沙漠砂基礎(chǔ)隔震墊層隔震性能試驗(yàn)研究

楊文偉, 卜一凡, 林健康

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021; 2.寧夏土木工程防震減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750021)

在國(guó)家實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略中，保證農(nóng)村住宅的抗震安全性是美麗宜居鄉(xiāng)村建設(shè)的內(nèi)涵所在.歷次大地震中，村鎮(zhèn)建筑的抗震安全性不容樂觀[1—2].根據(jù)農(nóng)村建筑的特點(diǎn)，將沙漠砂用在基礎(chǔ)隔震墊層中，可以減弱地震作用，低成本解決房屋抗震問題.寧夏地區(qū)周邊沙漠資源尤其豐富，推廣沙漠砂隔震建筑有廣闊的前景.

沙漠砂基礎(chǔ)隔震墊層是指在建筑物基礎(chǔ)與地基之間鋪設(shè)一定厚度的沙漠砂隔震層，在地震發(fā)生時(shí)達(dá)到隔震減震效果.沙漠砂為散體，易于流動(dòng)，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，砂墊層砂粒之間及建筑物基礎(chǔ)與砂墊層間產(chǎn)生摩擦滑移，摩擦的過程中地震能量得到耗散，有效降低了上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，延長(zhǎng)上部結(jié)構(gòu)的自振周期，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振而造成嚴(yán)重破壞.國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)砂墊層基礎(chǔ)隔震的研究，取得了一定的研究成果，但對(duì)于沙漠砂隔震墊層的研究還相當(dāng)有限.J.A.Calnatarinest[3]提出在建筑物與基礎(chǔ)之間設(shè)置滑移隔震層.李立[4]提出一種砂墊層隔震技術(shù)，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析.竇遠(yuǎn)明[5]等通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，探究了不同工況下砂墊層減震的效果，隨著砂墊層密實(shí)度的增加，其減震效果相應(yīng)增加.劉方成等[6—7]利用廢棄橡膠和河砂構(gòu)成橡膠砂墊層隔震層，并對(duì)其減震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明該墊層具有良好的減震效果，場(chǎng)地的卓越周期越短墊層減震性能越好.施建波等[8]研究砂與橡膠粒隔震墊層減震效果，開展振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明橡膠粒含量和砂粒徑對(duì)減震效果有明顯影響.王晴晴等[9]通過振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)，研究橡膠粒含量對(duì)減震率的影響，結(jié)果表明，45%的橡膠粒顆粒體積含量為最優(yōu)配比.

本文通過小型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[10]，對(duì)沙漠砂基礎(chǔ)隔震墊層的減震性能進(jìn)行了研究，分析了不同工況下沙漠砂基礎(chǔ)隔震墊層的減震效果，研究結(jié)論為村鎮(zhèn)建筑的減隔震設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供一定參考.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

選用寧夏鹽池境內(nèi)的毛烏素沙漠砂作為隔震墊層材料，經(jīng)過砂的篩分試驗(yàn)，測(cè)得粒徑分布見表1.由表1可見：沙漠砂顆粒粒徑主要集中在細(xì)砂(0.30～0.25 mm)和特細(xì)砂(0.25 mm以下)部分，占比97.5%，屬細(xì)砂范疇.沙漠砂化學(xué)成分組成如表2所示.由表2可見：沙漠砂主要成分為SiO2，Al2O3等；其中SiO2含量最高，為總含量的81.86%.

表1 沙漠砂粒徑篩分結(jié)果

表2 沙漠砂化學(xué)成分組成

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)砂箱由3 mm厚有機(jī)玻璃制成，砂箱尺寸為：0.36 m×0.26 m×0.1 m，見圖1a.為減小砂箱內(nèi)壁對(duì)墊層的水平約束作用，在砂箱內(nèi)部?jī)蓚?cè)壁粘貼5 mm厚泡沫板用以吸收側(cè)向邊界的波，模擬土的邊界[11—12]，使土體能在振動(dòng)方向發(fā)生剪切變形.試驗(yàn)中采用單自由度小型振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行加載(圖1b)，全套設(shè)備由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、振動(dòng)臺(tái)面和功率放大系統(tǒng)組成.試驗(yàn)加載流程見圖2.村鎮(zhèn)建筑大多為低矮砌體結(jié)構(gòu)，其自身剛度較大，上部結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于隔震層剛度，在地震荷載作用下上部結(jié)構(gòu)近似作剛體平動(dòng)，故選用不同質(zhì)量的混凝土剛性塊來模擬上部房屋結(jié)構(gòu)，剛性質(zhì)量塊的相關(guān)參數(shù)見表3.

圖1 試驗(yàn)用小型振動(dòng)臺(tái)

圖2 試驗(yàn)加載流程示意圖

1.3 加載及測(cè)量方案

1.3.1地震波的選擇 選用經(jīng)過濾波處理的地震波進(jìn)行加載，包括兩條天然波和一條人工波，天然波選用El-Centro波和Mendocino波，人工波由寧夏地質(zhì)場(chǎng)地條件及抗震設(shè)防烈度生成.其中，El-Centro波為振動(dòng)型地震波，加速度最大峰值與其他幅值相差較小，Mendocino波為沖擊型地震波，加速度最大峰值與其他幅值相差較大，地震波時(shí)程見圖3.

表3 上部質(zhì)量塊參數(shù)

1.3.2測(cè)試方案 為探究沙漠砂在不同地震波形、地震動(dòng)強(qiáng)度下的減震耗能機(jī)理、減震效果，研究不同墊層厚度、基底壓力、墊層含水率等工況對(duì)沙漠砂基礎(chǔ)隔震墊層減震性能影響.對(duì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的測(cè)試方案設(shè)計(jì)了A，B，C，D四組試驗(yàn)(表4).試驗(yàn)中主要測(cè)量的內(nèi)容為加速度，采用振動(dòng)臺(tái)配套的加速度傳感器采集輸入和輸出的加速度，測(cè)點(diǎn)具體布置見圖4.

圖3 地震波時(shí)程曲線

表4 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案

續(xù)表

圖4 測(cè)點(diǎn)布置情況

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及隔震原理分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)加載初始階段，輸入地震動(dòng)強(qiáng)度較小，上部混凝土試塊與隔震墊層滑動(dòng)不明顯，基本保持相對(duì)靜止;隨著地震波接近加速度峰值，加速度逐漸增加，混凝土剛性塊與沙漠砂隔震墊層間開始出現(xiàn)滑動(dòng);隨著地震波加速度幅值的繼續(xù)增加，相對(duì)滑移也隨之增大.地震波停止加載后，可發(fā)現(xiàn)上層混凝土剛性塊與下層沙漠砂基礎(chǔ)隔震墊層之間出現(xiàn)了相對(duì)滑移，剛性塊偏離初始位置.

2.2 工作原理分析

為了探究沙漠砂基礎(chǔ)隔震墊層的工作原理，以試驗(yàn)組A13，A23，A33的試驗(yàn)結(jié)果為例進(jìn)行分析，測(cè)得上述3組試驗(yàn)下的加速度時(shí)程曲線見圖5.

圖5 加速度時(shí)程曲線

由圖5可知，沙漠砂隔震墊層工作過程可分為相對(duì)靜止和滑動(dòng)隔震2個(gè)階段：相對(duì)靜止階段，輸入地震動(dòng)強(qiáng)度較小，混凝土剛性塊與沙漠砂墊層處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，臺(tái)面輸入加速度和上部試塊輸出加速度基本相等，上部試塊所受的慣性力小于試塊與墊層間的摩擦力，試塊與沙漠砂墊層間暫未產(chǎn)生相對(duì)滑移，隔震墊層未發(fā)揮隔震作用；滑移隔震階段，由于輸入地震動(dòng)強(qiáng)度較大，上部混凝土試塊與沙漠砂墊層開始產(chǎn)生明顯滑動(dòng)，臺(tái)面輸入加速度大于上部輸出加速度，試塊所受的慣性力大于試塊與墊層間的摩擦力，隔震墊層發(fā)揮了隔震作用.可以看出，沙漠砂墊層的工作性能受兩個(gè)因素的影響，一為地震動(dòng)強(qiáng)度，若地震動(dòng)強(qiáng)度較低，沙漠砂墊層對(duì)上部結(jié)構(gòu)的摩擦力大于結(jié)構(gòu)所受慣性力，此時(shí)不發(fā)揮隔震作用，結(jié)構(gòu)體系可視為非隔震體系，當(dāng)?shù)卣饎?dòng)強(qiáng)度逐漸增大時(shí)，上部結(jié)構(gòu)與墊層逐漸發(fā)生滑動(dòng)位移，墊層產(chǎn)生隔震作用，整體結(jié)構(gòu)可視為隔震體系.二為上方結(jié)構(gòu)與墊層之間的摩擦力影響，若能降低上方結(jié)構(gòu)與墊層之間的摩擦力，使結(jié)構(gòu)提前進(jìn)入隔震體系的工作狀態(tài)，將能較為高效地利用砂墊層進(jìn)行隔震保護(hù).

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同地震波形和地震動(dòng)強(qiáng)度下的隔震效果

A組試驗(yàn)采用烘干沙漠砂，墊層厚度為15 mm，基底壓力為0.65 kPa，加載EL-Centro波、Mendocino波和人工波進(jìn)行試驗(yàn)，加速度峰值取0.2g～0.62g.試驗(yàn)結(jié)果見表5.圖6為根據(jù)表5得出的加速度峰值與減震系數(shù)的關(guān)系曲線.

表5 不同地震波形及地震動(dòng)強(qiáng)度下的試驗(yàn)結(jié)果

圖6 加速度峰值與減震系數(shù)的關(guān)系曲線

由表5和圖6可以看出：當(dāng)輸入任意地震波時(shí)，沙漠砂墊層的減震系數(shù)隨著加速度峰值的增大而減小，反映出沙漠砂墊層的減震效果隨加速度的增加而逐漸增加.在低烈度地震波0.2g～0.3g時(shí)，減震系數(shù)為0.93～0.98，沙漠砂墊層隔震效果不明顯，而高烈度度地震波0.4g～0.62g時(shí)，沙漠砂墊層隔震效果十分明顯，減震系數(shù)最低可達(dá)0.46.這是因?yàn)殡S著加速度的增大，上部結(jié)構(gòu)與沙漠砂墊層更容易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，而產(chǎn)生滑動(dòng)的過程中會(huì)逐漸削弱地震能量，使上部結(jié)構(gòu)的地震作用減小，達(dá)到保護(hù)上部結(jié)構(gòu)的目的.當(dāng)輸入相同加速度時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)El-Centro波和人工波的減震系數(shù)基本相同，Mendocino波的減震系數(shù)小于前兩種波形的情況.這是因?yàn)樵跊_擊型地震作用下，沖擊型地震波附加脈沖效應(yīng)，短時(shí)間內(nèi)加速度突變明顯，減震效果更好.這說明沙漠砂基礎(chǔ)隔震墊層對(duì)于沖擊型地震波(Mendocino波)的減震效果更好.

3.2 不同墊層厚度下的減震效果

B組試驗(yàn)采用烘干沙漠砂，基底壓力保持0.65 kPa不變，輸入加速度峰值為0.4g，試驗(yàn)結(jié)果見表6.圖7為根據(jù)表6所得出的墊層厚度與減震系數(shù)的關(guān)系曲線.由表6和圖7可以看出：砂墊層越厚對(duì)地震作用的耗能越多，減震系數(shù)隨墊層厚度的增加而降低，減震性能越好.這是由于增加墊層厚度使得墊層的水平剛度降低，內(nèi)部顆粒更易于流動(dòng)，變相地降低了沙漠砂墊層的摩擦系數(shù)，使得上部結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生滑動(dòng)，地震作用較快進(jìn)入滑移隔震階段，并對(duì)地震作用進(jìn)行耗能，降低加速度.隨著墊層厚度的增加，內(nèi)部顆粒摩擦耗能的量值也相對(duì)增加，更多的摩擦耗能會(huì)進(jìn)一步降低地震作用.然而墊層厚度的選擇還需要考慮上部結(jié)構(gòu)的沉降，若選用厚度特別大的墊層，有可能會(huì)使豎向壓力大的上部結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的沉降.

3.3 不同基底壓力下的減震效果

C組試驗(yàn)驗(yàn)證不同基底壓力下沙漠砂隔震墊層的減震效果，選用烘干沙漠砂，墊層厚度保持15 mm不變，加速度峰值為0.4g，試驗(yàn)結(jié)果見表7.圖8為根據(jù)表7所得出的不同基底壓力與減震系數(shù)的關(guān)系曲線.由圖8可以看出：墊層厚度和加速度保持不變時(shí)，沙漠砂墊層在不同基底壓力下的減震系數(shù)隨著基底壓力的增加而略微減少，這是由于上部試塊質(zhì)量增大，結(jié)構(gòu)自振頻率降低，周期增大，使結(jié)構(gòu)整體抗震性能增強(qiáng)，減震系數(shù)降低，但是由表7可見在不同基底壓力時(shí)減震系數(shù)變化程度并不明顯，上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)大致相同.由此可以得出基底壓力對(duì)沙漠砂墊層隔震性能的影響程度較小.

表6 不同墊層厚度下的試驗(yàn)結(jié)果

圖7 墊層厚度與減震系數(shù)的關(guān)系曲線

表7 不同基底壓力下的試驗(yàn)結(jié)果

圖8 基底壓力與減震系數(shù)的關(guān)系曲線

3.4 不同含水率下的減震效果

D組試驗(yàn)驗(yàn)證在不同含水率下沙漠砂墊層的減震效果，沙漠砂隔震墊層厚度取15 mm，基底壓力為0.65 kPa，峰值加速度為0.4g，含水率分別取0%～10.75%，試驗(yàn)結(jié)果見表8.圖9為根據(jù)表8所得出的不同墊層含水率與減震系數(shù)的關(guān)系曲線.由圖9可以看出：墊層厚度和基底壓力不變時(shí)，砂墊層含水率的增加使得其減震系數(shù)也逐漸增加，減震效果逐漸降低，說明含水率越高沙漠砂墊層的減震性能越差.這是因?yàn)閴|層含水率的增加使得內(nèi)部顆粒的流動(dòng)性變差，顆粒間的黏結(jié)作用增強(qiáng)，摩擦系數(shù)增加，使上部結(jié)構(gòu)較難發(fā)生滑動(dòng)，導(dǎo)致沙漠砂墊層的減震效果減小.

表8 不同墊層含水率下的試驗(yàn)結(jié)果

圖9 墊層含水率與減震系數(shù)的關(guān)系曲線

4 結(jié)論

1)沙漠砂基礎(chǔ)隔震墊層面對(duì)高烈度地震波(0.4g以上)時(shí)，減震系數(shù)最低可達(dá)0.46；對(duì)低烈度地震波(0.2g～0.3g)時(shí)，減震系數(shù)較大，墊層隔震效果不明顯.可見對(duì)于高烈度地震，沙漠砂基礎(chǔ)隔震墊層具有良好的減震效果.

2)隨著地震動(dòng)強(qiáng)度增加，沙漠砂墊層對(duì)地震作用的減震效果越顯著，并且由于脈沖效應(yīng)，墊層對(duì)沖擊型地震波的減震作用比其他地震波更明顯；墊層厚度的增加可有效降低地震作用，考慮到結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)及墊層沉降的影響，還應(yīng)進(jìn)行綜合分析選用合適的墊層厚度.

3)隨著上部結(jié)構(gòu)重量增大，沙漠砂墊層減震系數(shù)逐漸減小，但是變化程度不明顯，基底壓力對(duì)沙漠砂墊層的減震性能影響較??；而沙漠砂基礎(chǔ)隔震墊層內(nèi)部含水率的增加，使墊層內(nèi)部顆粒黏結(jié)作用增強(qiáng)，流動(dòng)性變差，墊層整體摩擦系數(shù)增加，導(dǎo)致隔震墊層的減震效果也相應(yīng)減弱.