橡膠混凝土與常規(guī)混凝土組合樁抗震性能分析

盧俊杰

（廣州市泰和混凝土有限公司，廣東 廣州 510450）

地震作為一種自然災(zāi)害，不但會危及到社會大眾的生命安全，而且會導(dǎo)致公共交通、建筑物受到嚴(yán)重的破壞。橡膠集料混凝土（CRC）屬于是一種新型的混凝土，其是秉承廢物再利用的基本原則，將汽車廢棄的輪胎承橡膠顆粒經(jīng)過科學(xué)地處理，把橡膠顆粒作為混凝土混合料中的一種原材料，經(jīng)過一定的配比攪拌而成。CRC 的彈性模量非常低、阻尼性能比較高、具備良好的延性，這些優(yōu)點剛好符合建筑物對于抗震的要求，與規(guī)性的混凝土相比，具備顯著的抗震優(yōu)勢。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試件材料

試件材料如下。1）水泥：普通硅酸鹽水泥；2）橡膠集料：橡膠顆粒的粒徑控制在1mm～3mm，檢測得出橡膠顆粒的密度為1030kg/m3（具體參數(shù)參照表1）；3）砂：使用中砂，中砂的密度為2620kg/m3；4）石子：粒徑為5mm～25mm 的級配碎石，碎石的密度為2640kg/m3；5）水：普通自來水。

表1 橡膠顆粒粒徑分布表

該試驗中橡膠混凝土配合比的設(shè)計應(yīng)該根據(jù)試驗確定出最佳配合比設(shè)計方案，基于此確定橡膠混凝土的強度標(biāo)號，結(jié)合實驗室試驗來對原材料的配比進行合理的調(diào)整，從而確定出最佳配合比。將橡膠混凝土與常規(guī)性混凝土的配合比進行對比分析，結(jié)合《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55-2011）的相關(guān)要求計算，再次借助試驗來對配合比進行優(yōu)化。最終確定出：橡膠混凝土的強度標(biāo)號為C35。

1.2 試驗方案

混凝土配合比試驗使用落錘激振模擬實驗，重錘的重量控制在300kg，振源距離夯擊點的距離為9m，其中，地上部位設(shè)計為3m，地下部分設(shè)計為6m。為了精準(zhǔn)地研究出荷載對于橡膠混凝土樁段的動力影響，在樁頂位置安裝反力梁設(shè)備，并施加12t 的配重，堆載裝置及樁方位如圖1 所示。為精準(zhǔn)地檢測出橡膠混凝土樁段的抗震性能，在橡膠混凝土樁頂部位、樁段底部、常規(guī)性混凝土的樁頂位置分貝安裝速度傳感器，用來收集研究數(shù)據(jù)。傳感器選擇使用的是TST126 磁電式傳感器，傳感器的頻率保持在0.25Hz～100Hz，加速度傳感器安裝位置如圖2 所示。

圖1 堆載反力梁裝置及樁位分布圖

圖2 加速度傳感器監(jiān)測點位置示意圖

1.3 試驗方法

1.3.1 混凝土材性試驗

在實際試驗時由于條件有限，所以并未進行應(yīng)變關(guān)系全曲線試驗。橡膠混凝土樁段的棱柱的應(yīng)變曲線試驗可以結(jié)合參考文獻(xiàn)進行實驗。檢測結(jié)果可以參照圖3 中信息。結(jié)合圖3中所展示的信息可以發(fā)現(xiàn)：橡膠混凝土曲線處于峰值時，應(yīng)力前斜率最低，彈性模量比較??；進一步計算得出，橡膠混凝土的應(yīng)變力是常規(guī)性混凝土的1.17 倍，橡膠混凝土的應(yīng)力是常規(guī)性混凝土的0.93 倍。

圖3 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖（上升段）

1.3.2 橡膠混凝土樁段抗震性能試驗

為有效研究出橡膠混凝土樁段的抗震性能，該文設(shè)計出4 種類型的試驗樁。4 種類型的試驗樁的樁段長度分別為0m、0.3m、0.5m、1.0m。試驗樁的直徑設(shè)計為0.5m，試驗樁的長度設(shè)計為6m，鋼筋籠的主筋使用的是HRB400E 抗震鋼筋，箍筋使用的是HPB300 熱軋光圓鋼筋。試驗樁部位的混凝土使用的是C30 混凝土，樁身部位的橡膠混凝土將C40 混凝土作為基準(zhǔn)混凝土，橡膠顆粒的摻加量為1.31%?；鶞?zhǔn)混凝土的配合比情況可以參照表2 信息。

表2 基準(zhǔn)混凝土配比

2 結(jié)論分析

2.1 樁頂荷載對組合樁抗震性能影響分析

結(jié)合試驗所收集到的樁頂空載以及90kN 重載，配合圖4 可以了解到，橡膠混凝土樁段樁頂?shù)暮奢d波動會對樁的激振響應(yīng)造成巨大的影響。當(dāng)樁頂處于空載狀態(tài)時，激振響應(yīng)的時間會對樁頂水平方向的峰值響應(yīng)速度造成較大的影響，當(dāng)樁頂部位的荷載增加至90kN 時，樁頂部位水平方向的峰值加速度則開始降低。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，主要是因為當(dāng)裝訂處于空載狀態(tài)時，樁頂應(yīng)該是自由端，但是當(dāng)樁頂部位的荷載增加至90kN以后，因樁頂表面不光滑，會產(chǎn)生一定的摩擦力，導(dǎo)致側(cè)向作用力出現(xiàn)，在這種情況下，樁身部位的水平方向的承載能力必然會提升，同時樁身該部位的水平峰值加速度會降低。

橡膠混凝土樁段的樁頂部位受到的荷載側(cè)向約束力在一定深度范圍內(nèi)會對峰值角速度造成影響。具體來說，即橡膠混凝土樁段樁頂處于空載與樁頂荷載為90kN 時，在這兩種情況下，樁身的峰值加速度差異性會隨著樁身的深度增大而逐漸降低，主要原因如下。1）樁身的原材料突然的發(fā)生變化，導(dǎo)致豎向約束力傳播受到阻礙。當(dāng)橡膠混凝土樁段的長度與樁身長度之間的比例大于1/6 時，樁頂部位荷載的約束力在距離樁頂1/6 樁長部位，則非常的模糊，且不易被發(fā)現(xiàn)。2）當(dāng)橡膠混凝土樁段樁頂荷載處于90kN 時，假若橡膠混凝土樁段的長度低于樁身長度的1/6，那么橡膠混凝土樁段與常規(guī)混凝土樁段的荷載作用力會對峰值加速度造成影響；反之，側(cè)向約束力將會成為樁身長度的主要影響因素。

2.2 震源距離對組合樁抗震性能影響分析

應(yīng)該確定出樁位與震源之間的距離，4#樁與10#樁距離震源的距離為8.32m，5#樁與11#樁距離震源的距離為13.15m，6#樁與12#樁距離震源的距離為19.50m。結(jié)合圖4 中信息來看，當(dāng)樁位與震源非常近時，10#樁樁頂水平方向的峰值加速度檢測結(jié)構(gòu)為1.1586m/s2，4#樁頂部的加速度檢測為0.6660m/s2，二者之間的差異為0.4926m/s2，由此可以斷定橡膠混凝土樁段的抗震性能比較強。

圖4 不同位置處樁身水平峰值加速度曲線圖

當(dāng)橡膠混凝土樁位與震源之間的距離增大時，常規(guī)性混凝土樁12#樁的加速度檢測結(jié)果為0.1497m/s2，橡膠混凝土樁段的6#樁的加速度檢測結(jié)果為0.0893m/s2，兩者之間的差距為0.0604m/s2，由此可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)樁位距離震源比較遠(yuǎn)時，橡膠混凝土的抗震效果不顯著。主要原因是橡膠混凝土樁位距離震源過遠(yuǎn)時，樁頂水平方向的峰值加速度非常小，在這種情況下，橡膠混凝土的抗震性能與抗震優(yōu)勢無法展現(xiàn)出來。該文全面、深入地對比分析了樁身水平方向的峰值加速度波動，當(dāng)橡膠混凝土樁位距離震源過近時，橡膠混凝土樁段的4#樁與常規(guī)性混凝土樁段的10#樁，峰值加速度大致相同，并未出現(xiàn)較大的差異。當(dāng)橡膠混凝土樁位距離震源過遠(yuǎn)時，橡膠混凝土樁段的6#樁與常規(guī)性混凝土樁段的12#樁，峰值加速度基本上相同，由此可以得出，在激振作用下，橡膠混凝土的抗震性能并未全部發(fā)揮出來。

2.3 橡膠混凝土樁段對常規(guī)混凝土樁段的影響分析

為分析橡膠混凝土樁段對常規(guī)混凝土樁段的影響，分別在橡膠混凝土樁段與常規(guī)混凝土樁段交界位置以下0.1m 處設(shè)置加速度傳感器，收集相關(guān)加速度數(shù)據(jù)。從圖5 可以明顯看出，受橡膠混凝土樁段影響，常規(guī)混凝土樁段頂部的水平峰值加速度明顯減小。以0.5m 橡膠混凝土樁段為例，當(dāng)樁位距震源8.32m 時，0.5m 橡膠混凝土樁段（3#樁）的-0.6m 位置處的水平峰值加速度為0.3316m/s2，無橡膠混凝土樁段（10#樁）的-0.6m 位置處的水平峰值加速度為0.5472m/s2，水平峰值加速度減小大約40%，減震效果明顯。由此可以發(fā)現(xiàn)，樁位距離震源越遠(yuǎn)，橡膠混凝土的抗震性能發(fā)揮出來的作用越小。

圖5 不同深度加速度監(jiān)測對比圖

2.4 橡膠混凝土樁段長度對減震效率的影響分析定義減震效率

該文對橡膠混凝土樁段的減震效果進行分析后，可模擬出不同長度的橡膠混凝土樁段的減震效率，其表達(dá)式如式（1）。

式中：y為指減震效率；x為指橡膠混凝土樁段與樁身長度比；K、a、b為任意常數(shù)。

結(jié)合圖6 中顯示的內(nèi)容可以了解到，橡膠混凝土樁段的減震效率模擬曲線呈現(xiàn)出“S”形，當(dāng)橡膠混凝土樁段的長度超過常規(guī)性混凝土樁段長度時，橡膠混凝土樁段的減震效果會大幅度降低。因此，在設(shè)計樁基礎(chǔ)時，應(yīng)該確定橡膠混凝土樁段的有效長度，需要考慮橡膠混凝土樁段的長度變化對減震效率造成的影響。

圖6 減震效率隨橡膠混凝土樁段與樁身長度比變化擬合曲線

2.5 罕遇地震作用標(biāo)準(zhǔn)值計算

罕遇地震作用下產(chǎn)生層間彈性地震剪力，反應(yīng)譜的周期Tg會增加0.05s，實際取值應(yīng)該是0.3s，計算結(jié)果參照表3 中信息所示。

表3 罕遇地震作用下層間彈性地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值（單位：kN·m）

結(jié)合表3 中信息可以了解到，地下各層的地震剪力都會有所降低，且降低的幅度比較大。在罕遇地震的影響下，因地震剪力比較大，可能會出現(xiàn)柱絞現(xiàn)象，在這種情況下，運用橡膠混凝土，可以大幅度地降低地震剪力造成的影響。

3 改建建議及前景展望

3.1 改建建議

改建建議如下。1）橡膠混凝土的破壞全過程與常規(guī)性混凝土的全破壞過程基本上是相同的，二者都會經(jīng)歷以下四個發(fā)展階段：初期開裂階段、貫通性開裂階段、極限開裂階段、結(jié)構(gòu)破壞階段。在混凝土被最終破壞時，混凝土內(nèi)部會不斷軟化，其內(nèi)部的鋼筋會逐漸外露，剪切變形現(xiàn)象不斷加劇[1]。2）橡膠混凝土可以延長裂縫出現(xiàn)的時間節(jié)點，即使混凝土開裂，橡膠混凝土的框架結(jié)構(gòu)也不會發(fā)生較大的波動，橡膠混凝土自身的整體性比較好。3）橡膠混凝土試塊的開裂荷載與屈服強度是相同的，因混凝土的軸壓比增大，促使試塊的豎向約束力增大，這種變化會鉗制裂縫發(fā)展的速度。合理地選擇軸壓比，從而提高混凝土的延性性能。4）橡膠混凝土與常規(guī)性混凝土在破壞階段的延性狀況基本相同，但是在極限承載階段發(fā)展至破壞階段的過程中，橡膠混凝土的延性明顯比常規(guī)性混凝土強。

3.2 前景展望

近年來，我國的機動車總數(shù)量逐年增長，這意味著未來的發(fā)展過程中，廢棄輪胎的數(shù)量必然會不斷增大，將廢棄輪胎經(jīng)過特殊工藝處理后，運用在混凝土中，不但能滿足混凝土的性能要求，同時還可以改善因廢棄輪胎所引發(fā)的環(huán)境污染問題。對廢棄輪胎進行處理再利用，完全符合我國“十二五”所提出的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基本要求?，F(xiàn)階段學(xué)術(shù)界對于橡膠混凝土的受壓、受拉方面的研究尚處于初期階段，導(dǎo)致該研究橡膠混凝土節(jié)點部位的承載力時可能會存在一定的誤差，對于這一問題，在未來的研究過程中對其做進一步分析，以彌補該研究的不足。

4 結(jié)語

當(dāng)樁頂部位施加荷載以后，樁頂在摩擦作用下會形成側(cè)向約束作用力，提升樁身部位的承載能力，間接性地提高樁身的抗震性能。結(jié)合該試驗來看，樁頂荷載達(dá)到90kN 時，橡膠混凝土樁段的長度會對荷載側(cè)向約束力造成影響。當(dāng)樁位與震源之間的距離比較近時，橡膠混凝土樁段的減震效果比較顯著，但是當(dāng)樁位與震源之間的距離不斷延長時，橡膠混凝土樁段的減震效果則會不斷地降低。此外，橡膠混凝土樁段不但能夠在自身撞斷的情況下發(fā)揮出減震作用，同時還能夠?qū)ΤＲ?guī)性混凝土撞斷起到一定的減震作用。橡膠混凝土樁段長度與自身減震效率的關(guān)聯(lián)性模擬曲線呈現(xiàn)出“S”形，延長橡膠混凝土樁段的長度，會使橡膠混凝土樁段的減震效率明顯提升。