動力機器基礎的地基動力參數測試及分析

劉飛

安徽建筑大學勘測設計研究院有限公司 安徽合肥 230022

地基動力參數是計算動力機器基礎振動的關鍵數據，隨著經濟建設的快速發展，一些大型的動力設備的使用越來越多，如支承活塞式壓縮機、汽輪機以及沖擊機器鍛錘落錘、熱模端壓力機等。這些動力機器基礎與建筑物基礎有所不同，這些動力機器的基礎除受到機器靜荷載作用外，還受到機器工作時不平衡作用力（這個作用力在《動力機器基礎設計標準》（GB50040-2020）中稱為擾力）或沖擊力作用而引起的振動，這個擾力可能是穩態的，也可能是暫態的，如果振動過大，不僅可能引起基礎本身的震動進而損壞機器，還可能對鄰近其他機器或建筑物造成破壞或對人身安全造成隱患。因此對這些動力機器基礎進行設計時，不僅需要提供地基土的一般物理力學指標，還要提供地基動力參數，如地基剛度和阻尼比等參數值，這些值的精確與否，直接影響到工程設計的安全可靠與經濟合理，因此對動力機器基礎地基動力參數的測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＜＜動力機器基礎設計標準＞＞（GB50040-2020）進行計算求得，但當對振動要求嚴格的動力機器基礎或動力機器基礎建造在人工加固的地基上時或在殘積土、膨脹土、軟粘土等地基中埋置動力機器基礎時，則需通過現場測試求得。在現場通過試驗求得地基土的剛度和阻尼比時，常用的有兩種方法：一種是波速法，通過實測波速求得土層的剪切模量和泊松比，經過換算從而間接求得剛度和阻尼比；另一種是模型法，通過現場塊體基礎模型試驗直接測得。國家現行規范要求對于動力機器基礎設計所需的地基動力參數應在現場采用激振法測試，本文結合工程實例闡述激振法地基動力參數測試理論和資料分析處理等方法技術。

1 激振法測試方法原理

塊體基礎激振法振動試驗依據質量-彈簧-阻尼模型理論，假定基礎為質量m的絕對剛體，地基土視為無質量的彈簧，且起阻尼器的作用，振動時所產生的阻尼力與振動速度成正比，如基礎在垂直變擾力p作用下（見圖1）則間諧強迫振動方程可寫成：

圖1 激振法試驗理論模型

2 測試實例

某年產80萬噸的柴油加氫精制裝置工程，其壓縮機廠房內設有往復式壓縮機，為確保整個工程質量的安全可靠與造價的經濟合理，需在現場進行人工地基的模擬基礎的動力試驗，研究地基土介質質點的振動特性，測試擬建場地地基土的抗壓、抗剪、抗扭剛度系數及豎向阻尼比、水平回轉耦合第一振型阻尼比、扭轉振動阻尼比等動力參數，以便在對基礎進行設計和抗震分析時使用。

試驗場地從勘察報告中的鉆孔剖面圖顯示揭露的深度內，地層自上而下依次為：雜填土、淤泥質粉質黏土、粉質粘土、粘土混卵石礫砂、砂質泥巖強風化、砂質泥巖中風化。本次試驗在擬建往復壓縮機基礎場地上挖一個8.7×9.2m2的試坑，坑底位于粉質粘土層下0.5m處，距地表3.5m，試驗所用的砼塊體基礎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2.0m、寬1.5m、高1.2m，砼強度為C20。

試驗的主要設備有：混凝土塊體模型基礎（2.0×1.5×1.2m3）；測振記錄器；激振設備采用機械式激振器，其最大擾力為20KN，最高激振頻率可達78Hz，整個試驗設備及現場布置見圖2。

圖2 測試現場布置示意圖

為確保所測數據準確，激振器必須牢固地固定在塊體基礎上，當要改變擾力方向時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。試驗時激振器的工作頻率由低到高逐級變化，在各個頻率下待振動穩定后進行記錄，選擇各頻率下檢波器理想波形曲線，并取各檢波器所測振幅的平均值作振幅值，繪制振幅—頻率響應曲線，即A～f曲線。測試在各種振動方式下的基礎幅頻響應曲線分別見圖3-圖6。

測試先后采用塊體周圍無回填土（明置）和有回填土（埋置）兩種方式進行了對比試驗，明置基礎的測試目的是為了獲得基礎下地基的動力參數，埋置基礎的測試目的是為了獲得基坑回填埋置后對地基的動力參數的提高效果，因為所有的機器基礎都有一定的埋置埋深，有了這兩者的動力參數，就可進行機器基礎的科學、合理的設計了。

地基土的動力參數可按振動理論推導出來的公式采用點峰法計算，在Az～f幅頻響應曲線上求地基豎向阻尼比，其計算值與選取的點有關，為了統一可選取共振峰點和0.85fm以下不少于三點的c頻率和振幅，如圖3-圖4，這樣計算的平均阻尼比ξz及相應的z的結果差別不會很大；地基水平回轉向第一振型阻尼比，應在Axφ～f曲線上選取第一振型的共振頻率（fm）和頻率為0.707fm所對應的水平振幅，如圖5-圖6。總的動力參數計算處理結果見表1。

表1 塊體基礎動力參數測試值

圖3 無回填土時豎向變擾力幅頻響應曲線

圖4 有回填土時豎向變擾力幅頻響應曲線

圖5 無回填土時水平變擾力幅頻響應曲線

圖6 有回填土時水平變擾力幅頻響應曲線

從表1中可以看出，無論是垂直振動還是水平振動，基礎周邊回填土對基礎振動的影響是明顯的：使地基剛度增大8%-21%，阻尼比增大25%-60%，相應峰點振幅減少2%-17%。

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

值得注意的是，現場模型基礎與實際基礎在靜壓力、基礎底面積、基礎埋置深度等方面都不相同，現場試驗基礎底面積小，其影響深度也小，測試得到的動力參數只能代表試驗基礎，不能直接用于動力機器基礎的振動和隔振設計，必須按一定的方法進行適當的換算，才能符合機器基礎的實際情況。

3 結語

目前，隨著國民經濟的高速發展，越來越多的大型動力機器設備需要進行安裝建設，動力參數測試具有廣闊的應用前景。測試方法技術雖然已經在基礎設計和工程抗震計算中解決了一些工程實際問題，并為土動力學學科的理論研究提供重要手段，但由于地層介質的復雜性和多樣性，理論模型還不能完全反映地基基礎振動系統的實際情況，加上儀器設備和測試人員水平的差異，測試結果也可能帶有一些經驗成分，所有這些都將影響檢測結果的精度，可以采用一種或幾種測試方法，在綜合分析比較的基礎上確定地基動力參數，最終指導設計人員完成動力機器基礎的設計，以滿足技術先進、經濟合理、安全適用的設計理念。