張開偉 聶慶科 李志勇 齊松松 魏建明

（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；3.河北中鋼巖土工程勘察有限公司，河北石家莊 050031）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是工業(yè)建筑設(shè)計(jì)的重要部分，尤其在沿海區(qū)域海相沉積上的大型水運(yùn)工程動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)參數(shù)確定更為重要[1]，這些區(qū)域軟基在經(jīng)過真空堆載預(yù)壓處理后，其地基承載性狀及動(dòng)力參數(shù)特性都發(fā)生較大改變，地基參數(shù)的改變對(duì)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也會(huì)產(chǎn)生較大影響[2]。在這些區(qū)域開展動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意軟基經(jīng)過真空堆載預(yù)壓處理后其原始地基參數(shù)也發(fā)生改變[3]，如果設(shè)計(jì)參數(shù)不隨之調(diào)整，原始承載性狀改變后的地基基礎(chǔ)會(huì)產(chǎn)生過大的振動(dòng)，這會(huì)直接影響機(jī)器的工作精度和設(shè)備儀表的正常工作狀態(tài)，對(duì)使用人員身心健康也會(huì)造成影響，振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)機(jī)器將產(chǎn)生巨大破壞甚至發(fā)生不可挽回的安全事故[4]。工業(yè)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的目的主要是是降低基礎(chǔ)的振動(dòng)量，獲得基礎(chǔ)參數(shù)的各項(xiàng)換算系數(shù)及提高系數(shù)[5]，如何確定軟基真空堆載預(yù)壓處理后各項(xiàng)地基動(dòng)力參數(shù)是在這些區(qū)域開展動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵[6]。近年來，劉志久對(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，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)[7]；劉建軍、張志豪從對(duì)機(jī)器的激振力和基礎(chǔ)的動(dòng)剛度兩個(gè)因素入手，研究了影響基礎(chǔ)動(dòng)剛度的因素及控制體系的振動(dòng)措施，研究了不同因素下基礎(chǔ)動(dòng)剛度的變化規(guī)律，為動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和工程加固提供了科學(xué)手段[8-9]；王 軍、Su 等對(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[10-11]。但以上研究均沒有對(duì)水運(yùn)工程真空堆載預(yù)壓處理后地基的地基動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行討論，國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)也未見詳細(xì)闡述?；诖?，本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，對(duì)真空堆載預(yù)壓處理后旋噴樁復(fù)合地基及鉆孔灌注樁基礎(chǔ)分別進(jìn)行地基動(dòng)力測試，獲得了實(shí)際參數(shù)，計(jì)算出與之相關(guān)的換算系數(shù)和提高系數(shù)，分析認(rèn)為當(dāng)真空堆載預(yù)壓地基處理后地基動(dòng)力參數(shù)要用于動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的振動(dòng)和隔振設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)情況換算實(shí)際使用的動(dòng)力參數(shù)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ突A(chǔ)設(shè)計(jì)

測試項(xiàng)目位于福建沿海區(qū)域某水運(yùn)工程項(xiàng)目壓縮機(jī)裝置區(qū)內(nèi)，天然地基為海相沉積吹填土(淤泥質(zhì)土)，該地基采用真空堆載預(yù)壓地基預(yù)處理。擬建壓縮機(jī)棚為地上一層建筑，框架結(jié)構(gòu)，長44.5 m，寬25 m，結(jié)構(gòu)總高度18 m。壓縮機(jī)為周期性轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)器，一次機(jī)轉(zhuǎn)速428.6 rpm，功率3900 kW；二次機(jī)轉(zhuǎn)速214.3 rpm，功率13000 kW。旋噴樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)參數(shù)為：樁徑500 mm，樁長平均約15 m，樁間距為1.5 m，梅花型布置，設(shè)計(jì)要求地基處理后復(fù)合地基承載力特征值不小于200 kPa，地基的抗壓剛度系數(shù)應(yīng)達(dá)到45000 kN/m3；鋼筋混凝土鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)參數(shù)為：樁徑800 mm，樁長約24 m，樁端持力層為第⑥1層(強(qiáng)風(fēng)化花崗巖)，樁端進(jìn)入持力層深度≥1.5 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C45，樁間距為2.4 m，正方形布置?；A(chǔ)模擬塊體依據(jù)《壓縮機(jī)裝置動(dòng)力特性測試技術(shù)要求》及《地基動(dòng)力特性測試規(guī)范》（GB/T 50269-2015）的相關(guān)規(guī)定設(shè)置。

旋噴樁復(fù)合地基模型基礎(chǔ)底面設(shè)計(jì)為方形，模型基礎(chǔ)底面積為單樁承擔(dān)的面積為1.95 m2,塊體的尺寸(長×寬×高)采用1.4 m×1.4 m×0.8 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C20，內(nèi)部配置鋼筋網(wǎng)片，模型頂面振搗抹平。模型頂面中心埋置固定腳板及固定螺栓，測試時(shí)模型及旋噴樁均超過28 d。旋噴樁復(fù)合地基模型基礎(chǔ)布置見圖1。

圖1 旋噴樁復(fù)合地基模型基礎(chǔ)布置示意圖

樁基模型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為長方體，長、寬、高分別為4.8 m、2.4 m、2.0 m；兩根基樁沿模型基礎(chǔ)長度方向?qū)ΨQ分布，樁間距2.4 m,與模型基礎(chǔ)澆筑為一體，模型基礎(chǔ)混凝土等級(jí)為C40，依據(jù)設(shè)計(jì)要求配置鋼筋，模型頂面振搗抹平。頂面中心及側(cè)面頂部埋設(shè)地腳螺栓，螺栓埋置深度滿足設(shè)計(jì)要求，測試時(shí)模型及灌注樁均超過28 d。旋挖灌注樁模型基礎(chǔ)布置見圖2。

圖2 旋挖灌注樁模型基礎(chǔ)布置示意圖

2 試驗(yàn)方法設(shè)置

依據(jù)《壓縮機(jī)裝置動(dòng)力特性測試技術(shù)要求》及《地基動(dòng)力特性測試規(guī)范》（GB/T 50269-2015），旋噴樁復(fù)合地基及鉆孔灌注樁模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)測試均進(jìn)行明置與埋置兩種情況下的強(qiáng)迫振動(dòng)測試。其中，旋噴樁復(fù)合地基模型基礎(chǔ)只進(jìn)行豎向強(qiáng)迫振動(dòng)測試，鉆孔灌注樁模型基礎(chǔ)分別進(jìn)行豎向、水平回轉(zhuǎn)及扭轉(zhuǎn)向的強(qiáng)迫振動(dòng)測試。

旋噴樁復(fù)合地基模型基礎(chǔ)豎向強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)采用機(jī)械式變擾力振源激振，機(jī)械式振源通過螺栓與模型基礎(chǔ)連接（見圖3），旋噴樁復(fù)合地基模型基礎(chǔ)測試時(shí)，在基礎(chǔ)頂面沿長度方向軸線的兩端各布置一臺(tái)豎向傳感器，激振設(shè)備的擾力頻率間隔在共振區(qū)以外，不大于2 Hz，在共振區(qū)內(nèi)為1 Hz，共振時(shí)的振幅不大于150 μm。輸出的振動(dòng)波形，采用顯示器監(jiān)測，待波形調(diào)整為正弦時(shí)開始試驗(yàn)。

圖3 旋噴樁復(fù)合地基模型基礎(chǔ)布置實(shí)景圖

旋挖灌注樁模型基礎(chǔ)強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)采用電磁式常擾力振源激振，電磁式激振器采用剛性桿件與基礎(chǔ)頂面中心連接（見圖4）。豎向強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)其豎向擾力作用點(diǎn)與模型基礎(chǔ)的重心在同一豎直線上，豎向強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)基礎(chǔ)頂面沿長度方向軸線的兩端各布置1 臺(tái)豎向傳感器；水平回轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)在中間位置增加一臺(tái)水平向傳感器；扭轉(zhuǎn)向振動(dòng)測試時(shí)，采用兩臺(tái)同型號(hào)電磁激振器同時(shí)對(duì)模型基礎(chǔ)對(duì)角進(jìn)行激振，基礎(chǔ)頂面沿長軸方向兩端同相位對(duì)稱布置兩臺(tái)水平向傳感器，水平拾振方向與長軸線垂直；測試時(shí)，信號(hào)發(fā)生器在較寬的頻帶內(nèi)輸出設(shè)定頻率的正弦信號(hào)，功率放大器將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為正弦振動(dòng)信號(hào)，激振器通過自身的振動(dòng)帶動(dòng)基礎(chǔ)產(chǎn)生振動(dòng)。記錄儀記錄振動(dòng)信號(hào)，讀取模型基礎(chǔ)振動(dòng)線位移、繪制幅頻響應(yīng)曲線計(jì)算相關(guān)參數(shù)等。幅頻響應(yīng)測試時(shí)，激振設(shè)備的擾力頻率間隔在共振區(qū)外為1～2 Hz，在共振區(qū)內(nèi)為1 Hz。

圖4 旋挖灌注樁模型基礎(chǔ)豎向、水平及扭轉(zhuǎn)布置實(shí)景圖

3 模型基礎(chǔ)測試數(shù)據(jù)分析

該水運(yùn)工程項(xiàng)目擬建壓縮機(jī)廠房為一層框架結(jié)構(gòu)，壓縮機(jī)為典型的周期性轉(zhuǎn)動(dòng)的高強(qiáng)度動(dòng)力機(jī)器，壓縮機(jī)基礎(chǔ)按周期性振動(dòng)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，地基基礎(chǔ)分別采用真空堆載預(yù)壓地基預(yù)處理后旋噴樁復(fù)合地基及樁基礎(chǔ)形式，其中1 號(hào)壓縮機(jī)基礎(chǔ)采用旋噴樁復(fù)合地基，2 號(hào)壓縮機(jī)采用樁基礎(chǔ)，地基的設(shè)計(jì)抗壓剛度系數(shù)應(yīng)達(dá)到45 MN/m3。設(shè)計(jì)要求試驗(yàn)提供復(fù)合地基的抗壓剛度系數(shù)及樁基礎(chǔ)的基本動(dòng)力參數(shù)。

3.1 旋噴樁復(fù)合地基模型基礎(chǔ)測試數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)區(qū)1 號(hào)壓縮機(jī)基礎(chǔ)形式為真空堆載預(yù)壓地基處理后采用旋噴樁復(fù)合地基形式，在1 號(hào)壓縮機(jī)基礎(chǔ)完成1 組旋噴樁復(fù)合地基抗壓剛度測試工作，測試時(shí)采用強(qiáng)迫振動(dòng)方式、機(jī)械式變擾力激振器進(jìn)行，分別進(jìn)行了明置和埋置基礎(chǔ)兩種狀態(tài)的豎向強(qiáng)迫測試，測試幅頻響應(yīng)曲線見圖5、圖6。

圖5 1 號(hào)壓縮機(jī)旋噴樁復(fù)合地基模型基礎(chǔ)豎向強(qiáng)迫測試幅頻響應(yīng)曲線圖

讀取以上數(shù)據(jù)，分別取二者平均值作為各項(xiàng)參數(shù)測試的代表值，依據(jù)《地基動(dòng)力特性測試規(guī)范》中各項(xiàng)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算取值辦法，經(jīng)過計(jì)算得到表1中的計(jì)算成果。

表1 旋噴樁復(fù)合地基模型基礎(chǔ)振動(dòng)測試成果表

明置模型基礎(chǔ)測試取得的地基抗壓剛度系數(shù)在設(shè)計(jì)使用時(shí)應(yīng)采用如下?lián)Q算系數(shù)η進(jìn)行換算：

式中：A0為模型基礎(chǔ)的底面積，m2；Ad為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的底面積，m2，當(dāng)Ad大于20 m2時(shí)，取Ad=20 m2；P0為模型基礎(chǔ)底面靜應(yīng)力，kPa；Pd為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)底面靜應(yīng)力，kPa，當(dāng)Pd大于50 kPa 時(shí)，取Pd=50 kPa。

通過換算計(jì)算，得到明置狀態(tài)下的抗壓剛度系數(shù)為：0.625×78.77=49.2 MN/m3,該數(shù)據(jù)大于45 MN/m3,符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，通過換算得到旋噴樁復(fù)合地基模型基礎(chǔ)埋深對(duì)地基剛度的提高系數(shù)為(1+0.416δd)2，δd為設(shè)計(jì)塊體基礎(chǔ)的埋深比。明置模型基礎(chǔ)測試的地基豎向阻尼比，在動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用時(shí)，按設(shè)計(jì)基礎(chǔ)質(zhì)量比進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深比計(jì)算埋置基礎(chǔ)提高系數(shù)并進(jìn)行換算，通過換算可知旋噴樁復(fù)合地基模型基礎(chǔ)的埋置基礎(chǔ)提高系數(shù)為1+0.872δd。

由此可知，當(dāng)旋噴樁復(fù)合地基模型基礎(chǔ)現(xiàn)場實(shí)測得出的地基動(dòng)力參數(shù)用于動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的振動(dòng)和隔振設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)情況換算成設(shè)計(jì)采用的地基動(dòng)力參數(shù)。堆載預(yù)壓地基經(jīng)過旋噴樁復(fù)合地基進(jìn)行處理后，其明置模型基礎(chǔ)測試的復(fù)合地基抗壓剛度系數(shù)，經(jīng)換算后實(shí)際抗壓剛度系數(shù)為49.2 MN/m3，大于45 MN/m3，是滿足設(shè)計(jì)要求的，堆載預(yù)壓地基經(jīng)過旋噴樁復(fù)合地基處理后再進(jìn)行動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的振動(dòng)和隔振設(shè)計(jì)是可以滿足設(shè)計(jì)要求的。同時(shí)，由明置模型基礎(chǔ)測試的地基豎向阻尼比，用于動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按設(shè)計(jì)基礎(chǔ)質(zhì)量比計(jì)算，并根據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深比，計(jì)算埋置基礎(chǔ)提高系數(shù)，對(duì)其進(jìn)行換算。

3.2 旋挖灌注樁模型基礎(chǔ)測試數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)區(qū)2 號(hào)壓縮機(jī)基礎(chǔ)形式為真空堆載預(yù)壓地基處理后采用樁基礎(chǔ)地基形式，試驗(yàn)在2 號(hào)壓縮機(jī)棚位置設(shè)計(jì)基底標(biāo)高完成1 組樁基模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)測試工作，測試采用強(qiáng)迫振動(dòng)方式、電磁式常擾力激振器進(jìn)行，分別完成了6 種不同的擾力作用下、明置和埋置兩種狀態(tài)的豎向、水平回轉(zhuǎn)向及扭轉(zhuǎn)向振動(dòng)測試。得到樁基模型基礎(chǔ)明置和埋置兩種狀態(tài)下豎向、水平回轉(zhuǎn)向及扭轉(zhuǎn)向的強(qiáng)迫振動(dòng)幅頻響應(yīng)曲線，測試幅頻響應(yīng)曲線見圖7-圖9。

圖7 1 號(hào)臺(tái)雙樁承臺(tái)水平回轉(zhuǎn)向強(qiáng)迫振動(dòng)幅頻(d-f)響應(yīng)曲線圖

圖9 1 號(hào)臺(tái)雙樁承臺(tái)豎向強(qiáng)迫振動(dòng)幅頻(d-f)響應(yīng)曲線圖

當(dāng)混凝土灌注樁模型基礎(chǔ)現(xiàn)場實(shí)測得出的地基動(dòng)力參數(shù)（見表2）用于機(jī)器基礎(chǔ)的振動(dòng)和隔振設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)情況換算成設(shè)計(jì)采用的樁基動(dòng)力參數(shù)。

表2 旋挖灌注樁模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)測試成果表

由明置塊體模型基礎(chǔ)測試取得的地基抗壓、抗剪、抗彎、抗扭剛度系數(shù)以及由明置樁基礎(chǔ)測試取得的抗剪、抗扭剛度系數(shù)，應(yīng)乘以基礎(chǔ)底面積與基礎(chǔ)底面靜壓力的換算系數(shù)，換算系數(shù)為

基礎(chǔ)埋深對(duì)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的地基抗壓、抗剪、抗扭剛度的提高系數(shù)如表3所示。

圖8 1 號(hào)臺(tái)雙樁承臺(tái)扭轉(zhuǎn)向強(qiáng)迫振動(dòng)幅頻(d-f)響應(yīng)曲線圖

由明置樁基模型基礎(chǔ)測試的樁基豎向、水平回轉(zhuǎn)向第一振型和扭轉(zhuǎn)向阻尼比，用于動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按設(shè)計(jì)基礎(chǔ)質(zhì)量比計(jì)算，并根據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深，計(jì)算埋置基礎(chǔ)提高系數(shù)，對(duì)其進(jìn)行換算。換算結(jié)果見表4。

由此可知，樁基動(dòng)力測試結(jié)果中樁基模型基礎(chǔ)抗壓、抗剪、抗彎、抗扭剛度系數(shù)比較旋噴樁復(fù)合地基模型基礎(chǔ)均較大，其地基強(qiáng)度及剛度整體表現(xiàn)是優(yōu)于旋噴樁復(fù)合地基的。后期在利用樁基模型基礎(chǔ)現(xiàn)場實(shí)測得出的地基動(dòng)力參數(shù)用于動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的振動(dòng)和隔振設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)情況換算成設(shè)計(jì)采用的地基動(dòng)力參數(shù)，同時(shí)考慮費(fèi)效比。同時(shí)明置樁基模型基礎(chǔ)測試的樁基豎向、水平回轉(zhuǎn)向第一振型和扭轉(zhuǎn)向阻尼比，用于動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算方法及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深作用對(duì)阻尼比的提高系數(shù)應(yīng)采用表3 及表4 中經(jīng)過換算后的提高系數(shù)。

表3 基礎(chǔ)埋深對(duì)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)剛度的提高系數(shù)

表4 樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)阻尼比計(jì)算方法及換算系數(shù)

4 結(jié)論

通過對(duì)實(shí)際水運(yùn)工程項(xiàng)目真空堆載預(yù)壓處理復(fù)合地基模型基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)模型基礎(chǔ)地基動(dòng)力特性參數(shù)測試結(jié)果的總結(jié)分析得到以下認(rèn)識(shí)：

(1)軟基經(jīng)過真空堆載預(yù)壓處理后，在此基礎(chǔ)上施做的旋噴樁復(fù)合地基及旋挖灌注樁基礎(chǔ)各項(xiàng)地基動(dòng)力測試參數(shù)結(jié)果，均能滿足設(shè)計(jì)參數(shù)要求，地基的整體剛度系數(shù)都有所提高，樁基礎(chǔ)優(yōu)于旋噴樁復(fù)合地基。

(2)旋噴樁復(fù)合地基模型基礎(chǔ)現(xiàn)場實(shí)測得出的地基動(dòng)力參數(shù)用于動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的振動(dòng)和隔振設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)情況換算成設(shè)計(jì)采用的地基動(dòng)力參數(shù)。明置復(fù)合地基模型基礎(chǔ)測試的地基豎向阻尼比，在用于動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按設(shè)計(jì)基礎(chǔ)質(zhì)量比計(jì)算，并根據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深比計(jì)算埋置基礎(chǔ)提高系數(shù)，對(duì)其進(jìn)行換算。

(3)樁基模型基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示其抗壓、抗剪、抗彎、抗扭剛度系數(shù)均比復(fù)合地基模型基礎(chǔ)相關(guān)參數(shù)大。在利用樁基模型基礎(chǔ)現(xiàn)場實(shí)測得出的地基動(dòng)力參數(shù)用于動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的振動(dòng)和隔振設(shè)計(jì)時(shí)，同樣也要進(jìn)行換算并充分考慮經(jīng)濟(jì)費(fèi)效比。