軟土地區PHC樁動剛度測試及分析

嚴文根

(中機國能電力工程有限公司，上海 200061)

0 引言

燃機電廠主要建筑物荷載有其特性，對沉降控制要求高，特別在軟土地區需采用樁基。PHC 樁因具有樁身強度高、單樁承載力高、耐久性好、施工快速、易控制施工質量且造價低等優點，在軟土地區應用較多。

燃機電廠燃機輪機和汽輪機屬于周期性運轉的大型設備，其基礎的振動和隔振設計需要了解樁基的動力特性參數，如動剛度。獲得動剛度可以基于樁周土的當量抗剪剛度系數和樁尖土的當量抗壓剛度系數的經驗取值計算得到[1]，但對周期性振動機器的基礎應采用強迫振動測試方法[2]。

本文根據PHC 樁的動剛度測試，對軟土地區燃機電廠的PHC樁動剛度測試結果進行對比分析，對測試過程、分析計算等提出了建議。

1 動剛度試驗概述

1.1 試驗原理

當樁—土體系在低頻小振幅振動時，樁體以剛性運動為主，樁土體系可簡化為質量—彈簧—阻尼模型來分析，可推導出樁基的動力特性參數的計算公式，具體公式可見GB/T 50269—2015《地基動力特性測試規范》(以下簡稱《測試規范》)。

1.2 試驗設備

試驗設備包括激振設備、測振系統、便攜電腦及配套軟件。

激振設備有機械式和電磁式兩種。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。對樁基模型基礎試驗來說，激振力太小，基礎振動幅值也小，會使得振動測量的誤差相對變大，測得的幅頻曲線不夠光滑，所以《測試規范》規定其激振力不宜小于2 000 N。目前較多采用機械式激振器。

機械式激振器由變頻器、交流馬達、偏心塊式激振器組成。其輸出擾力為變擾力，與振動頻率的平方成正比。測試所用激振器最高工作頻率達70 Hz。

測振系統由傳感器、接口箱(含放大、濾波功能)、A/D采集卡、便攜式計算機(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。

豎向試驗時激振器輸出擾力方向為豎向且通過基礎重心，在頂面長邊的中點處安裝兩支豎向傳感器；水平回轉試驗時擾力方向與承臺長軸方向一致，在頂面長邊的中點處安裝兩支水平傳感器，同時在短邊中點處安裝兩支豎向傳感器。雙樁承臺豎向試驗設備連接如圖1所示。

圖1 雙樁承臺豎向試驗設備連接示意圖

一般先做豎向測試，后做水平回轉向測試。激振器從低頻開始運行，監視振動波形，待波形穩定且為正弦波時記錄。增加激振頻率，記錄振動波形，直至完成整個頻段的測試。

1.3 數據處理及計算

采集的信號為近似正弦的速度信號，對信號進行積分，得到位移信號，讀取位移幅值并記錄。專用軟件可以自動計算信號的有效值、峰值，由于實際信號并不是嚴格的正弦波，特別是低頻時或者激振力偏心的情況下，積分得到的位移信號會有畸變，軟件自動計算的值會偏離實際，這就需要人工讀出多組幅值數據，平均后得到振動幅值。對每一頻率重復上述步驟，得到幅值和激振頻率關系，繪制幅頻曲線，然后計算各項參數。

2 工程應用

2.1 江蘇昆山某燃機項目(項目一)

該項目位于江蘇省昆山市，地貌單元屬沖積—湖積平原場地，埋深70 m以上主要為第四系全新統人工堆積物及沖、湖積物，以淤泥質土、粘性土、砂類土為主，深度約3 m以下有厚度約18 m的流塑—軟塑狀淤泥質粉質粘土。

測試樁型為PHC 600 AB 110-46b，樁端持力層為⑦可塑—軟塑狀粉質粘土夾粉土，樁長46.0 m左右。完成了三根單樁及一個模型基礎的動剛度試驗，試驗結果見表1所列。

表1 江蘇昆山某燃機項目動剛度試驗結果

T5單樁的水平回轉向強迫振動的幅頻曲線發生了畸變，和正常曲線對比如圖2～圖3所示，計算出的阻尼比明顯低于正常值，事后檢查發現該樁頂法蘭盤和樁之間出現縫隙，連接剛度不夠，其計算結果不予采用。T6樁的單樁抗剪剛度要高于T4樁，高出約50%，說明墊層對抗剪剛度有一定的提高作用，但其值與承臺的試驗結果相比差距仍很大，相差約一個數量級，這說明承臺對提高樁基抗剪剛度作用很大[3]。

圖2 T4單樁試驗水平回轉向幅頻曲線

圖3 T5單樁試驗水平回轉向幅頻曲線

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)還略高于承臺中的單樁，和常識相悖。分析認為：橫向上對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，對每根樁而言，發揮作用的土體就相對減少了，這就抵消了承臺底面土對抗壓剛度的提升，相應地折算到一根樁的抗壓剛度就可能略低于獨立的單樁。

2.2 上海奉賢某燃機項目(項目二)

該項目位于上海市奉賢區杭州灣北岸，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。測試區深度約6 m以下存在厚度約為19 m的流塑狀態淤泥質粉質粘土。

測試包括四根單樁及一個模型基礎的動剛度試驗。試驗樁型為PHC 600 AB 110，樁長約39.0 m，樁端持力層為⑦2灰色粉細砂，飽和、密實。試驗結果見表2所列。

表2 上海奉賢某燃機項目動剛度試驗結果

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律和項目一較一致，但兩者均小于承臺試驗折算到一根樁的抗壓剛度，這與項目一的規律不同?？辜魟偠鹊淖兓幝膳c項目一相同。

3 測試結果的幾點分析與討論

3.1 共振頻率及阻尼比

兩個燃機項目測試的共振頻率和阻尼比結果對比見表3所列。模型基礎底面均為粉性土。

表3 共振頻率和阻尼比對比表

由單樁到嵌固于承臺組成樁基礎，豎向振動的共振頻率和阻尼比都是降低的，水平回轉向則是共振頻率降低、阻尼比升高。

比較實測和計算的水平回轉向阻尼比，實測值(明置情況下)大于計算值(明置及埋置)，可以推斷埋置后實測值比計算值更大，雖然阻尼比小是偏安全的，但很顯然以計算值進行設計過于保守。

3.2 抗壓剛度的計算

GB 50040—96《動力機器基礎設計規范》(以下簡稱《設計規范》)提供了根據樁周土的當量抗剪、抗壓剛度系數經驗取值計算抗壓剛度的方法。計算結果和實測結果見表4所列。

表4 理論計算與實測抗壓剛度對比

由表4可以得出以下幾點：

1)兩個項目30 m以內的地層相近，樁型一致，淤泥質土厚度相近，項目一頂板埋深比項目二淺，但實測單樁抗壓剛度卻是項目一大于項目二，原因應該是深度25 m以內占比最大的淤泥質土層的狀態不同，項目一為流塑—軟塑，項目二為流塑，項目一略好于項目二，這個差異反映到剛度上就是項目一單樁實測抗壓剛度大于項目二。

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

3)如果計算至全部樁長，理論計算的結果大大超過實測值，這說明在小應變的條件下，對動剛度有影響的土層埋深是有限度的。根據上述對比，筆者認為軟土地區，在沒有條件實測的情況下，采用《設計規范》所述方法計算單樁抗壓剛度計算深度不宜超過25 m。

3.3 樁基抗剪剛度的計算

項目一的抗剪剛度系數明顯高于項目二，主要是模型基礎的尺寸差異導致。這對計算樁基抗壓剛度影響較小，因為《設計規范》和《測試規范》均明確規定樁基抗壓剛度由單樁抗壓剛度乘以樁數計算。對抗剪剛度，如果仍按剛度系數乘以基礎底面積的方法計算，則對于樁間距大于試驗樁的基礎，其抗剪剛度會偏大，對樁間距小于試驗樁的基礎，抗剪剛度會偏小。為了降低這個偏差的影響，除了使試驗樁間距盡量接近工程樁間距，還應參照抗壓剛度的計算方法，以折算到一根樁的抗剪剛度乘以實際的工程樁數來計算樁基的抗剪剛度。

《設計規范》給出的樁基抗剪剛度計算方法為取相應天然地基抗壓剛度的0.98倍。根據地層特性，兩個項目天然地基抗壓剛度系 數 分 別 按 45 000 kN/m3、35 000 kN/m3考慮，則明置情況下模型基礎的抗剪剛度計算值分別為 3.9×105kN/m、6.3×105kN/m，而實 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內樁型、數量及樁間距對樁基抗剪剛度的影響并不隨基礎面積的增加而成比例增加，雖然計算值小于實測值，安全性有保證，但用于設計計算過于保守。

3.4 動、靜剛度對比

基于靜載試驗數據，分別計算小應變(加第一級荷載800 kN或900 kN時的樁身應變)和大應變(加承載力極限對應荷載時的樁身應變)下的單樁靜剛度，與實測單樁動剛度做對比，結果見表5所列。

表5 單樁靜剛度、動剛度對比表

動/靜(小應變)比的離散性要小于動/靜(大應變)，根據靜載試驗數據計算小應變下的靜剛度，乘以1.2～1.4的比例系數可得到單樁抗壓動剛度?！对O計規范》中的計算方法需要對各土層的當量抗剪、抗壓剛度系數賦值，賦值的準確性完全取決于測試人員的經驗，很難保證計算結果的準確性。而上述根據靜載試驗數據推算的辦法可有效降低人為因素的影響，在沒有條件實測時，是一種行之有效的解決思路。

由于承臺抗剪剛度主要取決于承臺底面土層的抗剪能力及側面土的抗壓能力，且單樁抗剪剛度在樁基抗剪剛度中占比較小，進行動、靜對比意義不大。

4 結論

通過對PHC樁的單樁及模型基礎動剛度試驗結果的對比分析，可得出以下結論：

1)對于軟土地區的PHC樁樁基，其抗壓剛度、抗剪剛度、阻尼比等理論計算值和實測值存在較大差距，所以含有動力機器的重要工程應以實測方式獲得樁基動力特性參數。

2)在沒有條件實測又需要提供樁基動參數時，對抗壓剛度，可根據抗壓靜載試驗數據計算小應變下的靜剛度，乘以1.2～1.4的比例系數得到單樁抗壓動剛度，可推算樁基的抗壓剛度。對抗剪剛度，仍可由相應天然地基抗壓剛度推算。

3)沒有靜載試驗數據時，可根據樁周土的當量抗剪、抗壓剛度系數計算單樁抗壓剛度，計算深度不宜超過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%。

目前國內動剛度試驗多限于豎向和水平回轉向試驗，極少進行扭轉向試驗，主要原因是缺乏扭轉向激振設備。今后應研制輸出擾力大的機械式激振器，同一臺設備，可進行豎向、水平回轉向、扭轉向試驗，這樣可簡化設備安裝及試驗過程。通過試驗積累經驗及數據，為后續測試、燃機地基基礎設計提供參數。