土工袋基礎(chǔ)減振隔震試驗

劉斯宏,王艷巧,金遠征

(1.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098;2.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院,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”。過去的抗震方式是被動的,主要通過想方設(shè)法讓結(jié)構(gòu)更結(jié)實從而使結(jié)構(gòu)能“抗”得住地震,現(xiàn)在可以通過采用結(jié)構(gòu)隔震和消能減振技術(shù)來隔絕或消耗地震能量,即通過“減”震來保護房屋免遭大的損壞[1-2]。然而,目前國內(nèi)外普遍采用的橡膠隔震支座、阻尼裝置價格偏高,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,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,土工袋價格便宜,施工簡單,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)濟實用的新型基礎(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,從土工袋水平剛度性能及等效阻尼比2個方面說明土工袋滿足一般基礎(chǔ)隔震體系的要求,并進行了土工袋不同輸入頻率、不同振動加速度的振動臺試驗,以驗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),在建筑物整個基礎(chǔ)面上設(shè)置土工袋筏形基礎(chǔ),土工袋縱橫交錯逐層疊放,土工袋之間的縫隙用場地開挖土填平,每層土工袋用機械或人工夯實,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?shù)卣鸢l(fā)生時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)生較輕微的運動和變形,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

為了達到明顯的減振效果,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,即在強風或微小地震(荷載較小)時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;在中強地震(荷載較大)時,其水平剛度較小,上部結(jié)構(gòu)水平滑動,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,遠大于上部結(jié)構(gòu)的自振周期和場地特征周期,從而把地面震動有效隔開,明顯降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。對袋內(nèi)充填物為天然河砂的土工袋進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。

2.1 試驗裝置及工況

試驗裝置由壓力控制系統(tǒng)、左右 2個水平向張拉系統(tǒng)、反力架、豎向加載系統(tǒng)、量測系統(tǒng)及底部框架等組成。反力架通過螺栓與底部框架連接,左右2個張拉系統(tǒng)通過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個土工袋豎直堆放在一起作為一個試樣。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,通過左右 2個張拉系統(tǒng)以均勻的剪切速率進行水平向循環(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%時土工袋的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線。由圖2可見,在相同的豎向壓力作用下,最大水平剪切應(yīng)變越大,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,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,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為對應(yīng)于不同循環(huán)最大水平剪應(yīng)變時土工袋的水平剛度隨上部豎向壓力的變化。可見,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,說明在上部豎向壓力較小時土工袋的減振效果較好;在相同的豎向壓力作用下,剪切變形較小時土工袋水平剛度較大,剪切變形較大時水平剛度較小,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臺試驗

3.1 試驗條件

為驗證土工袋的減振效果,進行了袋內(nèi)充填物為天然河砂的土工袋與天然河砂的振動臺試驗。振動臺為DY-600-5型電動式,由信號發(fā)生器、功率放大器、激勵電源、振動臺體以及測量與控制系統(tǒng)5部分組成。

土工袋或天然河砂試樣放置在一個0.7m×0.7m×0.4m(長×寬×高)的鋼制模型箱內(nèi),并用螺栓固定于振動臺臺面上。為了減小模型箱側(cè)壁對水平振動的約束,在模型箱四側(cè)壁設(shè)置了10mm厚的海綿墊,同時在模型箱底部鋪設(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。土工袋或天然河砂試樣放入模型箱后,在其頂部加1個質(zhì)量為50kg的混凝土塊以模擬實際建筑物的荷載。

圖6為土工袋與天然河砂振動臺試驗的布置。試樣分4層進行鋪設(shè),對于土工袋試樣,每層放置4個,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,每層進行擊實整平。在振動臺臺面?zhèn)缺诩绊敳抠|(zhì)量塊上各布置1只加速度傳感器。根據(jù)電動振動臺的工作范圍,對土工袋及天然河砂試樣分別進行了不同輸入頻率(10Hz,20Hz,40Hz,80Hz和 200Hz)、不同振動加速度大小(0.2g,0.4g,0.5g,0.6g,0.8g,1.0g,1.5g,2.0g,2.5g,3.0g)的振動臺試驗。

圖6 土工袋與天然河砂振動臺試驗布置

3.2 試驗結(jié)果

圖7為振動臺輸入頻率f分別為10Hz,20Hz,40Hz,80Hz和200Hz時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)與振動臺臺面輸入加速度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)加速度與振動臺臺面輸入加速度相等。試驗點位于虛直線下方表示水平向振動加速度衰減,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臺臺面輸入加速度下,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,振動臺臺面振動頻率在10～80Hz范圍內(nèi)時,天然河砂試樣只有當臺面振動加速度大于1g時才有減振效果;而對于土工袋試樣,當振動臺臺面振動頻率為10Hz時,臺面振動加速度大于0.7g時開始有減振效果,當臺面振動頻率提高至80Hz時,開始有減振效果的臺面振動加速度減小到0.2g。當振動臺臺面振動頻率為200Hz時,各種不同大小的振動臺臺面輸入加速度經(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)加速度與振動臺臺面輸入加速度的關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

a.土工袋具有與橡膠隔震材料相當?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,變形較小時水平剛度較大,變形較大時水平剛度較小,滿足一般隔震支座對水平剛度的要求。

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

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