砂袋墊層抗液化性能振動臺試驗研究

肖 暢，盛 濤，金紅亮

（寧波大學 建筑工程與環境學院，浙江 寧波 315211）

引 言

為了降低地震自然災害給人類帶來的生命和財產損失，在建筑物基礎部位增設柔性介質以形成隔震層，是常用方法之一。其中，砂墊層因經濟節約、綠色環保等特性，在量大面廣的村鎮建筑中具有了推廣應用的可能性。竇遠明[1]、李海濤[2]、史慶軒[3]等研究者，結合振動臺試驗證明了砂墊層具有一定的水平向減震效果。但砂墊層作為減震地基，其埋深一般需較大，地震作用下的液化問題不

容回避。陳育民等提出了應用電解法消除砂墊層液化問題的新途徑[4]，但需外部能源介入，且需對地震動展開實時監控，這無疑增加了經濟成本。

考慮到砂墊層的減震阻尼相對較小，劉斯宏等研究者[5-7]進一步提出了應用“砂袋墊層”代替砂墊層作為減震地基的新思路。其基本思想是充分應用

砂袋墊層的水平向高阻尼特性，減小水平向地震動的傳遞。同時理論上還可應用滑移進行減隔震效果將大幅度優于傳統砂墊層。

在抗液化性能方面，由于包裝袋的約束效應使得砂袋內部砂顆粒之間具有等效粘聚力，理論上砂袋墊層將具有明顯的抗液化性能，其相對于砂墊層的優勢更為突出。但目前國內外尚未見到該方面的試驗研究報道。

本文結合自制水平向振動臺和足尺砂袋墊層，通過激振試驗，分析和歸納砂袋墊層的實際抗液化效果及其影響因素。研究結果將有助于為砂袋墊層的減震工程應用提供技術參考。

1 振動臺試驗設計

1.1 試驗設備

本文采用自制振動臺開展激振試驗研究，其主要由激振器、單向導軌平臺與模型箱構成，見圖1。其中，振動臺的臺面尺寸長×寬為65 cm×65 cm。采用的HEV-1000激振器最大輸出力為1 000 kN，輸出頻率為800 Hz，最大位移振幅為±15 mm。

模型箱采用鋁板制成，以減小臺面重量。其壁厚3 mm，模型箱三邊各為60 cm，通過螺栓固定在振動臺上。模型箱內壁粘貼海綿吸收側向邊界彈性波，以減小“模型箱效應”[8]。

圖1 試驗設備組成示意

此外，采用靈敏度為0.075和0.0934電阻應變式孔壓計，結合SVSA動態數據采集儀，測試砂袋墊層和砂墊層的超靜孔隙水壓力。

1.2 足尺飽和砂袋

本次試驗采用中砂，其顆粒級配如圖2所示，并參照《土工試驗方法與標準》[9]規定，測得其各項物理性質指標如表1所示。

考慮到砂袋的特殊性，本試驗直接將包裝袋置于水中，參考文獻[10]中的水沉法步驟，制作足尺飽和砂袋墊層，砂袋尺寸為35 cm×25 cm×8 cm。同時，為與砂墊層的抗液化效果進行比較，也需制作一定量飽和砂。

在制作飽和砂的同時需埋設孔壓計。制作完成后，在其表面鋪設塑料薄膜后靜置24小時，再開始試驗。

表1 用砂土樣本的物理性質

圖2 用砂土樣本粒組成

1.3 試驗方案

一方面為了檢驗砂袋墊層的實際抗液化性能，另一方面分析砂袋墊層抗液化性能的影響因素與機理，設計了如表2所示的三種試驗工況。

表2 試驗工況及目的

圖3 孔壓機埋設方案

2 試驗結果與分析

2.1 砂袋墊層與砂墊層對比試驗

圖3（a）中孔壓計1、2測試的超靜孔隙水壓力與超靜孔壓比如圖4所示。孔壓計3、4測試結果如圖5所示。

圖4 孔壓計1～2的測試結果

圖5 孔壓計3～4的測試結果

試驗結果表明：

1）孔壓計1、2的孔隙水壓力，在陡增時刻和變化趨勢方面均相同，孔壓計 3、4也是均相同。但由于包裝袋的約束作用，使砂袋墊層內的顆粒不易松散，因此孔壓計1、3的超靜孔壓比均小于1.0；

2）當砂袋所處位置越淺時，上覆壓應力越小，包裝袋的約束作用越弱，因此孔壓計3的超靜孔壓比，大于孔壓計 1，且兩種墊層孔隙水壓力的變化趨勢有明顯減弱。

上述結果證明了砂袋墊層具有突出的抗液化性能，有助于保證地震作用下的地基安全。

2.2 大尺寸砂袋墊層試驗

圖3（a）孔壓計1和孔壓計2測試的超靜孔隙水壓力與超靜孔壓比如圖6，孔壓計3和孔壓計4測試結果如圖7。

圖6 孔壓計1和3的測試結果

圖7 孔壓計3和4的測試結果

試驗結果表明：靠近砂袋中部和頂部位置時，其孔隙水壓力的增長速度越快。這與該部位所受到的包裝袋約束效應較弱有直接關系，從側面證明了砂袋抗液化性能與包裝袋約束有關。大尺寸砂袋墊層內部的孔隙水壓力一直處于緩慢上升的趨勢，證明大尺寸砂袋墊層抗液化性能低于小尺寸砂袋墊層。

因此，實際建筑減震工程中，宜盡量選用小尺寸砂袋，防止砂袋內部的局部區域出現液化現象。

2.3 防水砂袋墊層試驗

圖3（a）孔壓計1和孔壓計3測試的超靜孔隙水壓力與超靜孔壓比如圖8。

試驗結果表明：

1）孔壓計1、3的超靜孔壓比均小于1，說明防水砂袋同樣具有抗液化性能。

2）對比試驗一和試驗三中的孔壓計 1、3，發現兩者陡增時刻和穩定值均相同，說明砂袋外部孔隙水壓增加對內部砂顆粒基本無影響。

綜上所述，防水砂袋墊層同樣具有突出的抗液化性能。包裝袋提供的約束是影響砂袋墊層抗液化性能的唯一因素。

3 結 論

結合足尺砂袋墊層與砂墊層開展的振動下抗液化性能對比試驗，分析了抗液化性能的影響因素與機理，結論如下：

1）砂袋墊層相較于砂墊層，兩者孔隙水壓力在陡增時刻和變化趨勢均相同，由于包裝袋提供的約束作用所以使得砂袋墊層具有突出的抗液化性能，有助于保證地震作用下的地基安全。

2）隨著砂袋所處位置的加深，其超靜孔隙水壓力與砂墊層的差距也會增加。事實上，上覆壓應力增大，砂袋包裝袋約束作用越強使得其抗液化性能越強。

3）砂袋墊層采用大尺寸包裝袋時，由于包裝袋對靠近中部和頂部位置約束作用小，導致孔隙水壓力增長越快且越接近臨界狀態。

4）砂袋墊層所采用包裝袋的防水性能不會影響砂袋墊層抗液化這一特性，且與不防水砂袋陡增時刻、變化趨勢和穩定值均相同，說明砂袋外部孔隙水壓增加對內部砂顆粒基本無影響。

需要說明的是，為將砂袋墊層應用于一般建筑結構，偶然荷載作用下砂袋墊層的穩定性及包裝袋的耐久性等問題，還有待展開深入研究。