劉飛

安徽建筑大學(xué)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 安徽合肥 230022

地基動(dòng)力參數(shù)是計(jì)算動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)振動(dòng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，一些大型的動(dòng)力設(shè)備的使用越來(lái)越多，如支承活塞式壓縮機(jī)、汽輪機(jī)以及沖擊機(jī)器鍛錘落錘、熱模端壓力機(jī)等。這些動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)與建筑物基礎(chǔ)有所不同，這些動(dòng)力機(jī)器的基礎(chǔ)除受到機(jī)器靜荷載作用外，還受到機(jī)器工作時(shí)不平衡作用力（這個(gè)作用力在《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50040-2020）中稱為擾力）或沖擊力作用而引起的振動(dòng)，這個(gè)擾力可能是穩(wěn)態(tài)的，也可能是暫態(tài)的，如果振動(dòng)過(guò)大，不僅可能引起基礎(chǔ)本身的震動(dòng)進(jìn)而損壞機(jī)器，還可能對(duì)鄰近其他機(jī)器或建筑物造成破壞或?qū)θ松戆踩斐呻[患。因此對(duì)這些動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要提供地基土的一般物理力學(xué)指標(biāo)，還要提供地基動(dòng)力參數(shù)，如地基剛度和阻尼比等參數(shù)值，這些值的精確與否，直接影響到工程設(shè)計(jì)的安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理，因此對(duì)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)地基動(dòng)力參數(shù)的測(cè)試與研究是非常必要的。

一般情況下土層的剛度與阻尼比可按＜＜動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)＞＞（GB50040-2020）進(jìn)行計(jì)算求得，但當(dāng)對(duì)振動(dòng)要求嚴(yán)格的動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)或動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)建造在人工加固的地基上時(shí)或在殘積土、膨脹土、軟粘土等地基中埋置動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)時(shí)，則需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試求得。在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)試驗(yàn)求得地基土的剛度和阻尼比時(shí)，常用的有兩種方法：一種是波速法，通過(guò)實(shí)測(cè)波速求得土層的剪切模量和泊松比，經(jīng)過(guò)換算從而間接求得剛度和阻尼比；另一種是模型法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)塊體基礎(chǔ)模型試驗(yàn)直接測(cè)得。國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范要求對(duì)于動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)所需的地基動(dòng)力參數(shù)應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)采用激振法測(cè)試，本文結(jié)合工程實(shí)例闡述激振法地基動(dòng)力參數(shù)測(cè)試?yán)碚摵唾Y料分析處理等方法技術(shù)。

1 激振法測(cè)試方法原理

塊體基礎(chǔ)激振法振動(dòng)試驗(yàn)依據(jù)質(zhì)量-彈簧-阻尼模型理論，假定基礎(chǔ)為質(zhì)量m的絕對(duì)剛體，地基土視為無(wú)質(zhì)量的彈簧，且起阻尼器的作用，振動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的阻尼力與振動(dòng)速度成正比，如基礎(chǔ)在垂直變擾力p作用下（見圖1）則間諧強(qiáng)迫振動(dòng)方程可寫成：

圖1 激振法試驗(yàn)理論模型

2 測(cè)試實(shí)例

某年產(chǎn)80萬(wàn)噸的柴油加氫精制裝置工程，其壓縮機(jī)廠房?jī)?nèi)設(shè)有往復(fù)式壓縮機(jī)，為確保整個(gè)工程質(zhì)量的安全可靠與造價(jià)的經(jīng)濟(jì)合理，需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行人工地基的模擬基礎(chǔ)的動(dòng)力試驗(yàn)，研究地基土介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)特性，測(cè)試擬建場(chǎng)地地基土的抗壓、抗剪、抗扭剛度系數(shù)及豎向阻尼比、水平回轉(zhuǎn)耦合第一振型阻尼比、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)阻尼比等動(dòng)力參數(shù)，以便在對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)和抗震分析時(shí)使用。

試驗(yàn)場(chǎng)地從勘察報(bào)告中的鉆孔剖面圖顯示揭露的深度內(nèi)，地層自上而下依次為：雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)粘土、粘土混卵石礫砂、砂質(zhì)泥巖強(qiáng)風(fēng)化、砂質(zhì)泥巖中風(fēng)化。本次試驗(yàn)在擬建往復(fù)壓縮機(jī)基礎(chǔ)場(chǎng)地上挖一個(gè)8.7×9.2m2的試坑，坑底位于粉質(zhì)粘土層下0.5m處，距地表3.5m，試驗(yàn)所用的砼塊體基礎(chǔ)底面為回填的毛石砼C10，毛石砼上面鋪50cm厚的1：2砂石墊層，以便塊體與地層緊密接觸，塊體長(zhǎng)2.0m、寬1.5m、高1.2m，砼強(qiáng)度為C20。

試驗(yàn)的主要設(shè)備有：混凝土塊體模型基礎(chǔ)（2.0×1.5×1.2m3）；測(cè)振記錄器；激振設(shè)備采用機(jī)械式激振器，其最大擾力為20KN，最高激振頻率可達(dá)78Hz，整個(gè)試驗(yàn)設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)布置見圖2。

圖2 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖

為確保所測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，激振器必須牢固地固定在塊體基礎(chǔ)上，當(dāng)要改變擾力方向時(shí)只需把部分方向改變即可，另外檢波器可用橡皮泥或石膏粉粘牢在塊體上。試驗(yàn)時(shí)激振器的工作頻率由低到高逐級(jí)變化，在各個(gè)頻率下待振動(dòng)穩(wěn)定后進(jìn)行記錄，選擇各頻率下檢波器理想波形曲線，并取各檢波器所測(cè)振幅的平均值作振幅值，繪制振幅—頻率響應(yīng)曲線，即A～f曲線。測(cè)試在各種振動(dòng)方式下的基礎(chǔ)幅頻響應(yīng)曲線分別見圖3-圖6。

測(cè)試先后采用塊體周圍無(wú)回填土（明置）和有回填土（埋置）兩種方式進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，明置基礎(chǔ)的測(cè)試目的是為了獲得基礎(chǔ)下地基的動(dòng)力參數(shù)，埋置基礎(chǔ)的測(cè)試目的是為了獲得基坑回填埋置后對(duì)地基的動(dòng)力參數(shù)的提高效果，因?yàn)樗械臋C(jī)器基礎(chǔ)都有一定的埋置埋深，有了這兩者的動(dòng)力參數(shù)，就可進(jìn)行機(jī)器基礎(chǔ)的科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)了。

地基土的動(dòng)力參數(shù)可按振動(dòng)理論推導(dǎo)出來(lái)的公式采用點(diǎn)峰法計(jì)算，在Az～f幅頻響應(yīng)曲線上求地基豎向阻尼比，其計(jì)算值與選取的點(diǎn)有關(guān)，為了統(tǒng)一可選取共振峰點(diǎn)和0.85fm以下不少于三點(diǎn)的c頻率和振幅，如圖3-圖4，這樣計(jì)算的平均阻尼比ξz及相應(yīng)的z的結(jié)果差別不會(huì)很大；地基水平回轉(zhuǎn)向第一振型阻尼比，應(yīng)在Axφ～f曲線上選取第一振型的共振頻率（fm）和頻率為0.707fm所對(duì)應(yīng)的水平振幅，如圖5-圖6?？偟膭?dòng)力參數(shù)計(jì)算處理結(jié)果見表1。

表1 塊體基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)測(cè)試值

圖3 無(wú)回填土?xí)r豎向變擾力幅頻響應(yīng)曲線

圖4 有回填土?xí)r豎向變擾力幅頻響應(yīng)曲線

圖5 無(wú)回填土?xí)r水平變擾力幅頻響應(yīng)曲線

圖6 有回填土?xí)r水平變擾力幅頻響應(yīng)曲線

從表1中可以看出，無(wú)論是垂直振動(dòng)還是水平振動(dòng)，基礎(chǔ)周邊回填土對(duì)基礎(chǔ)振動(dòng)的影響是明顯的：使地基剛度增大8%-21%，阻尼比增大25%-60%，相應(yīng)峰點(diǎn)振幅減少2%-17%。

另外，測(cè)試結(jié)果的抗壓剛度系數(shù)值較該場(chǎng)地天然地基抗壓剛度系數(shù)理論推薦使用值大，這是由于在試驗(yàn)塊體基礎(chǔ)底面毛石砼上面鋪50cm厚粗砂碎石層使基礎(chǔ)垂直向自振頻率增大，結(jié)果所反映的基本上是砼墊層的剛度，因此造成測(cè)試結(jié)果抗壓剛度系數(shù)增大，且阻尼比值較理論推薦使用值小。

值得注意的是，現(xiàn)場(chǎng)模型基礎(chǔ)與實(shí)際基礎(chǔ)在靜壓力、基礎(chǔ)底面積、基礎(chǔ)埋置深度等方面都不相同，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)基礎(chǔ)底面積小，其影響深度也小，測(cè)試得到的動(dòng)力參數(shù)只能代表試驗(yàn)基礎(chǔ)，不能直接用于動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的振動(dòng)和隔振設(shè)計(jì)，必須按一定的方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿Q算，才能符合機(jī)器基礎(chǔ)的實(shí)際情況。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的大型動(dòng)力機(jī)器設(shè)備需要進(jìn)行安裝建設(shè)，動(dòng)力參數(shù)測(cè)試具有廣闊的應(yīng)用前景。測(cè)試方法技術(shù)雖然已經(jīng)在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和工程抗震計(jì)算中解決了一些工程實(shí)際問(wèn)題，并為土動(dòng)力學(xué)學(xué)科的理論研究提供重要手段，但由于地層介質(zhì)的復(fù)雜性和多樣性，理論模型還不能完全反映地基基礎(chǔ)振動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際情況，加上儀器設(shè)備和測(cè)試人員水平的差異，測(cè)試結(jié)果也可能帶有一些經(jīng)驗(yàn)成分，所有這些都將影響檢測(cè)結(jié)果的精度，可以采用一種或幾種測(cè)試方法，在綜合分析比較的基礎(chǔ)上確定地基動(dòng)力參數(shù)，最終指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員完成動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，以滿足技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用的設(shè)計(jì)理念。