36土工袋基礎(chǔ)減振隔震試驗(yàn)_劉斯宏

1、 第 32 卷第 1 期Vol .32 No .1水 利 水 電 科 技 進(jìn) 展 Advances in Science and Technology of Water Resources2012 年 2 月Feb.2012DOI :10.3880/ j .issn .1006-7647.2012 .01.020土工袋基礎(chǔ)減振隔震試驗(yàn) 劉斯宏1 , 王艷巧2 , 金遠(yuǎn)征1(1 .河海大學(xué)水利水電學(xué)院, 江蘇 南京 210098;2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院, 安徽 合肥 230009)摘要 :為減小突發(fā)性地震對(duì)建筑物的, 通常在建筑物基礎(chǔ)中設(shè)減振隔震裝置。提出土工袋基礎(chǔ)減振隔震新方法,

2、進(jìn)行土工袋水平剪切循環(huán)試驗(yàn), 從水平剛度及等效阻尼比 2 個(gè)方面說明土工袋滿足一般基礎(chǔ)隔振體系需具有可變水平剛度的要求。在小型電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了土工袋和袋內(nèi)填充物(天然河砂)的水平減振對(duì)比試驗(yàn) , 試驗(yàn)結(jié)果表明, 土工袋的減振效果優(yōu)于天然河砂的減振效果, 且振動(dòng)加速度越大, 減振效果越好。 關(guān)鍵詞:土工袋 ;基礎(chǔ)隔震 ;循環(huán)剪切試驗(yàn) ;振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中圖分類號(hào) :TU472.3+4文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :A文章編號(hào) :1006-7647(2012)01-0087-04Experimental study on vibration reduction and isolation of bases with s

3、oilbags/ / LIU Si-hong1, WANG Yan-qiao2, JIN Yuan- Zheng1(1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering , Hohai University , Nanjing 210098, China ;2.School of Civil Engineering , Hefei University of Technology , Hefei 230009 , China) Abstract :To minimize the seismic risk to structures,

4、 vibration reduction and isolation devices have been commonly employed in their bases.An economic and practical method for the vibration reduction and isolation of the bases is put forward by means of soilbags .Cyclic simple shear tests on the soilbags are carried out.The soilbags which satisfy the

5、requirements of the general base isolation system with variable horizontal stiffness are illustrated from the two aspects of the horizontal stiffness and the equivalent damping ratio .Comparative tests on the horizontal vibration reduction of the soilbags and their fillings are performed by use of a

6、 small-scale shaking table , and the horizontal damping effects of the soilbags are validated . Key words:soilbag ;base isolation;cyclic simple shear test ;shaking table test在各種自然災(zāi)害中, 地震災(zāi)害可謂“ 群害之首” 。過去的抗震方式是被動(dòng)的, 主要通過想方設(shè)法讓結(jié)構(gòu)更結(jié)實(shí)從而使結(jié)構(gòu)能“ 抗”得住地震, 現(xiàn)在可以通過采用結(jié)構(gòu)隔震和消能減振技術(shù)來隔絕或消耗地震能量, 即通過“減”震來保護(hù)房屋免遭大的損壞 1-2 。然而,

7、 目前國內(nèi)外普遍采用的橡膠隔震支座、阻尼裝置上 , 通過土工袋在不同豎向壓力及剪應(yīng)變下的水平剪切循環(huán)試驗(yàn), 從土工袋水平剛度性能及等效阻尼比 2 個(gè)方面說明土工袋滿足一般基礎(chǔ)隔震體系的要求 , 并進(jìn)行了土工袋不同輸入頻率、不同振動(dòng)加速度 的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn), 以驗(yàn)證土工袋的減振效果。 1土工袋基礎(chǔ)減振隔震原理價(jià)格偏高, 難以在普通建筑尤其是城低層房屋在建筑物與地基之間鋪設(shè)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(shè)計(jì)出的土工袋組合體由土工袋墩形基礎(chǔ) 、土工袋條形基礎(chǔ) 、土工袋筏形基礎(chǔ)和地坪構(gòu)成(圖 1), 即在建筑物柱的下方設(shè)置土工袋墩形基礎(chǔ),

8、 在承重墻下方設(shè)置土工袋條形基礎(chǔ), 在建筑物整個(gè)基礎(chǔ)面上設(shè)置土工袋筏形基礎(chǔ), 土工袋縱橫交錯(cuò)逐層疊放, 土工袋之間的縫隙用場(chǎng) 地開挖土填平, 每層土工袋用機(jī)械或人工夯實(shí), 在筏 建筑基礎(chǔ)中推廣應(yīng)用。近年來, 土工袋加固地基技術(shù) 3-6 已開始應(yīng)用于房屋地基、公路鐵路路基 、堤防、邊坡加固及擋墻構(gòu)筑等工程中 。工程應(yīng)用結(jié)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(jià)格便宜, 施工簡單, 不需用特殊設(shè)備, 袋內(nèi)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(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型基礎(chǔ)隔震材料。 本文在介紹土工袋基礎(chǔ)減振隔震的

9、原理的基礎(chǔ) 基金項(xiàng)目:高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)(2010515911);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(YS11001) 作者簡介:劉斯宏(1964 ), 男, 浙江人, 教授, 博士, 主要從事水工結(jié)構(gòu)研究。 E-mail :sihong hhu yahoo .com .cn 87 水利水電科技進(jìn)展, 2012 , 32(1) Tel E-mai l :jz hhu .edu .cn http :/ kkb .hhu .edu .cn 形基礎(chǔ)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(chǔ)隔震材料, 當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)土工袋墊層能隔絕或消耗絕大部分地震能, 工程結(jié)構(gòu)只

10、發(fā)生較輕微的運(yùn)動(dòng)和變形, 墊層起到“ 以柔克剛”的作用, 從而保障建筑物的安全。 力作用下, 最大水平剪切應(yīng)變?cè)酱? 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(yīng)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 1 土工袋基礎(chǔ)減振隔震示意圖2土工袋循環(huán)剪切性能試驗(yàn)為了達(dá)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(qiáng)的消能能力, 從而使上部結(jié)構(gòu)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(qiáng)風(fēng)或微小地震(荷載較小)時(shí)具有足夠的初始水平剛度, 使得上部結(jié)構(gòu)水平位移極

11、小, 不影響正常使用 ;在中強(qiáng)地震 (荷載較大)時(shí) , 其水平剛度較小, 上部結(jié)構(gòu)水平滑動(dòng), 剛性的抗震結(jié)構(gòu)體系變?yōu)槿嵝缘母粽鸾Y(jié)構(gòu)體系, 其自振周期大幅度延長, 遠(yuǎn)大于上部結(jié)構(gòu)的自振周期和場(chǎng)地特征周期, 從而把地面震動(dòng)有效隔開, 明顯降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。對(duì)袋內(nèi)充填物為天然河砂的土工袋進(jìn)行了不同豎向壓力及不同水平剪應(yīng)變的反復(fù)荷載作用下的變形特性試驗(yàn)。 2.1試驗(yàn)裝置及工況試驗(yàn)裝置由壓力控制系統(tǒng) 、左右 2 個(gè)水平向張拉系統(tǒng) 、反力架、豎向加載系統(tǒng) 、量測(cè)系統(tǒng)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(gè)張拉系統(tǒng)通過 4 根上下可調(diào)的螺桿固定于底部框架上。 采用聚丙烯(PP)為原

12、材料的土工編織袋, 袋內(nèi)充填物為天然河砂, 最大粒徑為 5 mm , 平均粒徑為 0.4mm 。裝入河砂后的土工袋尺寸為40 cm 40 cm 8cm。4 個(gè)土工袋豎直堆放在一起作為一個(gè)試樣 。試樣置于反力架的底座上, 在試樣頂部設(shè)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(gè)張拉系統(tǒng)以均勻的剪切速率進(jìn)行水平向循環(huán)剪切, 最大水平剪應(yīng)變分別為0.25 %, 0.5 %, 0.75 %和 1 %。 2.2試驗(yàn)結(jié)果圖2 為豎向壓力 v=50 kPa 及 100 kPa 作用下, 最

13、大水平剪應(yīng)變 分別為 0.5 %和 1 %時(shí)土工袋的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線 。由圖 2 可見, 在相同的豎向壓 圖2 不同豎向壓力及最大水平剪應(yīng)變下土工袋應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線 , 可以用式(1)、式(2) 分別計(jì)算得到剪切模量和等效阻尼比 10 : G = (1)ALheq = (2)S abc式中 :, 分別為滯回圈中最大水平剪應(yīng)力和剪應(yīng)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(yīng)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(yīng)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,

14、 這種減小趨勢(shì)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(yīng)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(yīng)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 圖 3 土工袋等效阻尼比隨豎向壓力的變化 88 水利水電科技進(jìn)展, 2012 , 32(1) Tel -mai l :jz hhu .edu .cn http :/ kkb .hhu .edu .cn 效果越好。 同時(shí)在模型箱底部鋪設(shè)了 3mm 厚的聚氯乙烯泡沫板以防止

15、波的反射干擾, 并在泡沫板表面設(shè)置了1 層砂紙, 以減小土工袋與底板間的滑動(dòng)。土工袋或天然河砂試樣放入模型箱后, 在其頂部加 1 個(gè)質(zhì)量為50 kg 的混凝土塊以模擬實(shí)際建筑物的荷載。 圖 6 為土工袋與天然河砂振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的布置。試樣分 4 層進(jìn)行鋪設(shè), 對(duì)于土工袋試樣, 每層放置4 個(gè), 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7 cm , 每層進(jìn)行擊實(shí)整平。在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面?zhèn)缺诩绊敳抠|(zhì)量塊上各布置 1 只加速度傳感器。根據(jù)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的工作范圍, 對(duì)土工袋及天然河砂試樣分別進(jìn)行了不同輸入頻率(10Hz , 20Hz , 40Hz , 80 Hz 和 200 Hz)、不同振

16、動(dòng)加速度大小(0.2 g , 0.4 g , 0.5 g , 0.6 g , 0.8 g , 1.0 g , 1.5 g , 2.0 g , 2.5 g , 3.0 g)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 。 圖 4 土工袋等效阻尼比隨最大水平剪應(yīng)變的變化圖5 為對(duì)應(yīng)于不同循環(huán)最大水平剪應(yīng)變時(shí)土工袋的水平剛度隨上部豎向壓力的變化?？梢? 在相同的最大水平剪應(yīng)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(shí)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(shí)土工袋水平剛度較大, 剪切變形較大時(shí)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

17、要求。 圖 5 土工袋水平剛度隨豎向壓力的變化由以上試驗(yàn)結(jié)果可知, 土工袋在各種不同豎向壓力及水平剪應(yīng)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(he q = 0.1 0.3), 遠(yuǎn)大于混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的等效阻尼 比(混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)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。 圖6 土工袋與天然河砂振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)布置3.2 試驗(yàn)結(jié)果圖 7 為振動(dòng)臺(tái)輸入頻率 f 分別為 10 Hz , 20 Hz , 40Hz , 80Hz 和 200Hz 時(shí)土工袋試樣及天然河砂試

18、樣上部質(zhì)量塊響應(yīng)加速度 a 響應(yīng)與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入加速度a輸入的關(guān)系曲線。圖中斜率 k =1 的虛直線表示上部質(zhì)量塊響應(yīng)加速度與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入加速度 相等。試驗(yàn)點(diǎn)位于虛直線下方表示水平向振動(dòng)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(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入加速度下, 土工袋試樣的上部質(zhì)量塊響應(yīng)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(yōu)于天然河砂的減振效果 ;而且, 振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面振動(dòng)頻率在 10 80Hz 范圍內(nèi)時(shí), 天然河砂試樣只有當(dāng)臺(tái)面振動(dòng)加速度大于1 g 時(shí)才有減振效果;而對(duì)于土工袋試 樣, 當(dāng)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面振動(dòng)頻率為 10Hz時(shí), 臺(tái)面振動(dòng)加速 3土

19、工袋減振效果振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)3.1 試驗(yàn)條件為驗(yàn)證土工袋的減振效果, 進(jìn)行了袋內(nèi)充填物為天然河砂的土工袋與天然河砂的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)為DY-600-5 型電動(dòng)式, 由信號(hào)發(fā)生器 、功率放大器 、激勵(lì)電源 、振動(dòng)臺(tái)體以及測(cè)量與控制系統(tǒng) 5 部分組成。 土工袋或天然河砂試樣放置在一個(gè) 0.7m 0.7m 0.4m(長 寬 高)的鋼制模型箱內(nèi), 并用螺栓固定于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上。為了減小模型箱側(cè)壁對(duì)水平振動(dòng)的約束, 在模型箱四側(cè)壁設(shè)置了 10 mm厚的海綿墊, 水利水電科技進(jìn)展, 2012 , 32(1) Tel 89 E-mai l :jz hhu .edu .cn http :

20、/ kkb .hhu .edu .cn 度大于0.7 g 時(shí)開始有減振效果, 當(dāng)臺(tái)面振動(dòng)頻率提高至80Hz 時(shí), 開始有減振效果的臺(tái)面振動(dòng)加速度減小到0.2 g 。當(dāng)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面振動(dòng)頻率為 200 Hz 時(shí), 各種不同大小的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入加速度經(jīng)土工袋和天 然河砂作用后上部質(zhì)量塊的響應(yīng)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。 55-61. 劉斯宏, 汪易森.土工袋加固地基原理及其工程應(yīng)用 J .巖土工程技術(shù), 2007, 21(5):221-225 . CHEN R H , CHIU Y H .Model texts of geocell retain

21、ingstructures J .Geotextiles and Geomembranes, 2008 , 26(1): 56-70. 劉斯宏, 松岡元.土工袋加固地基新技術(shù) J .巖土力學(xué), 2007, 28(8):1665-1670. 4 56 7 MATSUOKA H , LIU Si-hong , HASEBE T , et al .Deformation- strength properties and design methods of soilbag assembly J .Doboku Gakkai Ronbunshu , 2004 , 67:169-181. 8 MATSUO

22、KA H , MURAMATSU D, LIU Si-hong , et al. Reduction of environment ground vibration by soilbags J . Doboku Gakkai Ronbunshu, 2004 , 67:235-245. 9 劉斯宏, 汪易森.土工袋技術(shù)及其應(yīng)用前景 J .水利學(xué)報(bào), 2007, 38(增刊 1):644-648. 錢家歡, 殷宗澤.土工原理與計(jì)算 M .北京:中國水利 10水電, 1996. (收稿日期:2011-11-03 編輯:駱超) (上接第 68 頁) 參考文獻(xiàn): 1 左東啟.水力發(fā)電與環(huán)境生態(tài) J .水

23、利水電科技進(jìn)展, 2005 , 25(2):1-7. 2 黃海田, 閔毅梅.將低碳經(jīng)濟(jì)理念引入水利行業(yè)的探討 J .水利水電科技進(jìn)展, 2011, 31(3):43-46 . 3 鐘平安, 唐林, 張夢(mèng)然.水電站長期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度方案風(fēng)險(xiǎn)分析研究 J .水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2011, 30(1):39-43. 牛麗霞, 管儀慶, 葛捍東, 等.生態(tài)環(huán)境需水量對(duì)芹山水電站發(fā)電效益的影響 J .水資源保護(hù), 2011, 27(2):29- 33 . 良, 馬光文, 陸濤.流域梯級(jí)水電站節(jié)能調(diào)度效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究 J .華東電力, 2009, 37(5):812-815 . 4 圖 7 上部質(zhì)量塊響應(yīng)加速度與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入加速度的關(guān)系曲線 5 4結(jié)論 6 張安標(biāo).飛來峽水電站考核電量及增加發(fā)電量的措施 J .水力發(fā)電, 2007, 33(1):80-82. a .土工袋具有與橡膠隔震材料相當(dāng)?shù)牡刃ё枘岜? 其值隨著最大水平剪應(yīng)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(shí)水平剛度較大, 變形較大時(shí)水平剛度較小, 滿足一般隔震支座對(duì)水平剛度的要求。 c .土工