CN103382725A - 土工格室加筋橡胶颗粒-砂混合物复合隔震层、带 - Google Patents

Abstract

本发明的土工格室加筋橡胶颗粒-砂混合物复合隔震层、带，属于结构减震、隔震技术领域，主要用于解决普通多层房屋在地震中破坏严重的问题。所述的复合隔震层、带是向土工格室内分层填入并分层夯实的按最优配合比混合的橡胶颗粒-砂混合物，隔振层布置在基础底部，隔振带布置于基础两侧。所述土工格室是在建材市场容易购得且价格低廉的土工材料；所述橡胶颗粒是由废旧轮胎经机械破碎后得到的一定粒径的橡胶碎片；所述砂是普遍用于建筑的河砂。本发明是一种隔震效果好，成本低廉，绿色环保，结构简单，施工方便，普遍适用于多层建筑的复合隔震技术，其技术方案可有效解决村镇低层住宅抗震性能差，破坏严重的问题，应用前景广泛。

Description

土工格室加筋橡胶颗粒-砂混合物复合隔震层、带

技术领域

本发明涉及一种土工格室加筋橡胶颗粒-砂混合物复合隔震层、带结构，涉及到建筑结构、岩土工程和结构隔震领域，属于一种隔震效果好，经济廉价，绿色环保，构造简单，施工方便的适用于多层房屋基础隔震、动力机器基础隔震和高速移动荷载路基隔震的复合隔震结构。 

背景技术

基础隔震的主要原理在于通过在上部结构和地基之间设置隔震层，使地震引起的运动和变形以及能量消耗主要发生在隔震层内，使上部结构受到的地震作用大大减少，从而达到保护上部结构的目的。现有许多应用于建筑结构的隔震装置，虽然有很好的隔震效果，但往往由于价格昂贵、技术精密、构造复杂，在广大地震区的普通多层房屋建筑（以村镇住宅为主）中难以推广。 

在包括汶川地震在内的历次国内外大地震中，破坏最严重、倒塌最多、造成人员伤亡最大的建筑结构是普通多层房屋结构，包括农村民居、城镇住宅和多层结构的中小学校舍等。对于一个农村人口占绝大多数、农村地区经济发展相对落后和不平衡的农业大国来说，提出适用于农村低、多层房屋建筑的、简单实用、经济廉价的基础隔震新方法，以廉价有效的隔震措施尽可能地降低这些结构所受到的地震力，以保证农村房屋结构的安全，具有重要的意义和迫切的必要性。 

多年来随着我国经济的不断发展和汽车工业的飞速扩张，我国的汽车保有量直线上升，随之而来的汽车废旧橡胶轮胎及其他废旧橡胶制品的积累日趋增多。如何处置日益增多的废旧轮胎，已经成为我国生态环境建设所要面对的棘手问题。充分消耗利用废旧橡胶轮胎，变废为宝，实现其循环可持续利用，是利国利民的重要举措。由废旧轮胎经过机械破碎得到的橡胶颗粒由于其高弹性、高耗能性的特性，是良好的廉价耗能材料。将橡胶颗粒与天然河沙按一定比例配合组成橡胶颗粒-砂混合物，简称橡胶土。这种混合物由于砂颗粒骨架具有较强的抵抗压缩变形的能力从而能够承受上部结构的竖向荷载，同时又由于橡胶颗粒良好的弹性变形能力而具有较好的水平剪切变形能力和耗能能力。目前国内外已经有不少的研究证明了橡胶颗粒-砂混合物适合用作路基填料和挡土墙填料，并且由于橡胶土轻质、高弹性和强耗能性的特性，用橡胶土填筑的挡土墙结构具有很好的抗震性能。突出的一点是，橡胶颗粒- 砂混合物由废旧的橡胶轮胎经破碎而得到的橡胶颗粒与极易取得的天然河沙组成，成本非常低廉，即便是广大农民也用得起。因此，用橡胶土作为低多层房屋的基底隔震垫层的填筑材料具有可行性。 

土工格室是由高密度聚乙烯条带经过焊接以后形成的立体网格状的土工材料，作为石油工业的附属产品，其强度高、耐久性好、价格低廉，目前广泛大面积应用于公路、铁路、机场等工程的软基处理、地基加固、边坡防护以及沙漠治理。大量的研究已表明，土工格室可以显著增强被加固土体的强度、竖向刚度和软土地基的抗弯沉能力。同时，土工格室的三维网格结构可以为散粒体材料提供现成的容器，便于填筑施工。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有效果显著、经济廉价、绿色环保、构造简明、施工方便、耐久性好等优良性能，适用于以村镇建筑为主的普通多层房屋基础隔震的岩土复合隔震结构，以期解决所述房屋建筑在地震中破坏严重、造成人员伤亡惨烈的问题。 

本发明的土工格室加筋橡胶颗粒-砂混合物复合隔震层、带是： 

a、在建筑物基础和地基之间铺设土工格室加筋橡胶颗粒-砂混合物复合隔震垫层来消耗吸收由基础底部传来的地震横向剪切波能量，使得主要水平变形发生于隔震垫层内，降低上部结构的运动峰值； 

b、在建筑物基础两侧的基槽中填筑土工格室加筋橡胶颗粒-砂混合物复合隔震带，以吸收从基础侧面传来的地震面波能量，减小上部结构由于面波激励而产生的扭转、摇摆振动，进而达到减轻房屋结构的破坏、保障房内人员生命安全的目的。 

本发明的目的可通过下述技术方案来实现： 

本发明的土工格室加筋橡胶颗粒-砂混合物复合隔震结构包括以下特征： 

a、铺设于建筑地基和基础之间的土工格室加筋橡胶颗粒砂混合物复合隔震垫层：所述隔震垫层是向展开的三维立体土工格室内分层填入并分层夯实的按最优比例配合的橡胶颗粒和砂的混合物而形成，并在其上下端分别设置一层素混凝土垫层；所述土工格室是在建材市场容易购得且价格低廉的工业制品；所述橡胶颗粒是由废旧橡胶轮胎或其他废旧橡胶制品经机械破碎后得到的一定粒径的橡胶碎片；所述砂是普遍用于建筑的河砂。 

b、填筑于基础周围的基槽内的土工格室加筋橡胶颗粒砂混合物复合隔震带：所述隔震带是在基础周围的基槽中填入并分层夯实的按最优配合比混合的橡胶颗粒-砂混合物（即橡胶 土），并在回填隔震带的顶部、地坪面硬化层以下处铺设一层或多层土工格室对回填的橡胶颗粒-砂混合物进行加固，以提高隔震带的抗弯沉能力，从而保证地面硬化层在正常使用过程中不产生破坏。 

c、所述土工格室的规格（包括格室片高度、焊点间距等参数）、橡胶颗粒-砂混合物的配合参数（包括橡胶颗粒的粒径、砂的粒径、橡胶颗粒与砂的配合比例等参数）由相关试验研究或经验确定。 

d、所述基础底部的隔震垫层和基础周围的隔震带：由于土工格室各向异性的加强机理，所述隔震垫层和隔震带在竖向荷载作用下，其侧向变形受到土工格室的约束，竖向变形模量很大将因此而显著增大从而保证上部结构在竖向荷载作用下的稳定性；而所述隔震垫层和隔震带在水平荷载作用下，其侧向变形基本不受土工格室的约束，水平向变形模量仍然与橡胶颗粒-砂混合物相同，从而具有较好的吸能隔震效果。 

与现有技术相比，本发明的优点在于： 

1、本发明是一种岩土复合隔震结构，经济廉价、绿色环保、结构简明、施工方便、隔震效果好、材料极易购得； 

2、本发明的岩土复合隔震结构，在理论上主要利用橡胶颗粒-砂混合物（即橡胶土）的良好耗能性能来耗散由地基传来的地震能量，从而减少输入上部结构的能量；利用橡胶颗粒-砂混合物（即橡胶土）在大应变时的强烈非线性性能，让地震引起的变形主要发生在复合垫层、带内，从而减小上部结构的运动加速度以及由此而产生的地震作用；利用土工格室对橡胶颗粒-砂混合物的侧向约束和网兜效应，保证复合垫层的竖向刚度、强度和整体性，从而保证在结构自重和地震作用下上部结构的竖向变形稳定性。在理论本质上是利用地基与上部结构动力相互作用的固有规律，通过在地基和基础之间加入一道具有高耗能性、竖向稳定、水平向剪切变形能力强的复合垫层、带，让地震能量在通过复合隔震垫层、带时得到大幅衰减，让地震引起的变形主要发生在所述岩土复合层、带内，从而达到降低上部结构地震作用、减轻地震破坏的目的。 

3、本发明的岩土复合隔震结构，其优点首先在利用基础底部的隔震垫层吸收耗散地震能量、隔离地基的地震运动。橡胶颗粒与砂的混合物是优良的耗能材料，国内外学者对橡胶颗粒-砂混合物的物理、力学特性进行了深入的研究，发现橡胶颗粒的加入使得橡胶颗粒砂混合物的滞回阻尼比显著增大，而动剪模量随剪应变幅值的非线性衰减特性仍然存在。由地基传来的地震剪切波穿过橡胶土复合垫层向上传播时，受到由橡胶颗粒砂混合物填筑的复合垫 层的耗散，大大衰减，同时，由于橡胶土在大应变下动剪模量急剧降低，因此主要的水平运动将发生在橡胶土复合垫层内，上部结构仅作为整体发生较小的水平平动；土工格室的加入，使得复合隔震垫层表现出各向异性，竖向刚度和整体性进一步增强，降低了上部结构由于摇摆振动而产生的加速度，从而进一步减小了上部结构所受到的地震作用力。 

4、本发明的岩土复合隔震结构，其优点还在于充分利用填筑于基础周围的隔震带内的橡胶土的吸收耗能作用，由地表传来的地震面波能量在通过由高耗能性的橡胶土填筑的隔震带时被消耗、衰减，主要的变形发生在岩土复合隔震带内，从而使得上部结构所受到的地震面波的影响减小。 

5、本发明的岩土复合隔震结构，其优点还在于土工格室加强的隔震带具有较强的抵抗竖向弯沉的能力但同时水平隔震性能较好。在隔震带顶部加入一层或多层土工格室后，形成竖向模量和整体性很强的表面加强层，能有效防止房屋建筑周围的地面在正常使用过程中产生不均匀沉降；同时，土工格室的加入对于被加固隔震带的水平变形模量基本无影响，因此将不影响隔震带的隔震效应。由于土工格室加固后的土体具有较大的刚度和整体性，因此在它上面的地坪硬化层也可以做成柔性的薄层硬化层，从而防止由于地坪硬化层对房屋结构水平运动的约束而引起的基础隔震效果降低。本发明的利用土工格室对基础周围的复合隔震带表层进行加固的技术解决了同类基础隔震技术中难以解决的地面构造问题。 

6、本发明的岩土复合隔震结构，其优点还在于所采用的材料价格低廉、容易获得和绿色环保。所采用的橡胶颗粒是由废旧轮胎经机械打碎而得到的，能有效消耗利用废旧橡胶轮胎，变废为宝，绿色环保，有利于生态环境保护；所采用的土工格室为石油工业副制品，且在建材市场上可容易购得；所采用的砂为建筑用天然河砂，可就地取材； 

7、本发明的岩土复合隔震结构，其优点还在于技术简明、施工简单、不需支模，施工造价低廉。所用的橡胶颗粒-砂混合物是由一定粒径的橡胶颗粒和天然河砂按照一定的比例进行配合，所用的配合比例由相关的研究确定；所用的土工格室可在建材市场直接购买，直接在现场进行张铺，然后将配合好的橡胶颗粒-砂混合物填铺入土工格室内，再进行压实。整个施工不需要任何特殊的设备、装置，没有复杂的工艺，也不需要支设模板。普通的建筑工人甚至农民即可掌握施工流程并进行施工，施工成本低廉。 

8、本发明的岩土复合隔震结构，其优点还在于材料经久耐用、无需维修更换。所述复合隔震层、带的主要填筑材料为天然河沙；所述土工格室是性质稳定的高强度材料，耐腐蚀，已在岩土工程领域得到了广泛的应用；所述橡胶颗粒是经过硫化的废旧轮胎碎片，耐腐蚀性 好，与砂混合后埋入与空气隔绝的地下，其老化也非常缓慢。 

9、本发明的岩土复合隔震结构，其优点还在于可以适用于不同的基础形式，条形基础，柱下独立基础，以及桩承台基础等，用途较广泛；同时也可以设置在动力震源基础之下以减轻动力震源对环境的震动影响。如高速铁路路基、地铁路基基础以下。 

附图说明

图1是本发明实施例1的总体平面布设示意图； 

图2是本发明实施例1的总体纵向剖视示意图（1-1剖面）； 

图3是本发明实施例1的总体横向剖视示意图（2-2剖面）； 

图4是本发明实施例1的基础隔震布置详图； 

图5（3—3剖面图）是土工格室加筋橡胶砂复合隔震垫层沿条形基础纵向的俯视剖视结构示意图； 

图6是土工格室三维立体结构示意图； 

图7是本发明实施例2正视剖视结构示意图； 

图8是本发明实施例3正视剖视结构示意图； 

图9是本发明实施例4隔震铺设示意图； 

图10是本发明实施例5隔震铺设示意图； 

图例说明 

1、地基                2、打底素混凝土垫层  3、复合隔震垫层 

4、上覆素混凝土垫层    5、墙下条形基础      6、复合隔震带 

7、复合隔震带加强面层  8、上部结构          9、土工格室 

10、橡胶颗粒-砂混合物  11、室外硬化地坪     12、室内硬化地面 

13、砂                 14、橡胶颗粒         15、柱下独立基础 

16、桩基承台           17、桩               18、基岩 

19、动力机器基础       20、动力机器         21、道路路基 

22、路堤               23、临近高速移动荷载的建筑物 

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。 

实施例1：本实例应用于墙下条形基础，参见附图1、2、3、4、5。本发明的应用于墙下条形基础的土工格室加筋橡胶颗粒-砂混合物岩土复合隔震层、带结构具有如下特征： 

a、土工格室加筋橡胶颗粒-砂混合物岩土复合隔震层、带结构包括铺设在地基（1）和墙下条形基础（5）之间的复合隔震垫层（3）、填筑在地基（1）和墙下条形基础（5）之间的复合隔震带（6）。 

b、所述复合隔震垫层（3）由土工格室（9）和橡胶颗粒-砂混合物（10）组成。所述土工格室（9）是在市场上可购买到的土工材料，土工格室展开后为三维立体网，如图6所示。土工格室的规格由格室高度、焊点间距表征，格室的高度在50mm-300mm之间，焊点间距在300-500之间，最终所选土工格室（9）的高度就是所述复合隔震垫层（3）的厚度。所述橡胶颗粒-砂混合物（10）由所述橡胶颗粒（14）和所述砂（13）按照最优配合比进行混合得到，最优配合比根据不同固结变形、不同动力变形特性的要求由试验研究或经验确定。所述橡胶颗粒（14）是由废旧橡胶轮胎经过机械破碎得到的颗粒状橡胶体。所述砂（13）是当地用于建筑的天然河砂。按照最优配合比混合的橡胶颗粒-砂混合物具有优良的滞回耗能性能，将橡胶颗粒-砂混合物填充到土工格室内形成的各向异性的复合隔震垫层，具有很大的竖向压缩模量能够承担上部结构的竖向荷载，同时又具有较好的水平变形能力和滞回耗能性能，能够有效地吸收由地基传来的自下而上的地震能量、隔离由地基传来的水平地震运动，达到降低上部结构所受的地震作用的目的。复合隔震垫层（3）的上下表面各设有一层素混凝土垫层分别为打底素混凝土垫层（2）和上覆素混凝土垫层（4），其作用是保证竖向压力均匀分布到复合隔震垫层（3）上，确保复合隔震垫层（3）隔震性能的充分发挥。 

c、所述复合隔震带（6）是指由所述最优配合比的橡胶颗粒-砂混合物（10）按照预定压实度填筑在基础周围的基坑中而形成的吸能隔震带。按最优配合比混合的橡胶颗粒-砂混合物按照一定的压实度回填在开挖的基坑中，不增加额外的土方工程造价，施工起来也简便易行。由于橡胶颗粒-砂混合物（10）良好的弹性和耗能性能，所述隔震带能有效吸收、消耗由基坑侧边地基传来的地震能量、隔离由基坑侧边地基传来的地面运动，达到降低上部结构所受的地震作用的目的。 

d、所述复合隔震带（6）的顶部包含一层加强面层（7），是在所述复合隔震带（6）的顶层铺设一层土工格室（9），利用土工格室（9）的加强机理，提高所述隔震带的整体竖向变形 模量，保证在正常使用过程中所述隔震带处地面不发生过大沉降而影响正常使用，同时，由于土工格室的空间异性结构特性，土工格室对水平隔震带在水平方向的静动力变形特性影响很小，隔震带填筑体仍可通过耗能、变形等特性发挥隔震效应。 

e、所述土工格室加筋橡胶砂复合隔震技术应用于扩大基础的实施例1具体施工流程可叙述如下： 

①先在地基（1）开挖基槽至持力层，基槽的开挖宽度按普通工程确定，无特殊要求； 

②在基槽底部浇注打底素混凝土垫层（2），该层垫层与普通的房屋基底垫层要求一样，没有任何特殊要求之处，通常是厚度为100mm的C10素混凝土，表面也无需作任何处理； 

③在打底素混凝土垫层上铺设土工格室（9），然后往土工格室（9）内分层填入按最优比例配合好的橡胶颗粒砂混合物（10）并分层夯实，形成土工格室加筋橡胶砂复合隔震垫层（3），所述垫层的宽度与基槽底部宽度相同，垫层的高度、压实度、橡胶砂配合比等参数，根据上部结构的形式、层数、总荷载等因素由相关研究确定，也可以根据经验确定。 

④在土工格室加筋橡胶颗粒-砂复合隔震垫层（3）上浇筑上覆素混凝土垫层（4），上覆素混凝土垫层（4）是强度等级为C10的素混凝土层，宽度比基础（5）的宽度两边各宽100mm，但不超过土工格室加筋橡胶土复合垫层（3）的宽度。 

⑤在上覆素混凝土垫层（4）之上，按常规方法继续施工墙下条形基础（5）以及上部结构（8）。 

⑥上部结构施工完成之后，在基础两侧的基槽中按分层压实的方式回填橡胶颗粒-砂混合物（10）；当回填至基槽顶部时，将基槽顶部宽度向外扩展200mm-300mm做一个搭接台阶，然后铺设土工格室（9），再继续分层压实填筑橡胶颗粒-砂混合物（10），直至回填至室外地坪高度，形成土工格室加筋橡胶颗粒-砂混合物的复合隔震带加强面层（7）。 

⑦在复合隔震带面层（7）之上做地面硬化，形成室外硬化地坪（11）或室内硬化地面（12）。 

实施例2：本实施例应用于柱下独立基础，相应的上部结构可为框架结构、底框或内框架结构，参见图7所示，本实施例的基本结构与实施例1相同。区别在于土工格室加筋橡胶颗粒-砂复合隔震垫层（3）铺设在柱下独立基础（15）之下。 

实施例3：本实施例应用于桩-承台基础。当地基持力层较深或地基为软弱地基而必须采用桩-承台基础时，如果上部结构为多层建筑、对基础抗倾覆能力没有特殊要求的情况，仍然可以应用本发明所述的土工格室加筋橡胶颗粒砂岩土复合隔震层、带进行基础隔震，参见图8所示，本实施例的基本结构与实施例1相同。区别在于在整个桩基承台（16）面积范围 上铺设所述土工格室加筋橡胶颗粒-砂复合隔震垫层（3）以及在基坑周围填筑所述土工格室加筋橡胶颗粒-砂复合隔震带（6）。 

实施例4：本实施例应用于动力机器基础。动力机器（如水泥回转泵、大型水泵等）基础对周围环境的震动影响是工程实践中需要解决的重要问题，传统的隔震方式常采用纯砂垫层隔震。已有的研究表明，橡胶颗粒-砂混合物的滞回阻尼比纯砂的滞回阻尼大，弹性变形能力强。加入土工格室后形成的土工格室加筋橡胶颗粒-砂混合物复合隔震垫层（3）的整体性和竖向模量提高，有助于动力基础的稳定和隔震性能的提高。本实施例的基础隔震结构示意图参见图9。本实施例的基本结构与实施例1相同，区别在于在动力机器基础（19）之下铺设所述复合隔震层（3）和在动力机器基础（19）周围填筑所述复合隔震带（6）。 

实施例5：本实施例应用于高速移动荷载的路基隔震。随着我国高速铁路、城市轨道交通的高速发展，高速运行的列车对临近建筑物的震动影响问题越来越突出。本发明的土工格室加筋橡胶土复合隔震技术可应用于此类问题的解决。本实施例的隔震结构示意图参见图10，其实施方法即是在高速移动荷载道路地基（21）和路堤（22）之间整体铺设所述土工格室加筋橡胶颗粒-砂混合物岩土复合隔震垫层（3）。所述岩土复合隔震垫层（3）的宽度比路堤（22）底部的宽度两边各宽100mm~200mm。对于软弱路基，所述垫层（3）还可以与相关软弱地基处理结合应用，一方面可以起到吸能隔振的作用，另一方面也可以提高地基的强度和整体性，减小路基沉降。 

以上仅为本发明创造思路下有限个实施例，但不局限于上述实施例，凡在该创新思路下的技术方案均为本发明的保护范围。 

Claims (2)

1.一种适用于多层房屋基础隔震、动力基础隔震和高速移动荷载路基隔震的土工格室加筋橡胶颗粒-砂混合物复合隔震层、带，包括下述特征： 

1）铺设在基础底面与地基之间的土工格室加筋橡胶颗粒-砂混合物复合隔震垫层：所述隔震垫层由往土工格室中分层填入按一定比例配合的橡胶颗粒-砂混合物并分层压实组成，所述隔震垫层设置在地基素混凝土垫层与基础底面素混凝土垫层之间。所述隔震垫层宽度与基槽宽度相同，厚度与土工格室高度相同。 

2）填筑在基础侧面与地基之间的土工格室加筋橡胶颗粒-砂混合物复合隔震带：所述复合隔震带由按一定比例配合的橡胶颗粒-砂混合物分层填筑在基础两侧的基槽内并分层压实组成，在所述隔震带顶部铺设一层土工格室加强面层，所述加强面层由往土工格室内分层填入按一定比例配合的橡胶颗粒-砂混合物并分层压实组成，所述复合面层布置在复合隔震带顶部、地表硬化层之下。 

2.根据权利要求1所述复合隔震层、带，其特征在于： 

1）所述土工格室是一种广泛应用的土工材料，可以直接从建材市场购买，在现场按照基础尺寸裁剪后展开即可使用。格室的规格（包括格室片高度、焊点间距）根据相关研究结果选择。 

2）所述橡胶颗粒-砂混合物是按最优比例配合的橡胶颗粒和砂的混合物，所述最优配合比是由相关研究确定。 

3）所述橡胶颗粒是由废弃轮胎或其他废弃橡胶制品经打碎得到的一定粒径的橡胶碎片。 

4）所述砂是普遍应用的天然河沙。 

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