基于地基动力测试模型基础垫层的影响分析

张开伟,李志勇,齐松松,韩文永,聂庆科

(1河北双诚建筑工程检测有限公司，河北 石家庄 050031;2河北建设勘察研究院有限公司，河北 石家庄 050031)

1 引 言

地基土动力特性参数对于工程地球物理学和动力机械基础工业设计研究,均具有重要的技术支持作用[1]。尤其体现在具体的实际工业建设中,它是动力基础设计及建造的重要依据[2]。因此，获取岩土层的实际动力特性参数是地基动力测试试验的主要目的，实际试验过程中发现，垫层问题在天然土质地基激振法测试中并不突出，因为土质地基强度较低，刚性较差，自持力也较弱，模型基础与地基容易贴合在一起，试验场地易于处理，多数情况下对测试结果没有影响[3]。但在岩石地基上进行试验测试时，垫层就会成为一项较为突出的问题，由于岩石地基本身硬度及刚度很大，且结构面自持力较强，实际试验场地模型基础与地基几乎都不能很好地贴合及解除，基础与岩石地基之间存在不连续接触面，需要在岩石地基与模型基础间铺设垫层，以使其紧密接触[4，5]。由于地基动力测试是为动力基础设计提供参数用以指导动力机器基础施工的，因此，设计及施工采用的垫层方式应该与实际地基动力参数测试时地基与模型基础间垫层的方式相同[6]。近年来建设综合勘察研究设计院的李友鹏研究员进行了块体基础强迫振动测试研究，通过采用Z变换高精度频谱分析技术及振幅曲线拟合计算分析技术,提高了测试信号的频率和振幅分析精度[7];中国地震局地震研究所王岚高工利用双基础法,实测了场地土的动力参数,重点对土的动刚度、参振质量、自振周期及阻尼比等动力特性参数进行了研究[8];西安建筑科技大学王军教授对垫层地基、复合地基上的块体模型基础进行了地基动力参数测试研究，提出了通过折减系数修正地基刚度系数计算值的综合确定地基刚度系数的方法，确定了垫层地基和复合地基各振型刚度系数之间的关系[9];刘志久博士对动力机器基础设计理论进行了系统研究，他通过建立块体基础复合集总参数模型，研究与动力机器基础激振力频率有关的动力特性参数，并转化为与激振力频率无关的定参数，通过这些定参数利用机械多自由度振动理论计算弹性半空间上块体基础的各项动力响应参数[10]。但以上研究均没有对岩基基础地基动力测试试验中的垫层的影响问题进行详细阐述，基于此，本文通过对某核电工程项目的汽轮机部分厂房岩石地基基础上的不同垫层方式块体模型基础进行稳态强迫振动参数测试，对比了两种不同类型垫层方式的测试结果，对测试结果进行了深入研究。

2 项目实例及测试设备

该项目研究区为某火电项目汽轮机厂房，项目拟在常规岛汽轮机厂房部位进行地基处理施工，项目试验区也在该部位。项目基础动力测试目的主要是通过模型基础动力特性测试，提供竖向共振频率、竖向振动参振总质量、竖向共振振幅、竖向无阻尼固有频率、竖向阻尼比、抗压刚度系数、水平回转耦合振动第一振型无阻尼固有频率、水平回转耦合振动第一振型共振峰点水平振幅、水平回转第一振型阻尼比、水平回转耦合振动参振总质量、抗剪刚度系数、抗弯刚度系数及幅频响应曲线等测试参数。激振设备由激振器、功率放大器、变频器、信号发生器、激振力监控系统等组成，采样设备由信号发生器，动态拉压力测量仪，信号放大器，数据采集分析仪，应力传感器及配套计算机等设备组成。

3 垫层模型基础方式

该汽轮机厂房区域模型基础与岩石地基采用砂垫层和素混凝土垫层两种连接方式，其中素混凝土垫层主要以两种方式与模型基础连接。一是将高标号素混凝土砂浆薄薄地铺设在测试面上铺平，并保证测试面水平，当混凝土达到一定龄期，强度与岩石地基相当后，将模型基础吊至测试面进行测试，这种情况下模型基础与地基是分开的，与基础未粘连在一起。二是将高标号素混凝土砂浆摊铺在测试面上，在混凝土砂浆还未初凝时，就将模型基础吊至测试面，当达到一定龄期后进行测试。这种情况下模型基础与地基可能是粘连在一起的一个整体。对于这三种垫层方式，均进行了试验。

4 具体测试方法

试验项目采用电磁与机械式两种类型激振设备进行强迫振动测试，不同类型激振设备的扰力都是可变常扰力，激振设备出力幅值不随频率变化，试验期间，通过调节输出端电流控制激振设备扰力大小[7]。激振设备工作期间，出力端传递到模型基础的扰力是一种组合力，由电磁感应力、弹性力、阻尼力及惯性力组成，不是单纯的电磁感应力，通过力传感器来监测激振设备与模型基础之间的受力，计算地基动力测试试验的各项参数[11,12]。

现场试验时，对于竖向强迫振动试验，激振出力设备垂直布置在模型基础中心顶面处，激振出力设备通过预埋螺栓与模型基础铆接在一起，常扰力竖向垂直基础顶面，模型基础重心与扰力作用点处在同一竖向直线上，竖向力传感器布设在模型基础顶面长轴方向，两端各布置一支;对于水平回转强迫振动试验，激振出力设备水平安装在模型基础侧面中心处，激振出力设备和模型基础连接方式与竖向强迫振动测试相同，模型基础顶面轴线长轴方向两端各布置一支竖向力传感器，轴线中部布设一支水平向力传感器[13,14]。

5 测试结果与分析

试验时，对于竖向强迫振动测试，取模型基础顶面不少于3点的竖向测点读取其振动的频率和振幅。通过模型基础各测点频率及振幅，绘制幅频响应变化曲线。对于水平回转向强迫振动测试试验，同样取实测水平回转振动的各测点曲线读取频率和振幅，绘制对应曲线。水平回转向振动测试的动力参数计算采用0.707法。

5.1 素混凝土垫层及砂垫层(未粘连)竖向振动测试结果对比分析

试验区试验点素混凝土垫层(未粘连)连接及砂垫层方式采用不同扰力的实测竖向振动测试数据，计算对应的频率和振幅，绘制出图1、图2的幅频响应曲线。

图1 素混凝土垫层(未粘连)不同常扰力竖向强迫振动测试幅频响应曲线Fig.1 Amplitude-frequency response curve of vertical forced vibration test of plain concrete cushion (unbonded /unadhesived) under different constant disturbances

图2 砂垫层(未粘连)不同常扰力竖向强迫振动测试幅频响应曲线Fig.2 Amplitude-frequency response curve of vertical forced vibration test of sand cushion (unbonded) under different constant disturbances

由图1、图2可知，模型基础与砂及素混凝土垫层(未粘连)连接，其竖向强迫振动的幅频响应曲线“鼓包”现象在不同频段都有所存在。为了减少计算结果偏差，在计算取值时多采取避开鼓包区域的方法，减少数据计算的离散性。通过读取幅频响应曲线的振幅及频率，依据规范计算取值方法及各项动参数计算公式，该项目模型基础试块竖向强迫振动测试结果计算如表1所示。

表1 素混凝土垫层及砂垫层(未粘连)在不同常扰力下竖向强迫振动测试成果

由图1、图2及表1可知，地基与模型基础采用砂垫层连接时测试所得模型基础竖向无阻尼固有频率、模型基础竖向振动共振频率、地基抗压刚度系数均小于采用素混凝土垫层时的相应动力参数，地基抗压刚度系数相差将近一倍。分析其原因，砂垫层强度远低于素混凝土垫层和岩石地基，在岩石地基与模型基础之间铺设砂垫层，等于在岩石地基上加了一层软垫，测试结果不再是地基本身的动力参数，而是砂垫层软垫和岩石地基共同作用的结果，岩石地基本身的刚度以及砂垫层的软硬、厚薄决定最后的测试结果。这种测试结果与动力机器基础设计和施工的实际情况是不相符的；而采用素混凝土垫层，素混凝土垫层强度与岩石地基相当或高于岩石地基，垫层可以看做是岩石地基的一部分且是一个刚性垫层，基础的振动可以通过垫层无损耗地传递给地基，其测试结果就由岩石地基本身的动力特性决定，这种情况与实际动力机器基础设计施工的情况是相符的。因此，认为采用素混凝土垫层与岩石地基未粘连进行竖向强迫振动测试，其成果数据更具代表性和真实性。

5.2 素混凝土垫层及砂垫层(未粘连)水平向振动测试结果对比分析

在水平回转强迫振动测试中也针对两种不同的垫层做了对比测试工作。图3为模型基础与岩石地基砂垫层连接方式水平回转向强迫振动测试得到的幅频响应曲线，使用的扰力值分别为0.182 kN和0.425 kN。图4为模型基础与岩石地基素混凝土垫层(未粘连)连接方式水平回转向强迫振动测试得到的幅频响应曲线，使用的扰力值分别为0.121 kN和0.181 kN。通过采集实测水平向振动测试数据，计算对应的频率和振幅，绘制出图3、图4的幅频响应曲线。

图3 砂垫层(未粘连)不同常扰力水平向强迫振动测试幅频响应曲线Fig.3 The different constant disturbance levels of the sand cushion (unbonded) and the frequency response curve to the forced vibration test

图4 素混凝土垫层(未粘连)不同常扰力水平向强迫振动测试幅频响应曲线Fig.4 The different constant disturbance levels of the concrete cushion (unbonded) and the frequency response curve to the forced vibration test

同样，依据规范常扰力作用下要求的取值办法及动参数计算公式，岩石地基模型基础试块水平强迫振动测试结果计算如表2所示。

表2 砂垫层及素混凝土垫层(未粘连)在不同常扰力下水平向强迫振动测试成果

由图3、图4及表2可知，地基与模型基础采用砂垫层连接时测试所得模型基础水平回转耦合振动第一振型无阻尼固有频率、地基抗剪刚度系数、水平回转向共振频率、地基抗弯刚度系数均小于采用素混凝土垫层时的相应动力参数,其原因与竖向强迫振动测试基本相同。采用素混凝土垫层与岩石地基未粘连进行水平向强迫振动测试，其成果数据与天然地基基本一致。

5.3 素混凝土垫层(粘连)模型基础竖向强迫振动测试结果分析

该测试点在常规岛项目岩石地基处，使岩石地基与模型基础采用素混凝土垫层(粘连)连接方式进行连接，使用大吨位机械式激振器进行常扰力竖向强迫振动测试，得到幅频响应测试曲线。与前节素混凝土垫层(未粘连)方式不同，这是在混凝土垫层砂浆还未初凝时，就将模型基础吊至测试面，当达到一定龄期后进行测试的结果。此时模型基础与地基紧密粘连在一起，地基与基础成为一个整体，采用大吨位机械式激振器激振，试验后用50 t吊车采用最大起吊力进行起吊未能使模型基础与地基分离，最后由切石机切割垫层的四角，配合大吨位吊车及反力杠杆将模型基础与地基脱离。通过采集实测水平向振动测试数据，计算对应的频率和振幅，绘制出图5的幅频响应曲线。

从图5可以看出，该幅频响应曲线无明显的共振幅，振幅相对于与基础未粘连的素混凝土垫层形式要小近一个数量级，这表明地基与模型基础成为一体，测试时地基很大一部分质量参与了振动，大大增加了基础参振总质量，同样的扰力激发的振幅要小得多，这种情况下计算的地基刚度系数要远大于与基础未粘连的情况，这种模型基础获得的地基动力测试参数不具参考意义。

图5 素混凝土垫层(粘连)机械振动常扰力竖向强迫振动测试幅频响应曲线Fig.5 The mechanical vibration constant disturbance force vertical forced vibration test amplitude response curve of the concrete cusiont layer (unbonded)

6 结论与讨论

通过对不同类型垫层在岩石地基动力模型基础的地基动力特性参数测试结果的分析获得以下认识：

1)实际试验结果显示，垫层在与岩石地基处于未粘连状态时，若采用素混凝土垫层设计基础连接形式，素混凝土垫层强度与岩石地基接近或高于岩石地基，将垫层看做是岩石地基的一部分，也就是一个刚性垫层，基础的振动可以通过垫层无损耗地传递给地基，实际测试结果也显示由岩石地基本身的动力特性决定，实际动力机器基础设计参考数据与测试得到的数据是相匹配的，采用素混凝土垫层进行强迫振动测试，其成果数据更具代表性。砂垫层强度低于素混凝土垫层及岩石地基，岩石地基与模型基础之间以砂垫层进行连接，二者之间形成阻抗软垫，测试所得到的不再是地基本身的动力参数，而是砂垫层软垫和岩石地基共同作用的结果，岩石地基本身的刚度以及砂垫层的强度参数共同决定了最后的测试结果，其测试结果与实际动力机器基础设计工况参数是不相符的。

2)垫层在与岩石地基粘连时，素混凝土垫层与岩石基础可以看作是一个整体结构，地基动力测试幅频响应曲线无明显的共振幅，模型基础几乎不发生共振现象，其振幅与基础未粘连的素混凝土垫层不在同一数量级，无法凸显共振峰，地基与模型基础基本融为一体，基础参振总质量巨大，同样的电磁激振扰力激发的振幅要小得多，采用大吨位机械式激振器激振也无法达到测试效果，计算得到的地基刚度系数就要远大于与基础未粘连的情况，实际动力机器基础设计时不能采用这种模型基础获得的动力参数。