兩個(gè)項(xiàng)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(xiàng)目一頂板埋深比項(xiàng)目二淺，但實(shí)測單樁抗壓剛度卻是項(xiàng)目一大于項(xiàng)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(xiàng)目一為流塑—軟塑，項(xiàng)目二為流塑，項(xiàng)目一略好于項(xiàng)目二，這個(gè)差異反映到剛度上就是項(xiàng)目一單樁實(shí)測抗壓剛度大于項(xiàng)目二。

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

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

3.3 樁基抗剪剛度的計(jì)算

項(xiàng)目一的抗剪剛度系數(shù)明顯高于項(xiàng)目二，主要是模型基礎(chǔ)的尺寸差異導(dǎo)致。這對(duì)計(jì)算樁基抗壓剛度影響較小，因?yàn)椤对O(shè)計(jì)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(jì)算。對(duì)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(jì)算，則對(duì)于樁間距大于試驗(yàn)樁的基礎(chǔ)，其抗剪剛度會(huì)偏大，對(duì)樁間距小于試驗(yàn)樁的基礎(chǔ)，抗剪剛度會(huì)偏小。為了降低這個(gè)偏差的影響，除了使試驗(yàn)樁間距盡量接近工程樁間距，還應(yīng)參照抗壓剛度的計(jì)算方法，以折算到一根樁的抗剪剛度乘以實(shí)際的工程樁數(shù)來計(jì)算樁基的抗剪剛度。

《設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的樁基抗剪剛度計(jì)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(gè)項(xiàng)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(jì)算值分別為 3.9×105kN/m、6.3×105kN/m，而實(shí) 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(duì)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(jì)算值小于實(shí)測值，安全性有保證，但用于設(shè)計(jì)計(jì)算過于保守。

3.4 動(dòng)、靜剛度對(duì)比

基于靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算小應(yīng)變(加第一級(jí)荷載800 kN或900 kN時(shí)的樁身應(yīng)變)和大應(yīng)變(加承載力極限對(duì)應(yīng)荷載時(shí)的樁身應(yīng)變)下的單樁靜剛度，與實(shí)測單樁動(dòng)剛度做對(duì)比，結(jié)果見表5所列。

表5 單樁靜剛度、動(dòng)剛度對(duì)比表

動(dòng)/靜(小應(yīng)變)比的離散性要小于動(dòng)/靜(大應(yīng)變)，根據(jù)靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)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(dòng)剛度?！对O(shè)計(jì)規(guī)范》中的計(jì)算方法需要對(duì)各土層的當(dāng)量抗剪、抗壓剛度系數(shù)賦值，賦值的準(zhǔn)確性完全取決于測試人員的經(jīng)驗(yàn)，很難保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。而上述根據(jù)靜載試驗(yàn)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(shí)測時(shí)，是一種行之有效的解決思路。

由于承臺(tái)抗剪剛度主要取決于承臺(tái)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(jìn)行動(dòng)、靜對(duì)比意義不大。

4 結(jié)論

通過對(duì)PHC樁的單樁及模型基礎(chǔ)動(dòng)剛度試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，可得出以下結(jié)論：

1)對(duì)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(jì)算值和實(shí)測值存在較大差距，所以含有動(dòng)力機(jī)器的重要工程應(yīng)以實(shí)測方式獲得樁基動(dòng)力特性參數(shù)。

2)在沒有條件實(shí)測又需要提供樁基動(dòng)參數(shù)時(shí)，對(duì)抗壓剛度，可根據(jù)抗壓靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)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(dòng)剛度，可推算樁基的抗壓剛度。對(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可根據(jù)樁周土的當(dāng)量抗剪、抗壓剛度系數(shù)計(jì)算單樁抗壓剛度，計(jì)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(dòng)剛度試驗(yàn)多限于豎向和水平回轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，極少進(jìn)行扭轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，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(jī)械式激振器，同一臺(tái)設(shè)備，可進(jìn)行豎向、水平回轉(zhuǎn)向、扭轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，這樣可簡化設(shè)備安裝及試驗(yàn)過程。通過試驗(yàn)積累經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)，為后續(xù)測試、燃機(jī)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參數(shù)。