第三節(jié) 土動力參數(shù)測試
隨著上海改革開放和外向型經(jīng)濟的發(fā)展，高層建筑工程建設(shè)越來越多。按上海市《建筑抗震設(shè)計規(guī)程》（DBJ08-9-92），上海抗震設(shè)防烈度為6～8度，場地類別IV類，因此要求工程地質(zhì)勘察報告提出場地穩(wěn)定性和地基液化危險性評價。對于需要進(jìn)行抗震計算的建筑，根據(jù)設(shè)計要求，提供土的動力性質(zhì)參數(shù)。土動力參數(shù)測試，包括波速測試、場地微振動測試和機械基礎(chǔ)動力測試等內(nèi)容。
一、波速測試
地層橫波波速和縱波波速是基本的動力參數(shù)，通常要求現(xiàn)場實測，以便計算出動剪切模量、動彈性模量和動泊松比等抗震設(shè)計所需的動力參數(shù)。
上海較早開展波速測試的是華東電力院，于1975年用跨孔法，在上海高橋電廠、火車站調(diào)度樓和友誼商店等工地，為設(shè)計提供巖土的動力參數(shù)，1979～1980年，在江蘇省江陰縣蘇南核電廠選址工地，進(jìn)行跨孔法波速試驗，深度達(dá)100米。1983年，在秦山核電廠工程地質(zhì)初勘階段，要求在擬建核島區(qū)的100米深孔中，進(jìn)行基巖的波速試驗。中船勘察院與中國科學(xué)院巖體力學(xué)研究所合作，采用跨孔法，三個測試孔呈等邊三角形布置，邊長18.5米，激振方式用小藥量爆炸和電火花激振，測試儀器是DJ2-5-70拾震器、三分量充氣貼壁式檢波器和SC-16紫外線示波儀，孔斜測量采用氫氟酸蝕刻的方法。這套測試設(shè)備滿足了當(dāng)時基巖波速測試的要求。
隨著市區(qū)高層建筑和大型工業(yè)建筑的大量興建，抗震設(shè)計要求軟土地區(qū)測定地層波速，而且要求測試深度也越來越大，80年代后期，華東電力院引進(jìn)了美國的1580-2型6通道信號增加型工程地震儀，在外高橋電廠工程中進(jìn)行跨孔波速測試，測試深度達(dá)80米。在測試中，震源采用井下剪切波錘，接收采用三分量充氣貼壁式檢波器。3個測試孔沿南北向呈直線布置，孔斜測量采用美國50309-M數(shù)字式測斜儀。上?？辈煸阂M(jìn)美國ES-1225工程地震儀，采用電火花發(fā)射震源，測試孔只需2只，降低了測試成本。上海東方明珠電視塔工程、楊浦大橋主墩工程，測試深度超過80米。1992年，上海市地震局在浦東陸家嘴金融開發(fā)區(qū)金茂大廈波速測試中，采用單孔法，測試深度達(dá)132米。
為了提高深層波速測試的精度，上?？辈煸撼袚?dān)了建設(shè)部下達(dá)的深基工程巖土層測試技術(shù)中的深層波速測試技術(shù)的研究，總結(jié)出一套提高深層波速測試精度的技術(shù)，并研究成功KTL-1型陀螺套管導(dǎo)槽方位測定儀，解決了由于塑料測斜管下到較大的深度后，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)而引起的鉆孔間距偏差問題，提高了在軟土中進(jìn)行深度波速測試的精度，在虹城大廈工程中，用跨孔法波速測試深度達(dá)100米。
1992年，為配合開發(fā)開放浦東的需要，上海市環(huán)境地質(zhì)站在編制《淺基工程地質(zhì)圖集》時，在浦東新區(qū)用單孔法測定20米以內(nèi)的淺層波速，為編制各規(guī)劃區(qū)的抗震特性分區(qū)圖提供土層動力參數(shù)依據(jù)。
二、場地微振動測試
場地微振動是指由于氣象、海浪、地下構(gòu)造等自然震源或交通、機械等人為振源所引起的，由四面八方各種無定向振源激發(fā)的各種波隨機集合而成的地球表面的固有微振動。場地微振動測試，就是用儀器記錄建筑場地上微振動時程曲線，并通過頻譜分析，測出其主導(dǎo)周期——卓越周期和振幅。場地微振動時的時程曲線、頻譜曲線、卓越周期和振幅是高層建筑或?qū)φ駝用舾械慕ㄖ拐鹪O(shè)計的重要基礎(chǔ)資料。
上海較早開展場地微波振動測試的單位是上海市地震局和上?？辈煸?。80年代，上海地震局曾為寶鋼、吳涇化工廠等重點工程，進(jìn)行場地微振動測量，提供了卓越周期和振動幅值等抗震設(shè)計所需的參數(shù)。1990年7月，上?？辈煸涸阡詈記芘_商工業(yè)城服務(wù)大樓工程中，開展場地及地下不同深度的三分量微振動測試和研究開發(fā)工作，測試系統(tǒng)采用CD-7磁電式傳感器接收振動信號，GCF-6工程測震放大器積分放大，SD375動態(tài)頻譜分析儀記錄和數(shù)據(jù)處理，求得卓越周期。為了了解擬選樁基持力層上微振動的情況，在地面上，布置了水平（X、Y）和垂直（Z）三個方向的拾震器，并研制了井下三分量拾震器，測試地面以下30米、37米和72米3個不同深度上、3個不同方向的微振動。井下拾震器采用WLJ差容式平衡加速計，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。1990年后，大多數(shù)20層以上的高層建筑都開展了微振動測試。
1990年，上?？辈煸菏苌虾Ｊ杏嬑校c機電部第十一設(shè)計研究院和上海市儀表電子工業(yè)設(shè)計院合作，在浦東新區(qū)張江高科技園區(qū)內(nèi)為908工程選址開展了場地微振動分析研究工作。由于908工程對地面微振動的要求極高，要測量園區(qū)內(nèi)常規(guī)的微振動與潮汐的關(guān)系，以及附近公路來往車輛對場地微振動的影響。通過3晝夜的連續(xù)測量和專項測試，取得了大量數(shù)據(jù)，表明張江高科技園區(qū)內(nèi)場地微振動的振幅、速度和加速度值出現(xiàn)在白天上班時間，而深夜各參數(shù)幅值平穩(wěn)且最低，受公路汽車行駛?cè)斯ふ裨吹挠绊戄^明顯，而受潮汐的影響不明顯。測試結(jié)果表明該場地只要采取適當(dāng)?shù)姆勒翊胧?，可以滿足908工程對場地微振動的要求。
三、機器基礎(chǔ)動力測試
在軟土地基上建造大型動力機器基礎(chǔ)時，要求進(jìn)行現(xiàn)場模擬基礎(chǔ)動力測試，并從承臺與土，樁與土共同作用的概念出發(fā)，綜合分析測試結(jié)果，提出直接用于樁基礎(chǔ)動力計算的模式。1989年3～8月，上海輕工院與上?？辈煸汉献?，為上海石化總廠塑料廠三期工程超高壓壓縮機動力基礎(chǔ)進(jìn)行動力測試。該壓縮機是新建年產(chǎn)8萬噸低密度聚乙稀裝置的核心設(shè)備，機組由2臺臥式對稱平衡型壓縮機串聯(lián)工作，具有大功率、超高壓、低頻（3.3～6.3赫）、強水平擾力（不平衡擾力可達(dá)105千牛）等特性，機器基礎(chǔ)設(shè)計要求嚴(yán)格，基礎(chǔ)面振幅限在80微米，所以在設(shè)計前進(jìn)行工程勘察的同時，還進(jìn)行了原位模擬基礎(chǔ)的振動測試和對地基土層的彈性波速測試，為設(shè)計確定基礎(chǔ)——土體系的振動計算模式和動力計算參數(shù)提供依據(jù)。1991年6月，機器基礎(chǔ)和廠房結(jié)構(gòu)竣工后，在機器未安裝前，又對實體進(jìn)行了振動測試和場地、基礎(chǔ)上微振動測量。1992年9月，在新裝置建成投料試生產(chǎn)時，再次對正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的壓縮機基礎(chǔ)、周圍場地、廠房進(jìn)行實測，以檢驗動力機器基礎(chǔ)的振動狀態(tài)，從而驗證勘察設(shè)計的效果。在實際工作中，除按常規(guī)動測方法進(jìn)行測試外，采用了一些新的技術(shù)手段和計算方法，如以多參數(shù)振動模型解析提供了承臺與土，樁與土共同作用的動參數(shù)模式可直接用于該工程計算。在大質(zhì)量原型試驗中，以拉伸回彈法進(jìn)行微振并提出解析式。運用最小二乘法擬合曲線提高計算精度。巧妙地運用偏心水平強迫振動解得扭轉(zhuǎn)強迫振動參數(shù)
隨著上海改革開放和外向型經(jīng)濟的發(fā)展，高層建筑工程建設(shè)越來越多。按上海市《建筑抗震設(shè)計規(guī)程》（DBJ08-9-92），上海抗震設(shè)防烈度為6～8度，場地類別IV類，因此要求工程地質(zhì)勘察報告提出場地穩(wěn)定性和地基液化危險性評價。對于需要進(jìn)行抗震計算的建筑，根據(jù)設(shè)計要求，提供土的動力性質(zhì)參數(shù)。土動力參數(shù)測試，包括波速測試、場地微振動測試和機械基礎(chǔ)動力測試等內(nèi)容。
一、波速測試
地層橫波波速和縱波波速是基本的動力參數(shù)，通常要求現(xiàn)場實測，以便計算出動剪切模量、動彈性模量和動泊松比等抗震設(shè)計所需的動力參數(shù)。
上海較早開展波速測試的是華東電力院，于1975年用跨孔法，在上海高橋電廠、火車站調(diào)度樓和友誼商店等工地，為設(shè)計提供巖土的動力參數(shù)，1979～1980年，在江蘇省江陰縣蘇南核電廠選址工地，進(jìn)行跨孔法波速試驗，深度達(dá)100米。1983年，在秦山核電廠工程地質(zhì)初勘階段，要求在擬建核島區(qū)的100米深孔中，進(jìn)行基巖的波速試驗。中船勘察院與中國科學(xué)院巖體力學(xué)研究所合作，采用跨孔法，三個測試孔呈等邊三角形布置，邊長18.5米，激振方式用小藥量爆炸和電火花激振，測試儀器是DJ2-5-70拾震器、三分量充氣貼壁式檢波器和SC-16紫外線示波儀，孔斜測量采用氫氟酸蝕刻的方法。這套測試設(shè)備滿足了當(dāng)時基巖波速測試的要求。
隨著市區(qū)高層建筑和大型工業(yè)建筑的大量興建，抗震設(shè)計要求軟土地區(qū)測定地層波速，而且要求測試深度也越來越大，80年代后期，華東電力院引進(jìn)了美國的1580-2型6通道信號增加型工程地震儀，在外高橋電廠工程中進(jìn)行跨孔波速測試，測試深度達(dá)80米。在測試中，震源采用井下剪切波錘，接收采用三分量充氣貼壁式檢波器。3個測試孔沿南北向呈直線布置，孔斜測量采用美國50309-M數(shù)字式測斜儀。上?？辈煸阂M(jìn)美國ES-1225工程地震儀，采用電火花發(fā)射震源，測試孔只需2只，降低了測試成本。上海東方明珠電視塔工程、楊浦大橋主墩工程，測試深度超過80米。1992年，上海市地震局在浦東陸家嘴金融開發(fā)區(qū)金茂大廈波速測試中，采用單孔法，測試深度達(dá)132米。
為了提高深層波速測試的精度，上?？辈煸撼袚?dān)了建設(shè)部下達(dá)的深基工程巖土層測試技術(shù)中的深層波速測試技術(shù)的研究，總結(jié)出一套提高深層波速測試精度的技術(shù)，并研究成功KTL-1型陀螺套管導(dǎo)槽方位測定儀，解決了由于塑料測斜管下到較大的深度后，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)而引起的鉆孔間距偏差問題，提高了在軟土中進(jìn)行深度波速測試的精度，在虹城大廈工程中，用跨孔法波速測試深度達(dá)100米。
1992年，為配合開發(fā)開放浦東的需要，上海市環(huán)境地質(zhì)站在編制《淺基工程地質(zhì)圖集》時，在浦東新區(qū)用單孔法測定20米以內(nèi)的淺層波速，為編制各規(guī)劃區(qū)的抗震特性分區(qū)圖提供土層動力參數(shù)依據(jù)。
二、場地微振動測試
場地微振動是指由于氣象、海浪、地下構(gòu)造等自然震源或交通、機械等人為振源所引起的，由四面八方各種無定向振源激發(fā)的各種波隨機集合而成的地球表面的固有微振動。場地微振動測試，就是用儀器記錄建筑場地上微振動時程曲線，并通過頻譜分析，測出其主導(dǎo)周期——卓越周期和振幅。場地微振動時的時程曲線、頻譜曲線、卓越周期和振幅是高層建筑或?qū)φ駝用舾械慕ㄖ拐鹪O(shè)計的重要基礎(chǔ)資料。
上海較早開展場地微波振動測試的單位是上海市地震局和上?？辈煸?。80年代，上海地震局曾為寶鋼、吳涇化工廠等重點工程，進(jìn)行場地微振動測量，提供了卓越周期和振動幅值等抗震設(shè)計所需的參數(shù)。1990年7月，上?？辈煸涸阡詈記芘_商工業(yè)城服務(wù)大樓工程中，開展場地及地下不同深度的三分量微振動測試和研究開發(fā)工作，測試系統(tǒng)采用CD-7磁電式傳感器接收振動信號，GCF-6工程測震放大器積分放大，SD375動態(tài)頻譜分析儀記錄和數(shù)據(jù)處理，求得卓越周期。為了了解擬選樁基持力層上微振動的情況，在地面上，布置了水平（X、Y）和垂直（Z）三個方向的拾震器，并研制了井下三分量拾震器，測試地面以下30米、37米和72米3個不同深度上、3個不同方向的微振動。井下拾震器采用WLJ差容式平衡加速計，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。1990年后，大多數(shù)20層以上的高層建筑都開展了微振動測試。
1990年，上?？辈煸菏苌虾Ｊ杏嬑校c機電部第十一設(shè)計研究院和上海市儀表電子工業(yè)設(shè)計院合作，在浦東新區(qū)張江高科技園區(qū)內(nèi)為908工程選址開展了場地微振動分析研究工作。由于908工程對地面微振動的要求極高，要測量園區(qū)內(nèi)常規(guī)的微振動與潮汐的關(guān)系，以及附近公路來往車輛對場地微振動的影響。通過3晝夜的連續(xù)測量和專項測試，取得了大量數(shù)據(jù)，表明張江高科技園區(qū)內(nèi)場地微振動的振幅、速度和加速度值出現(xiàn)在白天上班時間，而深夜各參數(shù)幅值平穩(wěn)且最低，受公路汽車行駛?cè)斯ふ裨吹挠绊戄^明顯，而受潮汐的影響不明顯。測試結(jié)果表明該場地只要采取適當(dāng)?shù)姆勒翊胧?，可以滿足908工程對場地微振動的要求。
三、機器基礎(chǔ)動力測試
在軟土地基上建造大型動力機器基礎(chǔ)時，要求進(jìn)行現(xiàn)場模擬基礎(chǔ)動力測試，并從承臺與土，樁與土共同作用的概念出發(fā)，綜合分析測試結(jié)果，提出直接用于樁基礎(chǔ)動力計算的模式。1989年3～8月，上海輕工院與上?？辈煸汉献?，為上海石化總廠塑料廠三期工程超高壓壓縮機動力基礎(chǔ)進(jìn)行動力測試。該壓縮機是新建年產(chǎn)8萬噸低密度聚乙稀裝置的核心設(shè)備，機組由2臺臥式對稱平衡型壓縮機串聯(lián)工作，具有大功率、超高壓、低頻（3.3～6.3赫）、強水平擾力（不平衡擾力可達(dá)105千牛）等特性，機器基礎(chǔ)設(shè)計要求嚴(yán)格，基礎(chǔ)面振幅限在80微米，所以在設(shè)計前進(jìn)行工程勘察的同時，還進(jìn)行了原位模擬基礎(chǔ)的振動測試和對地基土層的彈性波速測試，為設(shè)計確定基礎(chǔ)——土體系的振動計算模式和動力計算參數(shù)提供依據(jù)。1991年6月，機器基礎(chǔ)和廠房結(jié)構(gòu)竣工后，在機器未安裝前，又對實體進(jìn)行了振動測試和場地、基礎(chǔ)上微振動測量。1992年9月，在新裝置建成投料試生產(chǎn)時，再次對正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的壓縮機基礎(chǔ)、周圍場地、廠房進(jìn)行實測，以檢驗動力機器基礎(chǔ)的振動狀態(tài)，從而驗證勘察設(shè)計的效果。在實際工作中，除按常規(guī)動測方法進(jìn)行測試外，采用了一些新的技術(shù)手段和計算方法，如以多參數(shù)振動模型解析提供了承臺與土，樁與土共同作用的動參數(shù)模式可直接用于該工程計算。在大質(zhì)量原型試驗中，以拉伸回彈法進(jìn)行微振并提出解析式。運用最小二乘法擬合曲線提高計算精度。巧妙地運用偏心水平強迫振動解得扭轉(zhuǎn)強迫振動參數(shù)