砂-橡胶粒复合垫层抗剪性能研究

冯先超 孙建刚 崔利富 许启铿 吕远

（1.河南工业大学土木建筑学院 河南郑州 450001 2.大连民族大学土木工程学院 辽宁大连 116650 3.大连海事大学道路与桥梁研究所 辽宁 大连 116026）

摩擦滑移隔震技术是在地基和基础之间铺设摩擦滑移隔震层，当地震发生时结构的变形由隔震层承担，极大程度的减轻上部结构受到的地震的危害。而砂垫层隔震技术则是摩擦滑移隔震中最常见的类型，采用砂垫层充当摩擦材料作为滑动层。砂垫层隔震原理主要体现在以下两个方面：①由于砂垫层抗剪刚度较小，与地震作用通过砂垫层向上部结构传递受到阻碍，当地震发生时，砂垫层较容易发生剪切或滑移，结构的自振周期增大，更加远离场地的卓越周期；②在地震过程中，上部结构相对于基础可能做整体水平滑动，在接触面处发生相对摩擦，较好的消耗地震能量，起到很好的隔震减震效果。

早在1970年，我国李立教授便对砂垫层隔震做了全面的研究，包括理论和试验研究，后来李立自主主持设计了国内第一例运用砂垫层隔震技术的隔震建筑。目前国内外学者围绕以下几个方面对砂垫层隔震效果展开研究：①砂的极配的影响；②砂垫层的厚度及含水率的影响；③砂垫层计算模型的分析[1]。2001年，赵少伟教授[2]作了不同颗粒极配下砂垫层的隔震试验，证明当砂颗粒粒径单一时隔震减震效果较好。2005年，窦远明教授[3]经过试验证明当砂垫层密实度越小时，砂垫层隔震减震效果越好。2003年，刘稚媛[4]对砂垫层的减震性能进行了研究，不仅进行了理论上的分析计算，还进行了室内砂箱的振动台试验，证明了砂垫层的减震性能受多因素影响，包括砂垫层的刚度、厚度、输入的地震波等。2013年，吴延辉[5]做了砂和橡胶颗粒复合隔震材料的直剪试验和振动台试验，证明了砂和橡胶粒复合隔震垫层在对上部结构发挥隔震减震作用方面有很好的效果。2014年，施建波[6]对采用砂和橡胶粒复合垫层的上部结构进行振动台试验，证明了复合垫层厚度、橡胶粒所占比例以及石英砂的粒径对上部结构各层加速度的影响规律。2015年，王晴晴、郑威等[7]通过振动台试验研究建立在砂和橡胶粒隔震垫层上的简化模型的地震响应，证明当橡胶粒含量为45%时，上部结构减震效果最好。

本文在总结前人研究进展下，进行了砂和橡胶粒复合材料的压剪试验，得出影响复合垫层抗剪性能的因素，并且得出复合材料剪切过程中的等效刚度，得出应用于隔震垫层的最优配比。

1 试验概况

本试验是在大连民族大学土木学院试验结构大厅内进行，试验主要使用的大型微机控制电液伺服压剪试验机是由济南时代试金有限公司负责生产研发的，该试验装置主要构成部分：微机控制电液伺服压剪试验机、专用F020测控软件、水平剪切小车、三层剪切铁箱，滚动剪切铁箱尺寸为790mm×790mm×120mm，所用材料为45号钢，钢板厚均为10mm，共三层；滚球装置凹槽R=55mm，滚球r=10mm，滚动装置的存在能够为砂-橡胶粒复合垫层剪切提供剪切面。

通过本次试验，旨在得出在不同竖向压力时，由不同橡胶粒含量、不同粒径砂组成的复合隔震垫层的抗剪强度和等效刚度。本试验所用砂根据粒径分为细砂、中砂和粗砂，细砂粒径为0.05～0.35mm，中砂粒径为0.35～0.5mm，粗砂粒径为0.5～2mm，橡胶粒由废旧轮胎剪碎而成，粒径为2～4mm。橡胶粒和砂按照体积比分别为0%、25%、50%、75%、100%配比而成，一共配比得到13种试样。

试验过程中，每种试样依次施加三种竖向压应力，分别为75437Pa、125663Pa、226111Pa，三种竖向压应力是依据15万方浮顶储罐1/4罐、1/2罐和满罐时储罐的总质量而定，共39种工况。

2 试验步骤

按照要求配比试样，将配好的试样放在实验室干燥36h；沿导轨拉出水平台面，将配好的混合试样装入铁箱内，分层击实；然后在上部放置3cm厚钢板，用来施加均匀面荷载，钢板上部放置橡胶垫，增大钢板与上部仪器摩擦力，以防剪切过程中发生滑动，然后将台面推到指定工作位置，准备就绪；压实混合材料。打开微机控制电液伺服压剪试验机专用测控软件，启动主油泵、副油泵、浮动油泵，在专用测控软件中输入相关试验参数，开动剪切小车，上升台面，使台面脱离轨道，到合适位置，用螺栓将剪切小车与台面连接起来。落下竖向加载顶板，通过钢板施加在试样上表面，保持竖向压应力为200kPa，观察测控软件显示的垂向位移，当垂向位移保持为恒定值时，表明材料已被压实；调整为试验所需的竖向压应力，待测控软件上显示竖向位移稳定时，开始剪切；水平方向采用位移控制，剪切板以2mm/min的速度运动，直到达到装置的最大位移45mm，然后以-2mm/min的速度卸载，直到软件显示水平力为0kN；拔掉剪切小车与剪切台面之间的螺栓，降下台面，退出小车。装置上配置的测量传感器负责感应数据并将数据传送到计算机，计算机保存数据，得到装置剪切过程的力和位移曲线。

3 试验结果

本文在总结前人研究进展下，进行了砂和橡胶粒复合材料的压剪试验，得出影响复合垫层抗剪性能的因素，并且得出复合材料剪切过程中的等效刚度，得出应用于隔震垫层的最优配比。

根据试验，得出各试样在不同竖向压应力作用下的水平力和位移曲线，得出砂颗粒的粒径、橡胶粒的含量和竖向压应力对组合隔震装置抗剪性能的影响规律，得出复合隔震层的抗剪强度和等效刚度。

（1）当施加在橡胶粒-砂复合材料上方的竖向压应力越大时，砂-橡胶粒复合材料也就具有越强的抗剪性能；

（2）在相同的竖向压应力下，当砂所占配比为75%时，混合材料的抗剪性能最强；而当砂选用粗砂时，在相同的竖向压应力下，粗砂所占配比为100%时，复合材料的抗剪性能最强；

（3）橡胶粒的存在能够有效降低砂垫层的抗剪强度，当橡胶粒所占比例越大时，复合垫层的抗剪强度越低。当橡胶粒占比为100%时，复合垫层隔震效果最佳。橡胶粒占比为100%为隔震层复合材料最优配比。

[1]DOUYuanming,LIUXiyuan，LIYanming，ShakingTableTestingofVibrationReductionofSandCushion[J].Beijing：安全与环境学报杂志社，2004：703.

[2]赵少伟，窦远明，郭蓉，蔡秀艳.基础下砂垫层隔震性能振动台试验研究[J].河北工业大学学报，2005：96～97.

[3]窦远明，刘晓立，赵少伟，刘稚媛.砂垫层隔震性能的试验研究[J].建筑结构学报，2005：56～59.

[4]刘稚媛.砂垫层减震性能研究[D].河北：河北工业大学，2003.

[5]吴延辉.砂与橡胶粒复合隔震垫层分析研究[D].安徽：安徽理工大学，2013.

[6]施建波.砂与橡胶粒隔震垫层的地震响应分析[D].安徽：安徽理工大学，2014.

[7]王晴晴，郑威，施建波，李玉荣.砂与橡胶粒隔震垫层最优配比的研究[J].安徽理工大学学报，2015：1～3.