软土地区PHC桩动刚度测试及分析

2022-04-12严文根

电力勘测设计 2022年4期

严文根

(中机国能电力工程有限公司，上海 200061)

0 引言

燃机电厂主要建筑物荷载有其特性，对沉降控制要求高，特别在软土地区需采用桩基。PHC 桩因具有桩身强度高、单桩承载力高、耐久性好、施工快速、易控制施工质量且造价低等优点，在软土地区应用较多。

燃机电厂燃机轮机和汽轮机属于周期性运转的大型设备，其基础的振动和隔振设计需要了解桩基的动力特性参数，如动刚度。获得动刚度可以基于桩周土的当量抗剪刚度系数和桩尖土的当量抗压刚度系数的经验取值计算得到[1]，但对周期性振动机器的基础应采用强迫振动测试方法[2]。

本文根据PHC 桩的动刚度测试，对软土地区燃机电厂的PHC桩动刚度测试结果进行对比分析，对测试过程、分析计算等提出了建议。

1 动刚度试验概述

1.1 试验原理

当桩—土体系在低频小振幅振动时，桩体以刚性运动为主，桩土体系可简化为质量—弹簧—阻尼模型来分析，可推导出桩基的动力特性参数的计算公式，具体公式可见GB/T 50269—2015《地基动力特性测试规范》(以下简称《测试规范》)。

1.2 试验设备

试验设备包括激振设备、测振系统、便携电脑及配套软件。

激振设备有机械式和电磁式两种。电磁式为常扰力，即输出扰力幅值恒定，不随输出频率变化而变化。对桩基模型基础试验来说，激振力太小，基础振动幅值也小，会使得振动测量的误差相对变大，测得的幅频曲线不够光滑，所以《测试规范》规定其激振力不宜小于2 000 N。目前较多采用机械式激振器。

机械式激振器由变频器、交流马达、偏心块式激振器组成。其输出扰力为变扰力，与振动频率的平方成正比。测试所用激振器最高工作频率达70 Hz。

测振系统由传感器、接口箱(含放大、滤波功能)、A/D采集卡、便携式计算机(装有采集及处理软件)及电缆组成。传感器采用891-Ⅱ型拾振器，速度输出灵敏度有三档可调。

竖向试验时激振器输出扰力方向为竖向且通过基础重心，在顶面长边的中点处安装两支竖向传感器；水平回转试验时扰力方向与承台长轴方向一致，在顶面长边的中点处安装两支水平传感器，同时在短边中点处安装两支竖向传感器。双桩承台竖向试验设备连接如图1所示。

图1 双桩承台竖向试验设备连接示意图

一般先做竖向测试，后做水平回转向测试。激振器从低频开始运行，监视振动波形，待波形稳定且为正弦波时记录。增加激振频率，记录振动波形，直至完成整个频段的测试。

1.3 数据处理及计算

采集的信号为近似正弦的速度信号，对信号进行积分，得到位移信号，读取位移幅值并记录。专用软件可以自动计算信号的有效值、峰值，由于实际信号并不是严格的正弦波，特别是低频时或者激振力偏心的情况下，积分得到的位移信号会有畸变，软件自动计算的值会偏离实际，这就需要人工读出多组幅值数据，平均后得到振动幅值。对每一频率重复上述步骤，得到幅值和激振频率关系，绘制幅频曲线，然后计算各项参数。

2 工程应用

2.1 江苏昆山某燃机项目(项目一)

该项目位于江苏省昆山市，地貌单元属冲积—湖积平原场地，埋深70 m以上主要为第四系全新统人工堆积物及冲、湖积物，以淤泥质土、粘性土、砂类土为主，深度约3 m以下有厚度约18 m的流塑—软塑状淤泥质粉质粘土。

测试桩型为PHC 600 AB 110-46b，桩端持力层为⑦可塑—软塑状粉质粘土夹粉土，桩长46.0 m左右。完成了三根单桩及一个模型基础的动刚度试验，试验结果见表1所列。

表1 江苏昆山某燃机项目动刚度试验结果

T5单桩的水平回转向强迫振动的幅频曲线发生了畸变，和正常曲线对比如图2～图3所示，计算出的阻尼比明显低于正常值，事后检查发现该桩顶法兰盘和桩之间出现缝隙，连接刚度不够，其计算结果不予采用。T6桩的单桩抗剪刚度要高于T4桩，高出约50%，说明垫层对抗剪刚度有一定的提高作用，但其值与承台的试验结果相比差距仍很大，相差约一个数量级，这说明承台对提高桩基抗剪刚度作用很大[3]。

图2 T4单桩试验水平回转向幅频曲线

图3 T5单桩试验水平回转向幅频曲线

T5、T6桩的单桩抗压刚度均略高于T4，但高出比例很小，约4.6%，说明垫层对抗压刚度有一定程度提高。

三根单桩的抗压刚度和两桩承台折算到单桩的抗压刚度相差不大，有垫层的情况下(T5、T6)还略高于承台中的单桩，和常识相悖。分析认为：横向上对抗压刚度有影响的土体范围通常大于4倍桩径，而本次模型基础的2根桩间距只有2.1 m，不到4倍桩径，影响范围有一部分重叠，对每根桩而言，发挥作用的土体就相对减少了，这就抵消了承台底面土对抗压刚度的提升，相应地折算到一根桩的抗压刚度就可能略低于独立的单桩。

2.2 上海奉贤某燃机项目(项目二)

该项目位于上海市奉贤区杭州湾北岸，地貌单元属滨海平原与潮坪的交汇地带，地基土主要由饱和黏性土、粉土及砂土等组成，具水平层理。测试区深度约6 m以下存在厚度约为19 m的流塑状态淤泥质粉质粘土。

测试包括四根单桩及一个模型基础的动刚度试验。试验桩型为PHC 600 AB 110，桩长约39.0 m，桩端持力层为⑦2灰色粉细砂，饱和、密实。试验结果见表2所列。

表2 上海奉贤某燃机项目动刚度试验结果

由表2可见，单桩抗压刚度、有垫层的单桩抗压刚度的变化规律和项目一较一致，但两者均小于承台试验折算到一根桩的抗压刚度，这与项目一的规律不同。抗剪刚度的变化规律与项目一相同。

3 测试结果的几点分析与讨论

3.1 共振频率及阻尼比

两个燃机项目测试的共振频率和阻尼比结果对比见表3所列。模型基础底面均为粉性土。

表3 共振频率和阻尼比对比表

由单桩到嵌固于承台组成桩基础，竖向振动的共振频率和阻尼比都是降低的，水平回转向则是共振频率降低、阻尼比升高。

比较实测和计算的水平回转向阻尼比，实测值(明置情况下)大于计算值(明置及埋置)，可以推断埋置后实测值比计算值更大，虽然阻尼比小是偏安全的，但很显然以计算值进行设计过于保守。

3.2 抗压刚度的计算

GB 50040—96《动力机器基础设计规范》(以下简称《设计规范》)提供了根据桩周土的当量抗剪、抗压刚度系数经验取值计算抗压刚度的方法。计算结果和实测结果见表4所列。

表4 理论计算与实测抗压刚度对比

由表4可以得出以下几点：

1)两个项目30 m以内的地层相近，桩型一致，淤泥质土厚度相近，项目一顶板埋深比项目二浅，但实测单桩抗压刚度却是项目一大于项目二，原因应该是深度25 m以内占比最大的淤泥质土层的状态不同，项目一为流塑—软塑，项目二为流塑，项目一略好于项目二，这个差异反映到刚度上就是项目一单桩实测抗压刚度大于项目二。

2)桩基的抗压刚度主要由基桩提供，承台本身对桩基抗压刚度的影响取决于桩间距。承台明置条件下，桩间距小于4倍桩径时基本可以忽略，桩间距大于4倍桩径时，有10%～20%的提升。

3)如果计算至全部桩长，理论计算的结果大大超过实测值，这说明在小应变的条件下，对动刚度有影响的土层埋深是有限度的。根据上述对比，笔者认为软土地区，在没有条件实测的情况下，采用《设计规范》所述方法计算单桩抗压刚度计算深度不宜超过25 m。

3.3 桩基抗剪刚度的计算

项目一的抗剪刚度系数明显高于项目二，主要是模型基础的尺寸差异导致。这对计算桩基抗压刚度影响较小，因为《设计规范》和《测试规范》均明确规定桩基抗压刚度由单桩抗压刚度乘以桩数计算。对抗剪刚度，如果仍按刚度系数乘以基础底面积的方法计算，则对于桩间距大于试验桩的基础，其抗剪刚度会偏大，对桩间距小于试验桩的基础，抗剪刚度会偏小。为了降低这个偏差的影响，除了使试验桩间距尽量接近工程桩间距，还应参照抗压刚度的计算方法，以折算到一根桩的抗剪刚度乘以实际的工程桩数来计算桩基的抗剪刚度。

《设计规范》给出的桩基抗剪刚度计算方法为取相应天然地基抗压刚度的0.98倍。根据地层特性，两个项目天然地基抗压刚度系数分别按 45 000 kN/m3、35 000 kN/m3考虑，则明置情况下模型基础的抗剪刚度计算值分别为 3.9×105kN/m、6.3×105kN/m，而实测值为 11.9×105kN/m、10.9×105kN/m，相差悬殊，主要原因在于没有考虑到基础内桩型、数量及桩间距对桩基抗剪刚度的影响并不随基础面积的增加而成比例增加，虽然计算值小于实测值，安全性有保证，但用于设计计算过于保守。

3.4 动、静刚度对比

基于静载试验数据，分别计算小应变(加第一级荷载800 kN或900 kN时的桩身应变)和大应变(加承载力极限对应荷载时的桩身应变)下的单桩静刚度，与实测单桩动刚度做对比，结果见表5所列。

表5 单桩静刚度、动刚度对比表

动/静(小应变)比的离散性要小于动/静(大应变)，根据静载试验数据计算小应变下的静刚度，乘以1.2～1.4的比例系数可得到单桩抗压动刚度。《设计规范》中的计算方法需要对各土层的当量抗剪、抗压刚度系数赋值，赋值的准确性完全取决于测试人员的经验，很难保证计算结果的准确性。而上述根据静载试验数据推算的办法可有效降低人为因素的影响，在没有条件实测时，是一种行之有效的解决思路。

由于承台抗剪刚度主要取决于承台底面土层的抗剪能力及侧面土的抗压能力，且单桩抗剪刚度在桩基抗剪刚度中占比较小，进行动、静对比意义不大。