沙漠砂基础隔震垫层隔震性能试验研究

杨文伟, 卜一凡, 林健康

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021; 2.宁夏土木工程防震减灾工程技术研究中心，宁夏 银川 750021)

在国家实施乡村振兴战略中，保证农村住宅的抗震安全性是美丽宜居乡村建设的内涵所在.历次大地震中，村镇建筑的抗震安全性不容乐观[1—2].根据农村建筑的特点，将沙漠砂用在基础隔震垫层中，可以减弱地震作用，低成本解决房屋抗震问题.宁夏地区周边沙漠资源尤其丰富，推广沙漠砂隔震建筑有广阔的前景.

沙漠砂基础隔震垫层是指在建筑物基础与地基之间铺设一定厚度的沙漠砂隔震层，在地震发生时达到隔震减震效果.沙漠砂为散体，易于流动，在结构振动时，砂垫层砂粒之间及建筑物基础与砂垫层间产生摩擦滑移，摩擦的过程中地震能量得到耗散，有效降低了上部结构的地震响应，延长上部结构的自振周期，避免结构发生共振而造成严重破坏.国内外学者针对砂垫层基础隔震的研究，取得了一定的研究成果，但对于沙漠砂隔震垫层的研究还相当有限.J.A.Calnatarinest[3]提出在建筑物与基础之间设置滑移隔震层.李立[4]提出一种砂垫层隔震技术，并进行了试验研究和理论分析.窦远明[5]等通过室内模拟试验，探究了不同工况下砂垫层减震的效果，随着砂垫层密实度的增加，其减震效果相应增加.刘方成等[6—7]利用废弃橡胶和河砂构成橡胶砂垫层隔震层，并对其减震性能进行了试验研究，结果表明该垫层具有良好的减震效果，场地的卓越周期越短垫层减震性能越好.施建波等[8]研究砂与橡胶粒隔震垫层减震效果，开展振动台试验，结果表明橡胶粒含量和砂粒径对减震效果有明显影响.王晴晴等[9]通过振动台模拟试验，研究橡胶粒含量对减震率的影响，结果表明，45%的橡胶粒颗粒体积含量为最优配比.

本文通过小型振动台试验[10]，对沙漠砂基础隔震垫层的减震性能进行了研究，分析了不同工况下沙漠砂基础隔震垫层的减震效果，研究结论为村镇建筑的减隔震设计及应用提供一定参考.

1 试验概况

1.1 试验材料

选用宁夏盐池境内的毛乌素沙漠砂作为隔震垫层材料，经过砂的筛分试验，测得粒径分布见表1.由表1可见：沙漠砂颗粒粒径主要集中在细砂(0.30～0.25 mm)和特细砂(0.25 mm以下)部分，占比97.5%，属细砂范畴.沙漠砂化学成分组成如表2所示.由表2可见：沙漠砂主要成分为SiO2，Al2O3等；其中SiO2含量最高，为总含量的81.86%.

表1 沙漠砂粒径筛分结果

表2 沙漠砂化学成分组成

1.2 试验模型

试验砂箱由3 mm厚有机玻璃制成，砂箱尺寸为：0.36 m×0.26 m×0.1 m，见图1a.为减小砂箱内壁对垫层的水平约束作用，在砂箱内部两侧壁粘贴5 mm厚泡沫板用以吸收侧向边界的波，模拟土的边界[11—12]，使土体能在振动方向发生剪切变形.试验中采用单自由度小型振动台进行加载(图1b)，全套设备由计算机控制系统、数据采集系统、振动台面和功率放大系统组成.试验加载流程见图2.村镇建筑大多为低矮砌体结构，其自身刚度较大，上部结构刚度远大于隔震层刚度，在地震荷载作用下上部结构近似作刚体平动，故选用不同质量的混凝土刚性块来模拟上部房屋结构，刚性质量块的相关参数见表3.

图1 试验用小型振动台

图2 试验加载流程示意图

1.3 加载及测量方案

1.3.1地震波的选择 选用经过滤波处理的地震波进行加载，包括两条天然波和一条人工波，天然波选用El-Centro波和Mendocino波，人工波由宁夏地质场地条件及抗震设防烈度生成.其中，El-Centro波为振动型地震波，加速度最大峰值与其他幅值相差较小，Mendocino波为冲击型地震波，加速度最大峰值与其他幅值相差较大，地震波时程见图3.

表3 上部质量块参数

1.3.2测试方案 为探究沙漠砂在不同地震波形、地震动强度下的减震耗能机理、减震效果，研究不同垫层厚度、基底压力、垫层含水率等工况对沙漠砂基础隔震垫层减震性能影响.对振动台试验的测试方案设计了A，B，C，D四组试验(表4).试验中主要测量的内容为加速度，采用振动台配套的加速度传感器采集输入和输出的加速度，测点具体布置见图4.

图3 地震波时程曲线

表4 振动台试验方案

续表

图4 测点布置情况

2 试验现象及隔震原理分析

2.1 试验现象

试验加载初始阶段，输入地震动强度较小，上部混凝土试块与隔震垫层滑动不明显，基本保持相对静止;随着地震波接近加速度峰值，加速度逐渐增加，混凝土刚性块与沙漠砂隔震垫层间开始出现滑动;随着地震波加速度幅值的继续增加，相对滑移也随之增大.地震波停止加载后，可发现上层混凝土刚性块与下层沙漠砂基础隔震垫层之间出现了相对滑移，刚性块偏离初始位置.

2.2 工作原理分析

为了探究沙漠砂基础隔震垫层的工作原理，以试验组A13，A23，A33的试验结果为例进行分析，测得上述3组试验下的加速度时程曲线见图5.

图5 加速度时程曲线

由图5可知，沙漠砂隔震垫层工作过程可分为相对静止和滑动隔震2个阶段：相对静止阶段，输入地震动强度较小，混凝土刚性块与沙漠砂垫层处于相对静止状态，台面输入加速度和上部试块输出加速度基本相等，上部试块所受的惯性力小于试块与垫层间的摩擦力，试块与沙漠砂垫层间暂未产生相对滑移，隔震垫层未发挥隔震作用；滑移隔震阶段，由于输入地震动强度较大，上部混凝土试块与沙漠砂垫层开始产生明显滑动，台面输入加速度大于上部输出加速度，试块所受的惯性力大于试块与垫层间的摩擦力，隔震垫层发挥了隔震作用.可以看出，沙漠砂垫层的工作性能受两个因素的影响，一为地震动强度，若地震动强度较低，沙漠砂垫层对上部结构的摩擦力大于结构所受惯性力，此时不发挥隔震作用，结构体系可视为非隔震体系，当地震动强度逐渐增大时，上部结构与垫层逐渐发生滑动位移，垫层产生隔震作用，整体结构可视为隔震体系.二为上方结构与垫层之间的摩擦力影响，若能降低上方结构与垫层之间的摩擦力，使结构提前进入隔震体系的工作状态，将能较为高效地利用砂垫层进行隔震保护.

3 试验结果分析

3.1 不同地震波形和地震动强度下的隔震效果

A组试验采用烘干沙漠砂，垫层厚度为15 mm，基底压力为0.65 kPa，加载EL-Centro波、Mendocino波和人工波进行试验，加速度峰值取0.2g～0.62g.试验结果见表5.图6为根据表5得出的加速度峰值与减震系数的关系曲线.

表5 不同地震波形及地震动强度下的试验结果

图6 加速度峰值与减震系数的关系曲线

由表5和图6可以看出：当输入任意地震波时，沙漠砂垫层的减震系数随着加速度峰值的增大而减小，反映出沙漠砂垫层的减震效果随加速度的增加而逐渐增加.在低烈度地震波0.2g～0.3g时，减震系数为0.93～0.98，沙漠砂垫层隔震效果不明显，而高烈度度地震波0.4g～0.62g时，沙漠砂垫层隔震效果十分明显，减震系数最低可达0.46.这是因为随着加速度的增大，上部结构与沙漠砂垫层更容易产生相对滑动，而产生滑动的过程中会逐渐削弱地震能量，使上部结构的地震作用减小，达到保护上部结构的目的.当输入相同加速度时，可以发现El-Centro波和人工波的减震系数基本相同，Mendocino波的减震系数小于前两种波形的情况.这是因为在冲击型地震作用下，冲击型地震波附加脉冲效应，短时间内加速度突变明显，减震效果更好.这说明沙漠砂基础隔震垫层对于冲击型地震波(Mendocino波)的减震效果更好.

3.2 不同垫层厚度下的减震效果

B组试验采用烘干沙漠砂，基底压力保持0.65 kPa不变，输入加速度峰值为0.4g，试验结果见表6.图7为根据表6所得出的垫层厚度与减震系数的关系曲线.由表6和图7可以看出：砂垫层越厚对地震作用的耗能越多，减震系数随垫层厚度的增加而降低，减震性能越好.这是由于增加垫层厚度使得垫层的水平刚度降低，内部颗粒更易于流动，变相地降低了沙漠砂垫层的摩擦系数，使得上部结构更容易发生滑动，地震作用较快进入滑移隔震阶段，并对地震作用进行耗能，降低加速度.随着垫层厚度的增加，内部颗粒摩擦耗能的量值也相对增加，更多的摩擦耗能会进一步降低地震作用.然而垫层厚度的选择还需要考虑上部结构的沉降，若选用厚度特别大的垫层，有可能会使竖向压力大的上部结构发生较大的沉降.

3.3 不同基底压力下的减震效果

C组试验验证不同基底压力下沙漠砂隔震垫层的减震效果，选用烘干沙漠砂，垫层厚度保持15 mm不变，加速度峰值为0.4g，试验结果见表7.图8为根据表7所得出的不同基底压力与减震系数的关系曲线.由图8可以看出：垫层厚度和加速度保持不变时，沙漠砂垫层在不同基底压力下的减震系数随着基底压力的增加而略微减少，这是由于上部试块质量增大，结构自振频率降低，周期增大，使结构整体抗震性能增强，减震系数降低，但是由表7可见在不同基底压力时减震系数变化程度并不明显，上部结构地震反应大致相同.由此可以得出基底压力对沙漠砂垫层隔震性能的影响程度较小.

表6 不同垫层厚度下的试验结果

图7 垫层厚度与减震系数的关系曲线

表7 不同基底压力下的试验结果

图8 基底压力与减震系数的关系曲线

3.4 不同含水率下的减震效果

D组试验验证在不同含水率下沙漠砂垫层的减震效果，沙漠砂隔震垫层厚度取15 mm，基底压力为0.65 kPa，峰值加速度为0.4g，含水率分别取0%～10.75%，试验结果见表8.图9为根据表8所得出的不同垫层含水率与减震系数的关系曲线.由图9可以看出：垫层厚度和基底压力不变时，砂垫层含水率的增加使得其减震系数也逐渐增加，减震效果逐渐降低，说明含水率越高沙漠砂垫层的减震性能越差.这是因为垫层含水率的增加使得内部颗粒的流动性变差，颗粒间的黏结作用增强，摩擦系数增加，使上部结构较难发生滑动，导致沙漠砂垫层的减震效果减小.

表8 不同垫层含水率下的试验结果

图9 垫层含水率与减震系数的关系曲线

4 结论

1)沙漠砂基础隔震垫层面对高烈度地震波(0.4g以上)时，减震系数最低可达0.46；对低烈度地震波(0.2g～0.3g)时，减震系数较大，垫层隔震效果不明显.可见对于高烈度地震，沙漠砂基础隔震垫层具有良好的减震效果.

2)随着地震动强度增加，沙漠砂垫层对地震作用的减震效果越显著，并且由于脉冲效应，垫层对冲击型地震波的减震作用比其他地震波更明显；垫层厚度的增加可有效降低地震作用，考虑到结构的扭转及垫层沉降的影响，还应进行综合分析选用合适的垫层厚度.

3)随着上部结构重量增大，沙漠砂垫层减震系数逐渐减小，但是变化程度不明显，基底压力对沙漠砂垫层的减震性能影响较小；而沙漠砂基础隔震垫层内部含水率的增加，使垫层内部颗粒黏结作用增强，流动性变差，垫层整体摩擦系数增加，导致隔震垫层的减震效果也相应减弱.