动力机器基础的地基动力参数测试及分析

刘飞

安徽建筑大学勘测设计研究院有限公司 安徽合肥 230022

地基动力参数是计算动力机器基础振动的关键数据，随着经济建设的快速发展，一些大型的动力设备的使用越来越多，如支承活塞式压缩机、汽轮机以及冲击机器锻锤落锤、热模端压力机等。这些动力机器基础与建筑物基础有所不同，这些动力机器的基础除受到机器静荷载作用外，还受到机器工作时不平衡作用力（这个作用力在《动力机器基础设计标准》（GB50040-2020）中称为扰力）或冲击力作用而引起的振动，这个扰力可能是稳态的，也可能是暂态的，如果振动过大，不仅可能引起基础本身的震动进而损坏机器，还可能对邻近其他机器或建筑物造成破坏或对人身安全造成隐患。因此对这些动力机器基础进行设计时，不仅需要提供地基土的一般物理力学指标，还要提供地基动力参数，如地基刚度和阻尼比等参数值，这些值的精确与否，直接影响到工程设计的安全可靠与经济合理，因此对动力机器基础地基动力参数的测试与研究是非常必要的。

一般情况下土层的刚度与阻尼比可按＜＜动力机器基础设计标准＞＞（GB50040-2020）进行计算求得，但当对振动要求严格的动力机器基础或动力机器基础建造在人工加固的地基上时或在残积土、膨胀土、软粘土等地基中埋置动力机器基础时，则需通过现场测试求得。在现场通过试验求得地基土的刚度和阻尼比时，常用的有两种方法：一种是波速法，通过实测波速求得土层的剪切模量和泊松比，经过换算从而间接求得刚度和阻尼比；另一种是模型法，通过现场块体基础模型试验直接测得。国家现行规范要求对于动力机器基础设计所需的地基动力参数应在现场采用激振法测试，本文结合工程实例阐述激振法地基动力参数测试理论和资料分析处理等方法技术。

1 激振法测试方法原理

块体基础激振法振动试验依据质量-弹簧-阻尼模型理论，假定基础为质量m的绝对刚体，地基土视为无质量的弹簧，且起阻尼器的作用，振动时所产生的阻尼力与振动速度成正比，如基础在垂直变扰力p作用下（见图1）则间谐强迫振动方程可写成：

图1 激振法试验理论模型

2 测试实例

某年产80万吨的柴油加氢精制装置工程，其压缩机厂房内设有往复式压缩机，为确保整个工程质量的安全可靠与造价的经济合理，需在现场进行人工地基的模拟基础的动力试验，研究地基土介质质点的振动特性，测试拟建场地地基土的抗压、抗剪、抗扭刚度系数及竖向阻尼比、水平回转耦合第一振型阻尼比、扭转振动阻尼比等动力参数，以便在对基础进行设计和抗震分析时使用。

试验场地从勘察报告中的钻孔剖面图显示揭露的深度内，地层自上而下依次为：杂填土、淤泥质粉质黏土、粉质粘土、粘土混卵石砾砂、砂质泥岩强风化、砂质泥岩中风化。本次试验在拟建往复压缩机基础场地上挖一个8.7×9.2m2的试坑，坑底位于粉质粘土层下0.5m处，距地表3.5m，试验所用的砼块体基础底面为回填的毛石砼C10，毛石砼上面铺50cm厚的1：2砂石垫层，以便块体与地层紧密接触，块体长2.0m、宽1.5m、高1.2m，砼强度为C20。

试验的主要设备有：混凝土块体模型基础（2.0×1.5×1.2m3）；测振记录器；激振设备采用机械式激振器，其最大扰力为20KN，最高激振频率可达78Hz，整个试验设备及现场布置见图2。

图2 测试现场布置示意图

为确保所测数据准确，激振器必须牢固地固定在块体基础上，当要改变扰力方向时只需把部分方向改变即可，另外检波器可用橡皮泥或石膏粉粘牢在块体上。试验时激振器的工作频率由低到高逐级变化，在各个频率下待振动稳定后进行记录，选择各频率下检波器理想波形曲线，并取各检波器所测振幅的平均值作振幅值，绘制振幅—频率响应曲线，即A～f曲线。测试在各种振动方式下的基础幅频响应曲线分别见图3-图6。

测试先后采用块体周围无回填土（明置）和有回填土（埋置）两种方式进行了对比试验，明置基础的测试目的是为了获得基础下地基的动力参数，埋置基础的测试目的是为了获得基坑回填埋置后对地基的动力参数的提高效果，因为所有的机器基础都有一定的埋置埋深，有了这两者的动力参数，就可进行机器基础的科学、合理的设计了。

地基土的动力参数可按振动理论推导出来的公式采用点峰法计算，在Az～f幅频响应曲线上求地基竖向阻尼比，其计算值与选取的点有关，为了统一可选取共振峰点和0.85fm以下不少于三点的c频率和振幅，如图3-图4，这样计算的平均阻尼比ξz及相应的z的结果差别不会很大；地基水平回转向第一振型阻尼比，应在Axφ～f曲线上选取第一振型的共振频率（fm）和频率为0.707fm所对应的水平振幅，如图5-图6。总的动力参数计算处理结果见表1。

表1 块体基础动力参数测试值

图3 无回填土时竖向变扰力幅频响应曲线

图4 有回填土时竖向变扰力幅频响应曲线

图5 无回填土时水平变扰力幅频响应曲线

图6 有回填土时水平变扰力幅频响应曲线

从表1中可以看出，无论是垂直振动还是水平振动，基础周边回填土对基础振动的影响是明显的：使地基刚度增大8%-21%，阻尼比增大25%-60%，相应峰点振幅减少2%-17%。

另外，测试结果的抗压刚度系数值较该场地天然地基抗压刚度系数理论推荐使用值大，这是由于在试验块体基础底面毛石砼上面铺50cm厚粗砂碎石层使基础垂直向自振频率增大，结果所反映的基本上是砼垫层的刚度，因此造成测试结果抗压刚度系数增大，且阻尼比值较理论推荐使用值小。

值得注意的是，现场模型基础与实际基础在静压力、基础底面积、基础埋置深度等方面都不相同，现场试验基础底面积小，其影响深度也小，测试得到的动力参数只能代表试验基础，不能直接用于动力机器基础的振动和隔振设计，必须按一定的方法进行适当的换算，才能符合机器基础的实际情况。

3 结语

目前，随着国民经济的高速发展，越来越多的大型动力机器设备需要进行安装建设，动力参数测试具有广阔的应用前景。测试方法技术虽然已经在基础设计和工程抗震计算中解决了一些工程实际问题，并为土动力学学科的理论研究提供重要手段，但由于地层介质的复杂性和多样性，理论模型还不能完全反映地基基础振动系统的实际情况，加上仪器设备和测试人员水平的差异，测试结果也可能带有一些经验成分，所有这些都将影响检测结果的精度，可以采用一种或几种测试方法，在综合分析比较的基础上确定地基动力参数，最终指导设计人员完成动力机器基础的设计，以满足技术先进、经济合理、安全适用的设计理念。