预制方桩与钻孔灌注桩动力特性试验研究

单宝学 阎志迎 司占峰

中国新兴建设开发有限责任公司 北京 100039

1 前言

机器基础振动作为一种物理现象在工业生产普遍存在。为满足基础设计要求，必须通过测试获取地基动力特性参数，其是机器基础振动和隔振设计以及在动荷载作用下各类建筑物、构筑物的动力反应和地基动力稳定性分析必需的资料，是计算动力机器基础振动的关键数据，其是否符合实际，直接影响到基础设计的效果。不同的工程需要采用不同的测试方法和动力参数，而模型基础动力参数测试是动力机器基础的振动设计和隔振设计常用方法，其振动形式分为强迫振动和自由振动两种激振方式。

某工程分别采用预制混凝土方桩和钻孔灌注桩作为桩基础试桩，进行双桩承台的桩基础动力参数测试。采用桩基竖向、水平-回转向和扭转向振动测试三种测试方法进行动力特性测试，得出阻尼比（竖向、水平-回转向和扭转向）、参振总质量（竖向、水平-回转向和扭转向）、单桩抗压刚度、桩基抗弯刚度、抗剪刚度、抗剪刚度系数、抗扭刚度及抗扭刚度系数等，并采用明置基础和埋置基础两种使用工况，获得基础下地基的动力参数和基础埋置后对动力参数的提高效果。

2 桩基础动力参数测试方法

本工程采用强迫振动测试，通常的激振设备有机械式和电磁式。机械式激振设备是由偏心质量在不同的转速下的离心力产生动激力，其随着激振器转速的变化而变化，也成变扰力。电磁式激振设备的作用力可以控制，故可以保持不变，也成常扰力。本次测试方法采用机械式，即变扰力试验，工作频率取5-50HZ。

根据规范要求，桩基础块体模型基础动力测试需同时采用明置基础和埋置基础两种使用工况，一般先进行明置基础工况下的振动试验，试验完毕后，将开挖土分层碾压回填至模型基础顶面，再进行埋置基础工况的测试。

2.1 竖向振动测试

机械式激振测试为了使激振器输出的扰力能有效的传到桩头，激振器和直流电动机与基础地脚螺栓必须拧紧。安装时要使机械式激振器的扰力，在基础重心的同一竖直线上，并在基础长轴两端各安置一个传感器。

2.2水平-回转振动测试

激振设备的扰力方向应调整到水平方向；在基础顶面沿长度方向轴线的两端各布置一台竖向传感器。布置竖向传感器的目的是为了测量基础回转振动时产后的竖振幅，以便计算基础的转角，因此，两台传感器之间的距离必须测量准确。在基础中间布置一台水平向传感器，以测量基础的水平振幅。

2.3 扭转振动测试

扭转振动测试应在测试基础上施加一个扭转力矩使基础产生围绕竖轴的扭转。振动传感器应同相位对称布置在基础顶面沿水平轴线的两端，其水平振动方向应与轴线垂直。

3 理论计算公式

3.1 地基竖向阻尼比

地基竖向阻尼比（ζz）应在变扰力幅频响应曲线（d-f曲线）上，选取共振峰峰点和共振频率0.5～0.85范围内不少于三点的频率fi及相应的振幅di，并按下式计算：

式中：ζzi为由第i点计算的地基竖向阻尼比；fm为基础竖向振动的共振频率（HZ）；dm为基础竖向振动的共振振幅（m）；fi为在幅频响应曲线上选取的第i点的频率（HZ）；di为在幅频响应曲线上选取的第i点的频率所对应的振幅（m）。

3.2 竖向振动的参振总质量

基础竖向振动的参振总质量（mz），其包括基础、激振设备和地基参加振动的当量质量，按下列公式计算：

式中： m0为激振设备旋转部分的质量（t）；e0为激振设备旋转部分质量的偏心距（m）。

3.3 单桩抗压刚度、桩基抗弯刚度

单桩抗压刚度（kpz）与桩基抗弯刚度（Kpφ），应按下列公式计算：

式中 Kz为桩基抗压刚度（kN/m）；np为桩数（单桩、双桩）；ri为第i根桩的轴线至基础底面形心回转轴的距离(m)。

3.4 水平-回转向第一振型阻尼比

地基水平回转向第一振型阻尼比ζxφ1，应按下列公式计算：

式中：dm1为水平回转耦合振动第一振型共振峰点水平振幅（m）；d 为频率为0.7 0 7 fm1所对应的水平振幅（m）。

3.5 水平-回转耦合振动的参振总质量

基础水平-回转耦合振动的参振总质量mxφ，应按下列公式计算：

式中：ρ1为基础第一振型转动中心至基础重心的距离（m）；Φm1为基础第一振型共振峰点的回转角位移（rad）；dx为基础重心处的水平振幅（m）。

3.6 地基抗剪刚度和抗剪刚度系数

地基抗剪刚度Kx和抗剪刚度系数Cx，应按下列公式计算：

式中：fnx为基础水平向无阻尼固有频率（HZ）。

3.7 地基抗弯刚度和抗弯刚度系数

地基抗弯刚度Kφ和抗弯刚度系数Cφ，应按下列公式计算：

式中：fnφ为基础回转无阻尼固有频率（Hz）；J为基础对通过其重心轴的转动惯量（t·m2）；I为基础底面对通过其形心轴的惯性矩（m4）。

3.8 地基扭转向阻尼比

地基扭转向阻尼比ζψ，应按下列公式计算：

式中：dmψ为基础扭转振动共峰点水平振幅（m）；dxψ为基础频率为0.707fmψ所对应的水平振幅（m）；fmψ为基础扭转振动的共振频率（Hz）

3.9 基础扭转振动的参振总质量

基础扭转振动的参振总质量mψ，应按下列公式计算：

式中：mψ包括基础、激振设备和地基参加振动的当量质量（t）；Jz为基础对通过其重心轴的极转动惯量（t·m2）；fnψ为基础扭转振动无阻尼固有频率（HZ）；ωnψ为基础扭转振动无阻尼固有圆频率（rad/s）。

3.10 地基抗扭刚度和抗扭刚度系数

地基抗扭刚度Kψ和抗扭刚度系数Cψ，应按下列公式计算：

4 工程实例-预制方桩动力特性试验

4.1 工程地质条件

工程场地地面下50.0m深度范围内地层主要由第四纪全新统（Q4）冲、洪积细颗粒沉积物组成。据现场钻探及土工试验资料，场地地层主要以粉土为主，局部夹粉质粘土及砾砂层。

4.2桩基础参数及模型基础

4.2.1 桩基础参数

桩基础参数 表1

4.2.2 桩基模型基础参数

本工程共进行2组模型基础振动测试，模型基础采用桩基础（双桩承台），根据不同桩型设置不同的基础规格。采用明置基础和埋置基础两种形式进行强迫振动试验。测试桩基础的埋置深度为1.6m。

桩基模型基础参数 表2

4.3 试验测试结果

本工程共对2个桩基础进行了激振法测试，首先进行明置基础振动测试，回填完毕后再进行埋置基础振动测试。根据试验点实测振动测试数据，依据规范中变扰力作用下要求的取值办法及动参数计算公式，桩基础竖向、水平-回转向及扭转向强迫振动测试结果计算如表3所示。

预制钢筋混凝土方桩及钻孔灌注桩动力参数测试数据统计表 表3

4.4 测试结果分析

由表3中两种不同桩型承台的动力参数测试数据可知：

（1）无论何种桩基础模型，阻尼比（竖向、水平-回转向、扭转向）、基础参振总质量（竖向、水平-回转向、扭转向）明置基础均小于埋置基础；单桩抗压刚度、桩基抗弯刚度、抗剪刚度、抗扭刚度也存在相同趋势。

（2）由表3可知，预制方桩混凝土桩模型基础中，单桩抗压刚度、抗剪刚度、抗扭刚度在埋置基础的工况下比明置基础工况下提高分别约2.14、1.92、1.94倍；由表4可知，钻孔灌注桩模型基础中，单桩抗压刚度、抗剪刚度、抗扭刚度在埋置基础的工况下比明置基础工况下提高分别约1.35、2.47、2.61倍，可见埋置基础的桩基础动力参数相对于明置基础参数有2倍左右的提高，效果明显。

（3）由表3可知，不同桩型所得的阻尼比数值比较接近，可见地基阻尼比与桩型的关系不大；而钻孔灌注桩与预制混凝土方桩相比，前者参振总质量、单桩抗压刚度、抗剪刚度、抗扭刚度比后者有较大提高，明置基础分别提高约2.30、1.67、3.99倍，埋置基础分别提高约1.45、2.15、5.36倍，主要与不同桩型的桩径大小及模型基础大小有关。

5 结论

本工程对预制混凝土方桩和钻孔灌注桩两种桩型进行了动力特性试验，试验分析计算得出了动力特性参数，根据试验结果可知：

（1）即使桩基础模型不同，埋置基础与明置基础相比，动力参数均有较大提高；

（2）埋置基础的桩基础动力参数相对于明置基础参数有2倍左右的提高，效果明显，与相关文献相比提高倍数较多，应与基础埋置深度有较大关系。

（3）不同桩型，尤其是桩型设计参数不同时，得出的动力参数除阻尼比外，均有较大差异，桩径及桩基础模型参数越大，得出的动力参数也相应较大。