一種蘑菇形剛性短樁?橡膠砂復合隔震墊層的制作方法

本發明為一種針對普通多層房屋隔震應用的隔震墊層，由一種創新的蘑菇形剛性短樁與廢舊輪胎橡膠顆粒和砂的混合物構成復合橫觀各向同性隔震層，鋪設于房屋結構地基和基礎之間，起到隔離地震、耗散能量的作用，涉及到建筑結構、巖土工程和結構抗震與隔震領域。

背景技術：

在汶川地震、玉樹地震、雅安地震以及最近的國內外多次地震中，以村鎮民居、學校、醫院、辦公樓建筑為代表的普通低、多層建筑破壞嚴重，成為造成地震災難的主要原因；對這些房屋進行隔震，是提高其抗震安全性、降低地震災害的最直接有效的途徑之一；但由于這些房屋自身造價較低，使用不起已有的昂貴的隔震技術；因此，發明能應用于普通房屋建筑的廉價的隔震方法非常必要。

隨著汽車在我國的普及，廢舊輪胎越來越多，給環境帶來巨大壓力，如何有益地利用廢舊輪胎，已成為世界范圍內一項嚴峻而又亟待破解的課題。

將廢舊橡膠輪胎經機械破碎后得到的碎塊顆粒與天然砂按照一定比例配合，組成的人工填料，簡稱橡膠砂（RSM，Rubber Sand Mixture），并將這種混合填料作為土木工程中的建筑材料，是廢舊輪胎有益再利用的途徑之一。

已有研究表明：由于橡膠顆粒的高彈性、低模量特性，橡膠砂具有模量低、彈性好、能耗高的特點，從而可能作為一種減震耗能材料。

橡膠砂用于隔震，所使用的材料為廢舊輪胎和天然砂粒，消耗廢品，取材容易，是一種廉價、環保的隔震方法。

單純的橡膠砂宏觀上屬于各向同性材料，也就是在水平方向具有較小的剪切模量的同時，豎向的壓縮模量也比較小，存在引起上部結構產生過大靜力沉降和在地震中整體傾覆的隱患，隔震應用受到限制。

基底隔震元件的基本要求為：隔震層應該同時具有水平剛度小、豎向剛度大、具有回復能力。

要更好地實現橡膠砂墊層隔震，必須發明新的措施，在保持橡膠砂墊層水平剛度較小的同時，大幅提高墊層的豎向模量和豎向承載能力；這是實現橡膠砂墊層隔震應用推廣的最關鍵的問題。

技術實現要素：

本發明提出一種蘑菇形剛性短樁-橡膠砂復合隔震墊層，其基本形式如圖1和圖2所示：對于地基承載力較高或有地基墊層的情況，剛性短樁采用工型蘑菇樁，即上下兩端均為球冠狀，如圖1所示；對于地基承載力較低或無地基墊層的情況，剛性短樁采用T型蘑菇樁，上端為球冠狀，下端為帶圓角的樁端支承在剛性擴大的樁礎上，如圖2所示。

蘑菇形剛性短樁-橡膠砂復合隔震墊層的主要構造：墊層為具有一定厚度的鋪設于地基（1）和結構基礎（4）之間的層狀結構物，其由豎向布置的蘑菇形剛性短樁（2）和橡膠砂（3）組合而成。

所示橡膠砂（3）由廢舊橡膠顆粒和天然砂按照一定比例混合得到，是一種混合散體材料。

所述蘑菇形剛性短樁（2）分為兩種類型，一種是工形蘑菇樁，一種是T形蘑菇樁。

工形蘑菇樁由上下兩端的樁冠（5）和連接樁冠的樁身組成，其幾何特性參數有：樁冠的球面半徑R、樁冠的投影直徑D、樁身的直徑d、短樁的總長度L，如圖3所示。

T形蘑菇樁由上端的樁冠（5）、中間的樁身（6）和下端的用于擴散樁端應力的樁礎（7）組成，其幾何特性參數有：樁冠的球面半徑R、樁冠的投影直徑D、樁身的上端直徑d₁、樁身的下端直徑d₂、短樁的總長度L，如圖4所示。

考慮到地震作用方向的隨機性，短樁橫截面應為軸對稱或雙軸對稱形式，同時應能與橡膠砂的接觸面盡量大以獲得足夠的彈性回復力，反之也能充分擠壓橡膠砂以使其阻尼耗能效應得到發揮，故可采用圓形或十字形，如圖5所示，十字形橫截面的幾何特征（直徑d和壁厚t）合理值經過研究確定。

蘑菇樁的幾何特性參數取值經研究確定。

單個蘑菇形短樁與橡膠砂組合體的受力變形特性為：當短樁的上下端發生水平剪切變形時，短樁：①通過上下兩端近似鉸結的構造形式發生剛體轉動，并不參與抵抗水平外力，橡膠砂墊層原有的較小剪切剛度不受影響；②通過球冠與基礎和地基的接觸能夠繼續承擔豎向荷載、保證墊層具有較大的豎向承載力和豎向剛度；③當短樁偏離平衡位置后，周圍橡膠砂對其產生的土壓力將形成回復力矩使得短樁回復至平衡位置。其受力特性如圖6所示，對應的理想力學模型如圖7所示。

蘑菇形剛性短樁-橡膠砂復合墊層的隔震工作機理為：當地震引起地基（1）和基礎（4）之間產生相對水平變形時，蘑菇形剛性短樁（2）兩端沿著樁冠（5）的球面曲線在基礎（4）和地基（1）之間發生剛體轉動，短樁對地基（1）和基礎（4）之間的相對位移水平的阻力很小，地基（1）和基礎（4）兩者之間的剪切剛度僅由橡膠砂決定，故水平剪切剛度很小；同時短樁剛度很大，通過上下樁冠（5）分別與地基（1）和基礎（4）之間的接觸，保證豎向荷載能通過剛性短樁傳遞，豎向變形很難發生，故復合墊層獲得較大的豎向承載力和豎向剛度；另一方面，當短樁偏離初始豎直位置后，周圍橡膠砂對樁身和樁冠產生土壓力，形成使得短樁回復至平衡位置的回復力矩。

因此，蘑菇形剛性短樁-橡膠砂復合墊層將像一個基本隔震元件一樣工作：①在上下端發生水平相對位移時，水平剪切剛度很小；②具有較大的豎向剛度和豎向承載力；③具有自動回復平衡位置的功能。同時，由于橡膠砂較大的阻尼特性，橡膠砂-蘑菇形短樁復合墊層同樣具有良好的耗能性能。蘑菇形剛性短樁-橡膠砂復合墊層的理想工作機理如圖8所示。

在實際工程中，蘑菇形短樁的轉動能力主要受樁冠（5）的幾何特性（球面半徑R、冠體直徑D）、樁身（6）的直徑（d或d₁、d₂）以及樁長L的影響，其取值經過研究確定。

蘑菇形剛性短樁可采用混凝土材料，在經濟落后的邊遠地區，樁身可采用瀝青防腐木樁、砌塊組合樁、料石、內填混凝土塑料管等就地取材的材料；蘑菇形剛性短樁的制作可采用工廠預制，這既符合目前國家的裝配式建筑發展戰略要求，也可進一步降低造價。

根據蘑菇形剛性短樁樁身形式的不同，提出了6種典型的蘑菇形剛性短樁形式，如圖9至圖14所示。實際工程應用中不限于該6種形式。

蘑菇形剛性短樁-橡膠砂復合墊層具有較低的水平剪切剛度，具有較高的豎向剛度和豎向承載能力，具有自我回復功能，具有較大的阻尼耗能能力，符合隔震元件的所有要求，將其鋪設與地基與結構基礎之間，可起到良好的隔震效果；蘑菇形剛性短樁-橡膠砂復合墊層主要材料為廢舊輪胎橡膠顆粒、天然砂和蘑菇形剛性短樁，取材容易、消耗廢品、成本低廉、構造簡單，是一種廣泛適用于普通建筑結構的隔震方法。

附圖說明：

圖1是工形蘑菇樁與橡膠砂組成的復合墊層示意圖；

圖2是T形蘑菇樁與橡膠砂組成的復合墊層示意圖；

圖3是工形蘑菇樁幾何構造及參數示意圖；

圖4是T形蘑菇樁幾何構造及參數示意圖；

圖5是蘑菇樁樁身截面形式示意圖；

圖6單個蘑菇樁在橡膠砂墊層中的受力變形機理示意圖；

圖7是單個蘑菇樁與周圍一半樁距范圍內橡膠砂形成的復合單元體力學模型示意圖；

圖8是蘑菇形剛性短樁-橡膠砂復合墊層的力學變形機理示意圖；

圖9是樁身截面為圓形的工形蘑菇形樁三維示意圖；

圖10是樁身截面為十字形的工形蘑菇形樁三維示意圖；

圖11是樁身截面為等截面圓形的T形蘑菇形樁三維示意圖；

圖12是樁身截面為變截面圓形的T形蘑菇形樁三維示意圖；

圖13是樁身截面為等截面十字形的T形蘑菇形樁三維示意圖；

圖14是樁身截面為變截面十字形的T形蘑菇形樁三維示意圖；

各圖中數字編號所指的意義如下：

1-地基；2-蘑菇形剛性短樁；3-橡膠砂（RSM）；4-基礎；5-樁冠；6-樁身；7-樁礎 。