預制方樁與鉆孔灌注樁動力特性試驗研究

單寶學 閻志迎 司占峰

中國新興建設開發有限責任公司 北京 100039

1 前言

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

某工程分別采用預制混凝土方樁和鉆孔灌注樁作為樁基礎試樁，進行雙樁承臺的樁基礎動力參數測試。采用樁基豎向、水平-回轉向和扭轉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-回轉向和扭轉向）、參振總質量（豎向、水平-回轉向和扭轉向）、單樁抗壓剛度、樁基抗彎剛度、抗剪剛度、抗剪剛度系數、抗扭剛度及抗扭剛度系數等，并采用明置基礎和埋置基礎兩種使用工況，獲得基礎下地基的動力參數和基礎埋置后對動力參數的提高效果。

2 樁基礎動力參數測試方法

本工程采用強迫振動測試，通常的激振設備有機械式和電磁式。機械式激振設備是由偏心質量在不同的轉速下的離心力產生動激力，其隨著激振器轉速的變化而變化，也成變擾力。電磁式激振設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。

根據規范要求，樁基礎塊體模型基礎動力測試需同時采用明置基礎和埋置基礎兩種使用工況，一般先進行明置基礎工況下的振動試驗，試驗完畢后，將開挖土分層碾壓回填至模型基礎頂面，再進行埋置基礎工況的測試。

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，在基礎重心的同一豎直線上，并在基礎長軸兩端各安置一個傳感器。

2.2水平-回轉振動測試

激振設備的擾力方向應調整到水平方向；在基礎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回轉振動時產后的豎振幅，以便計算基礎的轉角，因此，兩臺傳感器之間的距離必須測量準確。在基礎中間布置一臺水平向傳感器，以測量基礎的水平振幅。

2.3 扭轉振動測試

扭轉振動測試應在測試基礎上施加一個扭轉力矩使基礎產生圍繞豎軸的扭轉。振動傳感器應同相位對稱布置在基礎頂面沿水平軸線的兩端，其水平振動方向應與軸線垂直。

3 理論計算公式

3.1 地基豎向阻尼比

地基豎向阻尼比（ζz）應在變擾力幅頻響應曲線（d-f曲線）上，選取共振峰峰點和共振頻率0.5～0.85范圍內不少于三點的頻率fi及相應的振幅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為基礎豎向振動的共振頻率（HZ）；dm為基礎豎向振動的共振振幅（m）；fi為在幅頻響應曲線上選取的第i點的頻率（HZ）；di為在幅頻響應曲線上選取的第i點的頻率所對應的振幅（m）。

3.2 豎向振動的參振總質量

基礎豎向振動的參振總質量（mz），其包括基礎、激振設備和地基參加振動的當量質量，按下列公式計算：

式中： m0為激振設備旋轉部分的質量（t）；e0為激振設備旋轉部分質量的偏心距（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），應按下列公式計算：

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

3.4 水平-回轉向第一振型阻尼比

地基水平回轉向第一振型阻尼比ζxφ1，應按下列公式計算：

式中：dm1為水平回轉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所對應的水平振幅（m）。

3.5 水平-回轉耦合振動的參振總質量

基礎水平-回轉耦合振動的參振總質量mxφ，應按下列公式計算：

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

3.6 地基抗剪剛度和抗剪剛度系數

地基抗剪剛度Kx和抗剪剛度系數Cx，應按下列公式計算：

式中：fnx為基礎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

地基抗彎剛度Kφ和抗彎剛度系數Cφ，應按下列公式計算：

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

3.8 地基扭轉向阻尼比

地基扭轉向阻尼比ζψ，應按下列公式計算：

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

3.9 基礎扭轉振動的參振總質量

基礎扭轉振動的參振總質量mψ，應按下列公式計算：

式中：mψ包括基礎、激振設備和地基參加振動的當量質量（t）；Jz為基礎對通過其重心軸的極轉動慣量（t·m2）；fnψ為基礎扭轉振動無阻尼固有頻率（HZ）；ωnψ為基礎扭轉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

地基抗扭剛度Kψ和抗扭剛度系數Cψ，應按下列公式計算：

4 工程實例-預制方樁動力特性試驗

4.1 工程地質條件

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

4.2樁基礎參數及模型基礎

4.2.1 樁基礎參數

樁基礎參數 表1

4.2.2 樁基模型基礎參數

本工程共進行2組模型基礎振動測試，模型基礎采用樁基礎（雙樁承臺），根據不同樁型設置不同的基礎規格。采用明置基礎和埋置基礎兩種形式進行強迫振動試驗。測試樁基礎的埋置深度為1.6m。

樁基模型基礎參數 表2

4.3 試驗測試結果

本工程共對2個樁基礎進行了激振法測試，首先進行明置基礎振動測試，回填完畢后再進行埋置基礎振動測試。根據試驗點實測振動測試數據，依據規范中變擾力作用下要求的取值辦法及動參數計算公式，樁基礎豎向、水平-回轉向及扭轉向強迫振動測試結果計算如表3所示。

預制鋼筋混凝土方樁及鉆孔灌注樁動力參數測試數據統計表 表3

4.4 測試結果分析

由表3中兩種不同樁型承臺的動力參數測試數據可知：

（1）無論何種樁基礎模型，阻尼比（豎向、水平-回轉向、扭轉向）、基礎參振總質量（豎向、水平-回轉向、扭轉向）明置基礎均小于埋置基礎；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，預制方樁混凝土樁模型基礎中，單樁抗壓剛度、抗剪剛度、抗扭剛度在埋置基礎的工況下比明置基礎工況下提高分別約2.14、1.92、1.94倍；由表4可知，鉆孔灌注樁模型基礎中，單樁抗壓剛度、抗剪剛度、抗扭剛度在埋置基礎的工況下比明置基礎工況下提高分別約1.35、2.47、2.61倍，可見埋置基礎的樁基礎動力參數相對于明置基礎參數有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值比較接近，可見地基阻尼比與樁型的關系不大；而鉆孔灌注樁與預制混凝土方樁相比，前者參振總質量、單樁抗壓剛度、抗剪剛度、抗扭剛度比后者有較大提高，明置基礎分別提高約2.30、1.67、3.99倍，埋置基礎分別提高約1.45、2.15、5.36倍，主要與不同樁型的樁徑大小及模型基礎大小有關。

5 結論

本工程對預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，根據試驗結果可知：

（1）即使樁基礎模型不同，埋置基礎與明置基礎相比，動力參數均有較大提高；

（2）埋置基礎的樁基礎動力參數相對于明置基礎參數有2倍左右的提高，效果明顯，與相關文獻相比提高倍數較多，應與基礎埋置深度有較大關系。

（3）不同樁型，尤其是樁型設計參數不同時，得出的動力參數除阻尼比外，均有較大差異，樁徑及樁基礎模型參數越大，得出的動力參數也相應較大。