砂-橡膠粒復合墊層抗剪性能研究

馮先超 孫建剛 崔利富 許啟鏗 呂遠

（1.河南工業大學土木建筑學院 河南鄭州 450001 2.大連民族大學土木工程學院 遼寧大連 116650 3.大連海事大學道路與橋梁研究所 遼寧 大連 116026）

摩擦滑移隔震技術是在地基和基礎之間鋪設摩擦滑移隔震層，當地震發生時結構的變形由隔震層承擔，極大程度的減輕上部結構受到的地震的危害。而砂墊層隔震技術則是摩擦滑移隔震中最常見的類型，采用砂墊層充當摩擦材料作為滑動層。砂墊層隔震原理主要體現在以下兩個方面：①由于砂墊層抗剪剛度較小，與地震作用通過砂墊層向上部結構傳遞受到阻礙，當地震發生時，砂墊層較容易發生剪切或滑移，結構的自振周期增大，更加遠離場地的卓越周期；②在地震過程中，上部結構相對于基礎可能做整體水平滑動，在接觸面處發生相對摩擦，較好的消耗地震能量，起到很好的隔震減震效果。

早在1970年，我國李立教授便對砂墊層隔震做了全面的研究，包括理論和試驗研究，后來李立自主主持設計了國內第一例運用砂墊層隔震技術的隔震建筑。目前國內外學者圍繞以下幾個方面對砂墊層隔震效果展開研究：①砂的極配的影響；②砂墊層的厚度及含水率的影響；③砂墊層計算模型的分析[1]。2001年，趙少偉教授[2]作了不同顆粒極配下砂墊層的隔震試驗，證明當砂顆粒粒徑單一時隔震減震效果較好。2005年，竇遠明教授[3]經過試驗證明當砂墊層密實度越小時，砂墊層隔震減震效果越好。2003年，劉稚媛[4]對砂墊層的減震性能進行了研究，不僅進行了理論上的分析計算，還進行了室內砂箱的振動臺試驗，證明了砂墊層的減震性能受多因素影響，包括砂墊層的剛度、厚度、輸入的地震波等。2013年，吳延輝[5]做了砂和橡膠顆粒復合隔震材料的直剪試驗和振動臺試驗，證明了砂和橡膠粒復合隔震墊層在對上部結構發揮隔震減震作用方面有很好的效果。2014年，施建波[6]對采用砂和橡膠粒復合墊層的上部結構進行振動臺試驗，證明了復合墊層厚度、橡膠粒所占比例以及石英砂的粒徑對上部結構各層加速度的影響規律。2015年，王晴晴、鄭威等[7]通過振動臺試驗研究建立在砂和橡膠粒隔震墊層上的簡化模型的地震響應，證明當橡膠粒含量為45%時，上部結構減震效果最好。

本文在總結前人研究進展下，進行了砂和橡膠粒復合材料的壓剪試驗，得出影響復合墊層抗剪性能的因素，并且得出復合材料剪切過程中的等效剛度，得出應用于隔震墊層的最優配比。

1 試驗概況

本試驗是在大連民族大學土木學院試驗結構大廳內進行，試驗主要使用的大型微機控制電液伺服壓剪試驗機是由濟南時代試金有限公司負責生產研發的，該試驗裝置主要構成部分：微機控制電液伺服壓剪試驗機、專用F020測控軟件、水平剪切小車、三層剪切鐵箱，滾動剪切鐵箱尺寸為790mm×790mm×120mm，所用材料為45號鋼，鋼板厚均為10mm，共三層；滾球裝置凹槽R=55mm，滾球r=10mm，滾動裝置的存在能夠為砂-橡膠粒復合墊層剪切提供剪切面。

通過本次試驗，旨在得出在不同豎向壓力時，由不同橡膠粒含量、不同粒徑砂組成的復合隔震墊層的抗剪強度和等效剛度。本試驗所用砂根據粒徑分為細砂、中砂和粗砂，細砂粒徑為0.05～0.35mm，中砂粒徑為0.35～0.5mm，粗砂粒徑為0.5～2mm，橡膠粒由廢舊輪胎剪碎而成，粒徑為2～4mm。橡膠粒和砂按照體積比分別為0%、25%、50%、75%、100%配比而成，一共配比得到13種試樣。

試驗過程中，每種試樣依次施加三種豎向壓應力，分別為75437Pa、125663Pa、226111Pa，三種豎向壓應力是依據15萬方浮頂儲罐1/4罐、1/2罐和滿罐時儲罐的總質量而定，共39種工況。

2 試驗步驟

按照要求配比試樣，將配好的試樣放在實驗室干燥36h；沿導軌拉出水平臺面，將配好的混合試樣裝入鐵箱內，分層擊實；然后在上部放置3cm厚鋼板，用來施加均勻面荷載，鋼板上部放置橡膠墊，增大鋼板與上部儀器摩擦力，以防剪切過程中發生滑動，然后將臺面推到指定工作位置，準備就緒；壓實混合材料。打開微機控制電液伺服壓剪試驗機專用測控軟件，啟動主油泵、副油泵、浮動油泵，在專用測控軟件中輸入相關試驗參數，開動剪切小車，上升臺面，使臺面脫離軌道，到合適位置，用螺栓將剪切小車與臺面連接起來。落下豎向加載頂板，通過鋼板施加在試樣上表面，保持豎向壓應力為200kPa，觀察測控軟件顯示的垂向位移，當垂向位移保持為恒定值時，表明材料已被壓實；調整為試驗所需的豎向壓應力，待測控軟件上顯示豎向位移穩定時，開始剪切；水平方向采用位移控制，剪切板以2mm/min的速度運動，直到達到裝置的最大位移45mm，然后以-2mm/min的速度卸載，直到軟件顯示水平力為0kN；拔掉剪切小車與剪切臺面之間的螺栓，降下臺面，退出小車。裝置上配置的測量傳感器負責感應數據并將數據傳送到計算機，計算機保存數據，得到裝置剪切過程的力和位移曲線。

3 試驗結果

本文在總結前人研究進展下，進行了砂和橡膠粒復合材料的壓剪試驗，得出影響復合墊層抗剪性能的因素，并且得出復合材料剪切過程中的等效剛度，得出應用于隔震墊層的最優配比。

根據試驗，得出各試樣在不同豎向壓應力作用下的水平力和位移曲線，得出砂顆粒的粒徑、橡膠粒的含量和豎向壓應力對組合隔震裝置抗剪性能的影響規律，得出復合隔震層的抗剪強度和等效剛度。

（1）當施加在橡膠粒-砂復合材料上方的豎向壓應力越大時，砂-橡膠粒復合材料也就具有越強的抗剪性能；

（2）在相同的豎向壓應力下，當砂所占配比為75%時，混合材料的抗剪性能最強；而當砂選用粗砂時，在相同的豎向壓應力下，粗砂所占配比為100%時，復合材料的抗剪性能最強；

（3）橡膠粒的存在能夠有效降低砂墊層的抗剪強度，當橡膠粒所占比例越大時，復合墊層的抗剪強度越低。當橡膠粒占比為100%時，復合墊層隔震效果最佳。橡膠粒占比為100%為隔震層復合材料最優配比。

[1]DOUYuanming,LIUXiyuan，LIYanming，ShakingTableTestingofVibrationReductionofSandCushion[J].Beijing：安全與環境學報雜志社，2004：703.

[2]趙少偉，竇遠明，郭蓉，蔡秀艷.基礎下砂墊層隔震性能振動臺試驗研究[J].河北工業大學學報，2005：96～97.

[3]竇遠明，劉曉立，趙少偉，劉稚媛.砂墊層隔震性能的試驗研究[J].建筑結構學報，2005：56～59.

[4]劉稚媛.砂墊層減震性能研究[D].河北：河北工業大學，2003.

[5]吳延輝.砂與橡膠粒復合隔震墊層分析研究[D].安徽：安徽理工大學，2013.

[6]施建波.砂與橡膠粒隔震墊層的地震響應分析[D].安徽：安徽理工大學，2014.

[7]王晴晴，鄭威，施建波，李玉榮.砂與橡膠粒隔震墊層最優配比的研究[J].安徽理工大學學報，2015：1～3.