動力機器基礎(chǔ)的地基動力參數(shù)測試及分析

劉飛

安徽建筑大學(xué)勘測設(shè)計研究院有限公司 安徽合肥 230022

地基動力參數(shù)是計算動力機器基礎(chǔ)振動的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，隨著經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，一些大型的動力設(shè)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(chǔ)與建筑物基礎(chǔ)有所不同，這些動力機器的基礎(chǔ)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(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（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(wěn)態(tài)的，也可能是暫態(tài)的，如果振動過大，不僅可能引起基礎(chǔ)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?qū)θ松戆踩斐呻[患。因此對這些動力機器基礎(chǔ)進行設(shè)計時，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)計的安全可靠與經(jīng)濟合理，因此對動力機器基礎(chǔ)地基動力參數(shù)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(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)＞＞（GB50040-2020）進行計算求得，但當(dāng)對振動要求嚴(yán)格的動力機器基礎(chǔ)或動力機器基礎(chǔ)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(chǔ)時，則需通過現(xiàn)場測試求得。在現(xiàn)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(jīng)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(xiàn)場塊體基礎(chǔ)模型試驗直接測得。國家現(xiàn)行規(guī)范要求對于動力機器基礎(chǔ)設(shè)計所需的地基動力參數(shù)應(yīng)在現(xiàn)場采用激振法測試，本文結(jié)合工程實例闡述激振法地基動力參數(shù)測試?yán)碚摵唾Y料分析處理等方法技術(shù)。

1 激振法測試方法原理

塊體基礎(chǔ)激振法振動試驗依據(jù)質(zhì)量-彈簧-阻尼模型理論，假定基礎(chǔ)為質(zhì)量m的絕對剛體，地基土視為無質(zhì)量的彈簧，且起阻尼器的作用，振動時所產(chǎn)生的阻尼力與振動速度成正比，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(chǎn)80萬噸的柴油加氫精制裝置工程，其壓縮機廠房內(nèi)設(shè)有往復(fù)式壓縮機，為確保整個工程質(zhì)量的安全可靠與造價的經(jīng)濟合理，需在現(xiàn)場進行人工地基的模擬基礎(chǔ)的動力試驗，研究地基土介質(zhì)質(zhì)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(shù)及豎向阻尼比、水平回轉(zhuǎn)耦合第一振型阻尼比、扭轉(zhuǎn)振動阻尼比等動力參數(shù)，以便在對基礎(chǔ)進行設(shè)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(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)泥巖強風(fēng)化、砂質(zhì)泥巖中風(fēng)化。本次試驗在擬建往復(fù)壓縮機基礎(chǔ)場地上挖一個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2.0m、寬1.5m、高1.2m，砼強度為C20。

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

圖2 測試現(xiàn)場布置示意圖

為確保所測數(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(wěn)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(yīng)曲線，即A～f曲線。測試在各種振動方式下的基礎(chǔ)幅頻響應(yīng)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(chǔ)的測試目的是為了獲得基礎(chǔ)下地基的動力參數(shù)，埋置基礎(chǔ)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(shù)的提高效果，因為所有的機器基礎(chǔ)都有一定的埋置埋深，有了這兩者的動力參數(shù)，就可進行機器基礎(chǔ)的科學(xué)、合理的設(shè)計了。

地基土的動力參數(shù)可按振動理論推導(dǎo)出來的公式采用點峰法計算，在Az～f幅頻響應(yīng)曲線上求地基豎向阻尼比，其計算值與選取的點有關(guān)，為了統(tǒng)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(yīng)的z的結(jié)果差別不會很大；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所對應(yīng)的水平振幅，如圖5-圖6。總的動力參數(shù)計算處理結(jié)果見表1。

表1 塊體基礎(chǔ)動力參數(shù)測試值

圖3 無回填土?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，無論是垂直振動還是水平振動，基礎(chǔ)周邊回填土對基礎(chǔ)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(yīng)峰點振幅減少2%-17%。

另外，測試結(jié)果的抗壓剛度系數(shù)值較該場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)場模型基礎(chǔ)與實際基礎(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)場試驗基礎(chǔ)底面積小，其影響深度也小，測試得到的動力參數(shù)只能代表試驗基礎(chǔ)，不能直接用于動力機器基礎(chǔ)的振動和隔振設(shè)計，必須按一定的方法進行適當(dāng)?shù)膿Q算，才能符合機器基礎(chǔ)的實際情況。

3 結(jié)語

目前，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，越來越多的大型動力機器設(shè)備需要進行安裝建設(shè)，動力參數(shù)測試具有廣闊的應(yīng)用前景。測試方法技術(shù)雖然已經(jīng)在基礎(chǔ)設(shè)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(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)振動系統(tǒng)的實際情況，加上儀器設(shè)備和測試人員水平的差異，測試結(jié)果也可能帶有一些經(jīng)驗成分，所有這些都將影響檢測結(jié)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(chǔ)上確定地基動力參數(shù)，最終指導(dǎo)設(shè)計人員完成動力機器基礎(chǔ)的設(shè)計，以滿足技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用的設(shè)計理念。