劉斯宏,王艷巧,金遠(yuǎn)征

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

在各種自然災(zāi)害中,地震災(zāi)害可謂“群害之首”。過(guò)去的抗震方式是被動(dòng)的,主要通過(guò)想方設(shè)法讓結(jié)構(gòu)更結(jié)實(shí)從而使結(jié)構(gòu)能“抗”得住地震,現(xiàn)在可以通過(guò)采用結(jié)構(gòu)隔震和消能減振技術(shù)來(lái)隔絕或消耗地震能量,即通過(guò)“減”震來(lái)保護(hù)房屋免遭大的損壞[1-2]。然而,目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的橡膠隔震支座、阻尼裝置價(jià)格偏高,難以在普通建筑尤其是城鎮(zhèn)中低層房屋建筑基礎(chǔ)中推廣應(yīng)用。近年來(lái),土工袋加固地基技術(shù)[3-6]已開始應(yīng)用于房屋地基、公路鐵路路基、堤防、邊坡加固及擋墻構(gòu)筑等工程中。工程應(yīng)用結(jié)果表明,用土工袋加固地基不僅能提高地基的承載力,而且具有良好的減振、消能效果。此外,土工袋價(jià)格便宜,施工簡(jiǎn)單,不需用特殊設(shè)備,袋內(nèi)充填物可以是各種各樣的土(淤泥、砂石)或各種建筑廢棄渣料,可望成為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型基礎(chǔ)隔震材料。

本文在介紹土工袋基礎(chǔ)減振隔震的原理的基礎(chǔ)上,通過(guò)土工袋在不同豎向壓力及剪應(yīng)變下的水平剪切循環(huán)試驗(yàn),從土工袋水平剛度性能及等效阻尼比2個(gè)方面說(shuō)明土工袋滿足一般基礎(chǔ)隔震體系的要求,并進(jìn)行了土工袋不同輸入頻率、不同振動(dòng)加速度的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),以驗(yàn)證土工袋的減振效果。

1 土工袋基礎(chǔ)減振隔震原理

在建筑物與地基之間鋪設(shè)一定厚度的土工袋墊層或土工袋樁不僅可以提高地基承載力,而且具有良好的減振效果[7-9]。按此原理設(shè)計(jì)出的土工袋組合體由土工袋墩形基礎(chǔ)、土工袋條形基礎(chǔ)、土工袋筏形基礎(chǔ)和地坪構(gòu)成(圖1),即在建筑物柱的下方設(shè)置土工袋墩形基礎(chǔ),在承重墻下方設(shè)置土工袋條形基礎(chǔ),在建筑物整個(gè)基礎(chǔ)面上設(shè)置土工袋筏形基礎(chǔ),土工袋縱橫交錯(cuò)逐層疊放,土工袋之間的縫隙用場(chǎng)地開挖土填平,每層土工袋用機(jī)械或人工夯實(shí),在筏形基礎(chǔ)的頂面澆筑混凝土或鋼筋混凝土地坪。土工袋作為一種基礎(chǔ)隔震材料,當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)土工袋墊層能隔絕或消耗絕大部分地震能,工程結(jié)構(gòu)只發(fā)生較輕微的運(yùn)動(dòng)和變形,墊層起到“以柔克剛”的作用,從而保障建筑物的安全。

圖1 土工袋基礎(chǔ)減振隔震示意圖

2 土工袋循環(huán)剪切性能試驗(yàn)

為了達(dá)到明顯的減振效果,土工袋組合體必須具有足夠的等效阻尼比,即具有較強(qiáng)的消能能力,從而使上部結(jié)構(gòu)的位移明顯減小。此外,土工袋組合體還必須具有可變的水平剛度,即在強(qiáng)風(fēng)或微小地震(荷載較小)時(shí)具有足夠的初始水平剛度,使得上部結(jié)構(gòu)水平位移極小,不影響正常使用;在中強(qiáng)地震(荷載較大)時(shí),其水平剛度較小,上部結(jié)構(gòu)水平滑動(dòng),剛性的抗震結(jié)構(gòu)體系變?yōu)槿嵝缘母粽鸾Y(jié)構(gòu)體系,其自振周期大幅度延長(zhǎng),遠(yuǎn)大于上部結(jié)構(gòu)的自振周期和場(chǎng)地特征周期,從而把地面震動(dòng)有效隔開,明顯降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。對(duì)袋內(nèi)充填物為天然河砂的土工袋進(jìn)行了不同豎向壓力及不同水平剪應(yīng)變的反復(fù)荷載作用下的變形特性試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)裝置及工況

試驗(yàn)裝置由壓力控制系統(tǒng)、左右 2個(gè)水平向張拉系統(tǒng)、反力架、豎向加載系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)及底部框架等組成。反力架通過(guò)螺栓與底部框架連接,左右2個(gè)張拉系統(tǒng)通過(guò)4根上下可調(diào)的螺桿固定于底部框架上。

采用聚丙烯(PP)為原材料的土工編織袋,袋內(nèi)充填物為天然河砂,最大粒徑為5mm,平均粒徑為0.4mm。裝入河砂后的土工袋尺寸為40cm×40cm×8cm。4個(gè)土工袋豎直堆放在一起作為一個(gè)試樣。試樣置于反力架的底座上,在試樣頂部設(shè)置一剛性加載板,通過(guò)油壓千斤頂在其上分別施加 50 kPa,100kPa,200kPa和300kPa的豎向壓力。在某一豎向壓力作用下,通過(guò)左右 2個(gè)張拉系統(tǒng)以均勻的剪切速率進(jìn)行水平向循環(huán)剪切,最大水平剪應(yīng)變分別為0.25%,0.5%,0.75%和1%。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2為豎向壓力 σv=50kPa及100kPa作用下,最大水平剪應(yīng)變 γ分別為0.5%和1%時(shí)土工袋的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線。由圖2可見(jiàn),在相同的豎向壓力作用下,最大水平剪切應(yīng)變?cè)酱?滯回曲線越飽滿,土工袋的等效阻尼比越大,消能效果越好;而在相同的最大水平剪應(yīng)變情況下,施加的豎向壓力越大,滯回曲線越不飽滿,即滯回性能隨著豎向壓力的增大而降低。

圖2 不同豎向壓力及最大水平剪應(yīng)變下土工袋應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線,可以用式(1)、式(2)分別計(jì)算得到剪切模量和等效阻尼比[10]:

式中:τ,γ分別為滯回圈中最大水平剪應(yīng)力和剪應(yīng)變;AL為滯回圈的面積;S△abc為△abc的面積。

圖3為不同最大水平剪應(yīng)變情況下土工袋等效阻尼比隨豎向壓力的變化。由圖3可見(jiàn),在相同的最大水平剪應(yīng)變下,豎向壓力越大,土工袋的等效阻尼比越小,但隨著豎向壓力的逐漸增大,這種減小趨勢(shì)逐漸趨于緩慢,表明隨著豎向壓力的增大,土工袋的消能減振效果有所減小。圖4為不同的豎向壓力情況下土工袋等效阻尼比隨最大水平剪應(yīng)變的變化。由圖4可見(jiàn),在相同的豎向壓力作用下,隨著最大水平剪應(yīng)變的增加,土工袋的等效阻尼比近似線性增大,說(shuō)明水平方向剪切變形越大,土工袋的減振效果越好。

圖3 土工袋等效阻尼比隨豎向壓力的變化

圖4 土工袋等效阻尼比隨最大水平剪應(yīng)變的變化

圖5為對(duì)應(yīng)于不同循環(huán)最大水平剪應(yīng)變時(shí)土工袋的水平剛度隨上部豎向壓力的變化?？梢?jiàn),在相同的最大水平剪應(yīng)變情況下,上部豎向壓力越大,土工袋的水平剛度越大,說(shuō)明在上部豎向壓力較小時(shí)土工袋的減振效果較好;在相同的豎向壓力作用下,剪切變形較小時(shí)土工袋水平剛度較大,剪切變形較大時(shí)水平剛度較小,即土工袋具有可變的水平剛度,滿足一般隔震支座需具有可變水平剛度的要求。

圖5 土工袋水平剛度隨豎向壓力的變化

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知,土工袋在各種不同豎向壓力及水平剪應(yīng)變情況下等效阻尼比均在0.1～0.4之間,非常接近于橡膠隔震材料的等效阻尼比(heq=0.1～0.3),遠(yuǎn)大于混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的等效阻尼比(混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的heq分別為0.05和0.02),表明用土工袋加固地基可以起到與橡膠隔震材料相似的減振效果,且土工袋具有可變的水平剛度。

3 土工袋減振效果振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證土工袋的減振效果,進(jìn)行了袋內(nèi)充填物為天然河砂的土工袋與天然河砂的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)為DY-600-5型電動(dòng)式,由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、激勵(lì)電源、振動(dòng)臺(tái)體以及測(cè)量與控制系統(tǒng)5部分組成。

土工袋或天然河砂試樣放置在一個(gè)0.7m×0.7m×0.4m(長(zhǎng)×寬×高)的鋼制模型箱內(nèi),并用螺栓固定于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上。為了減小模型箱側(cè)壁對(duì)水平振動(dòng)的約束,在模型箱四側(cè)壁設(shè)置了10mm厚的海綿墊,同時(shí)在模型箱底部鋪設(shè)了3mm厚的聚氯乙烯泡沫板以防止波的反射干擾,并在泡沫板表面設(shè)置了1層砂紙,以減小土工袋與底板間的滑動(dòng)。土工袋或天然河砂試樣放入模型箱后,在其頂部加1個(gè)質(zhì)量為50kg的混凝土塊以模擬實(shí)際建筑物的荷載。

圖6為土工袋與天然河砂振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的布置。試樣分4層進(jìn)行鋪設(shè),對(duì)于土工袋試樣,每層放置4個(gè),模型箱四周及土工袋之間的空隙均用天然河砂充填;天然河砂試樣每層厚7cm,每層進(jìn)行擊實(shí)整平。在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面?zhèn)缺诩绊敳抠|(zhì)量塊上各布置1只加速度傳感器。根據(jù)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的工作范圍,對(duì)土工袋及天然河砂試樣分別進(jìn)行了不同輸入頻率(10Hz,20Hz,40Hz,80Hz和 200Hz)、不同振動(dòng)加速度大小(0.2g,0.4g,0.5g,0.6g,0.8g,1.0g,1.5g,2.0g,2.5g,3.0g)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。

圖6 土工袋與天然河砂振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)布置

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖7為振動(dòng)臺(tái)輸入頻率f分別為10Hz,20Hz,40Hz,80Hz和200Hz時(shí)土工袋試樣及天然河砂試樣上部質(zhì)量塊響應(yīng)加速度a響應(yīng)與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入加速度a輸入的關(guān)系曲線。圖中斜率k=1的虛直線表示上部質(zhì)量塊響應(yīng)加速度與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入加速度相等。試驗(yàn)點(diǎn)位于虛直線下方表示水平向振動(dòng)加速度衰減,位于虛直線上方則表示加速度放大。由圖7可以看出:各種不同大小的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入加速度下,土工袋試樣的上部質(zhì)量塊響應(yīng)加速度明顯比天然河砂試樣的小,即土工袋的減振效果明顯優(yōu)于天然河砂的減振效果;而且,振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面振動(dòng)頻率在10～80Hz范圍內(nèi)時(shí),天然河砂試樣只有當(dāng)臺(tái)面振動(dòng)加速度大于1g時(shí)才有減振效果;而對(duì)于土工袋試樣,當(dāng)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面振動(dòng)頻率為10Hz時(shí),臺(tái)面振動(dòng)加速度大于0.7g時(shí)開始有減振效果,當(dāng)臺(tái)面振動(dòng)頻率提高至80Hz時(shí),開始有減振效果的臺(tái)面振動(dòng)加速度減小到0.2g。當(dāng)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面振動(dòng)頻率為200Hz時(shí),各種不同大小的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入加速度經(jīng)土工袋和天然河砂作用后上部質(zhì)量塊的響應(yīng)加速度均有較大程度的衰減,即在高頻情況下土工袋和天然河砂均有較好的水平減振效果。

圖7 上部質(zhì)量塊響應(yīng)加速度與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入加速度的關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

a.土工袋具有與橡膠隔震材料相當(dāng)?shù)牡刃ё枘岜?其值隨著最大水平剪應(yīng)變的增加而逐漸增大,隨著上部豎向壓力的增加而逐漸減小。

b.土工袋具有可變的水平剛度,變形較小時(shí)水平剛度較大,變形較大時(shí)水平剛度較小,滿足一般隔震支座對(duì)水平剛度的要求。

c.土工袋的減振效果優(yōu)于天然河砂的減振效果,且輸入振動(dòng)加速度越大,減振效果越好。

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