砂袋垫层抗液化性能振动台试验研究

肖 畅，盛 涛，金红亮

（宁波大学 建筑工程与环境学院，浙江 宁波 315211）

引 言

为了降低地震自然灾害给人类带来的生命和财产损失，在建筑物基础部位增设柔性介质以形成隔震层，是常用方法之一。其中，砂垫层因经济节约、绿色环保等特性，在量大面广的村镇建筑中具有了推广应用的可能性。窦远明[1]、李海涛[2]、史庆轩[3]等研究者，结合振动台试验证明了砂垫层具有一定的水平向减震效果。但砂垫层作为减震地基，其埋深一般需较大，地震作用下的液化问题不

容回避。陈育民等提出了应用电解法消除砂垫层液化问题的新途径[4]，但需外部能源介入，且需对地震动展开实时监控，这无疑增加了经济成本。

考虑到砂垫层的减震阻尼相对较小，刘斯宏等研究者[5-7]进一步提出了应用“砂袋垫层”代替砂垫层作为减震地基的新思路。其基本思想是充分应用

砂袋垫层的水平向高阻尼特性，减小水平向地震动的传递。同时理论上还可应用滑移进行减隔震效果将大幅度优于传统砂垫层。

在抗液化性能方面，由于包装袋的约束效应使得砂袋内部砂颗粒之间具有等效粘聚力，理论上砂袋垫层将具有明显的抗液化性能，其相对于砂垫层的优势更为突出。但目前国内外尚未见到该方面的试验研究报道。

本文结合自制水平向振动台和足尺砂袋垫层，通过激振试验，分析和归纳砂袋垫层的实际抗液化效果及其影响因素。研究结果将有助于为砂袋垫层的减震工程应用提供技术参考。

1 振动台试验设计

1.1 试验设备

本文采用自制振动台开展激振试验研究，其主要由激振器、单向导轨平台与模型箱构成，见图1。其中，振动台的台面尺寸长×宽为65 cm×65 cm。采用的HEV-1000激振器最大输出力为1 000 kN，输出频率为800 Hz，最大位移振幅为±15 mm。

模型箱采用铝板制成，以减小台面重量。其壁厚3 mm，模型箱三边各为60 cm，通过螺栓固定在振动台上。模型箱内壁粘贴海绵吸收侧向边界弹性波，以减小“模型箱效应”[8]。

图1 试验设备组成示意

此外，采用灵敏度为0.075和0.0934电阻应变式孔压计，结合SVSA动态数据采集仪，测试砂袋垫层和砂垫层的超静孔隙水压力。

1.2 足尺饱和砂袋

本次试验采用中砂，其颗粒级配如图2所示，并参照《土工试验方法与标准》[9]规定，测得其各项物理性质指标如表1所示。

考虑到砂袋的特殊性，本试验直接将包装袋置于水中，参考文献[10]中的水沉法步骤，制作足尺饱和砂袋垫层，砂袋尺寸为35 cm×25 cm×8 cm。同时，为与砂垫层的抗液化效果进行比较，也需制作一定量饱和砂。

在制作饱和砂的同时需埋设孔压计。制作完成后，在其表面铺设塑料薄膜后静置24小时，再开始试验。

表1 用砂土样本的物理性质

图2 用砂土样本粒组成

1.3 试验方案

一方面为了检验砂袋垫层的实际抗液化性能，另一方面分析砂袋垫层抗液化性能的影响因素与机理，设计了如表2所示的三种试验工况。

表2 试验工况及目的

图3 孔压机埋设方案

2 试验结果与分析

2.1 砂袋垫层与砂垫层对比试验

图3（a）中孔压计1、2测试的超静孔隙水压力与超静孔压比如图4所示。孔压计3、4测试结果如图5所示。

图4 孔压计1～2的测试结果

图5 孔压计3～4的测试结果

试验结果表明：

1）孔压计1、2的孔隙水压力，在陡增时刻和变化趋势方面均相同，孔压计 3、4也是均相同。但由于包装袋的约束作用，使砂袋垫层内的颗粒不易松散，因此孔压计1、3的超静孔压比均小于1.0；

2）当砂袋所处位置越浅时，上覆压应力越小，包装袋的约束作用越弱，因此孔压计3的超静孔压比，大于孔压计 1，且两种垫层孔隙水压力的变化趋势有明显减弱。

上述结果证明了砂袋垫层具有突出的抗液化性能，有助于保证地震作用下的地基安全。

2.2 大尺寸砂袋垫层试验

图3（a）孔压计1和孔压计2测试的超静孔隙水压力与超静孔压比如图6，孔压计3和孔压计4测试结果如图7。

图6 孔压计1和3的测试结果

图7 孔压计3和4的测试结果

试验结果表明：靠近砂袋中部和顶部位置时，其孔隙水压力的增长速度越快。这与该部位所受到的包装袋约束效应较弱有直接关系，从侧面证明了砂袋抗液化性能与包装袋约束有关。大尺寸砂袋垫层内部的孔隙水压力一直处于缓慢上升的趋势，证明大尺寸砂袋垫层抗液化性能低于小尺寸砂袋垫层。

因此，实际建筑减震工程中，宜尽量选用小尺寸砂袋，防止砂袋内部的局部区域出现液化现象。

2.3 防水砂袋垫层试验

图3（a）孔压计1和孔压计3测试的超静孔隙水压力与超静孔压比如图8。

试验结果表明：

1）孔压计1、3的超静孔压比均小于1，说明防水砂袋同样具有抗液化性能。

2）对比试验一和试验三中的孔压计 1、3，发现两者陡增时刻和稳定值均相同，说明砂袋外部孔隙水压增加对内部砂颗粒基本无影响。

综上所述，防水砂袋垫层同样具有突出的抗液化性能。包装袋提供的约束是影响砂袋垫层抗液化性能的唯一因素。

3 结 论

结合足尺砂袋垫层与砂垫层开展的振动下抗液化性能对比试验，分析了抗液化性能的影响因素与机理，结论如下：

1）砂袋垫层相较于砂垫层，两者孔隙水压力在陡增时刻和变化趋势均相同，由于包装袋提供的约束作用所以使得砂袋垫层具有突出的抗液化性能，有助于保证地震作用下的地基安全。

2）随着砂袋所处位置的加深，其超静孔隙水压力与砂垫层的差距也会增加。事实上，上覆压应力增大，砂袋包装袋约束作用越强使得其抗液化性能越强。

3）砂袋垫层采用大尺寸包装袋时，由于包装袋对靠近中部和顶部位置约束作用小，导致孔隙水压力增长越快且越接近临界状态。

4）砂袋垫层所采用包装袋的防水性能不会影响砂袋垫层抗液化这一特性，且与不防水砂袋陡增时刻、变化趋势和稳定值均相同，说明砂袋外部孔隙水压增加对内部砂颗粒基本无影响。

需要说明的是，为将砂袋垫层应用于一般建筑结构，偶然荷载作用下砂袋垫层的稳定性及包装袋的耐久性等问题，还有待展开深入研究。