土工袋基礎減振隔震試驗

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.合肥工業大學土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

在各種自然災害中,地震災害可謂“群害之首”。過去的抗震方式是被動的,主要通過想方設法讓結構更結實從而使結構能“抗”得住地震,現在可以通過采用結構隔震和消能減振技術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中低層房屋建筑基礎中推廣應用。近年來,土工袋加固地基技術[3-6]已開始應用于房屋地基、公路鐵路路基、堤防、邊坡加固及擋墻構筑等工程中。工程應用結果表明,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,不需用特殊設備,袋內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,可望成為一種經濟實用的新型基礎隔震材料。

本文在介紹土工袋基礎減振隔震的原理的基礎上,通過土工袋在不同豎向壓力及剪應變下的水平剪切循環試驗,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 土工袋基礎減振隔震原理

在建筑物與地基之間鋪設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]。按此原理設計出的土工袋組合體由土工袋墩形基礎、土工袋條形基礎、土工袋筏形基礎和地坪構成(圖1),即在建筑物柱的下方設置土工袋墩形基礎,在承重墻下方設置土工袋條形基礎,在建筑物整個基礎面上設置土工袋筏形基礎,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隔震材料,當地震發生時土工袋墊層能隔絕或消耗絕大部分地震能,工程結構只發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 土工袋基礎減振隔震示意圖

2 土工袋循環剪切性能試驗

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,從而使上部結構的位移明顯減小。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,使得上部結構水平位移極小,不影響正常使用;在中強地震(荷載較大)時,其水平剛度較小,上部結構水平滑動,剛性的抗震結構體系變為柔性的隔震結構體系,其自振周期大幅度延長,遠大于上部結構的自振周期和場地特征周期,從而把地面震動有效隔開,明顯降低上部結構的地震反應。對袋內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變的反復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、左右 2個水平向張拉系統、反力架、豎向加載系統、量測系統及底部框架等組成。反力架通過螺栓與底部框架連接,左右2個張拉系統通過4根上下可調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個張拉系統以均勻的剪切速率進行水平向循環剪切,最大水平剪應變分別為0.25%,0.5%,0.75%和1%。

2.2 試驗結果

圖2為豎向壓力 σv=50kPa及100kPa作用下,最大水平剪應變 γ分別為0.5%和1%時土工袋的應力-應變滯回曲線。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變下土工袋應力-應變滯回曲線

根據應力-應變滯回曲線,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力和剪應變;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變的變化

圖5為對應于不同循環最大水平剪應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

由以上試驗結果可知,土工袋在各種不同豎向壓力及水平剪應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),遠大于混凝土結構與鋼結構的等效阻尼比(混凝土結構與鋼結構的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,由信號發生器、功率放大器、激勵電源、振動臺體以及測量與控制系統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,并用螺栓固定于振動臺臺面上。為了減小模型箱側壁對水平振動的約束,在模型箱四側壁設置了10mm厚的海綿墊,同時在模型箱底部鋪設了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,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。在振動臺臺面側壁及頂部質量塊上各布置1只加速度傳感器。根據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量塊響應加速度a響應與振動臺臺面輸入加速度a輸入的關系曲線。圖中斜率k=1的虛直線表示上部質量塊響應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量塊響應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土工袋和天然河砂作用后上部質量塊的響應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 上部質量塊響應加速度與振動臺臺面輸入加速度的關系曲線

4 結 論

a.土工袋具有與橡膠隔震材料相當的等效阻尼比,其值隨著最大水平剪應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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