CN103821182A - 用地基基础间水平夹层切断地震水平波对建筑物上部结构破坏作用 - Google Patents

Abstract

用地基基础间水平夹层切断地震水平波对建筑物上部结构破坏作用的发明为：在地基与基础间设计一个或者多个筏板，在筏板间设计一个或者多个水平分离层(砂石垫层)光滑面(上下材料不同摩擦系数最小的平板)，使地基与基础上下结构分离后，能够消减切断地震水平波从下向上从地基向基础的传播，随之保持建筑物上部结构的安全稳定。本发明把从上部主体结构的被动抗结果变为从下部地基与基础间的主动消减源头。这一发明既能使来自地震水平波的能量在地基基础间的水平夹层中得到自由释放，又能在地基释放地震能量时保持基础上部建筑物主体结构的安全稳定。本发明是高层建筑抵御地震灾害技术的重大突破。科学廉价可行方便，减震效果事半功倍。

Description

用地基基础间水平夹层切断地震水平波对建筑物上部结构破坏作用

1、背景技术

1.1、512大地震发生后 

在宝鸡有这么一个建筑小区，两幢同为六层的建筑，一为灰土桩基础，桩端土为黄土状粉质粘土，埋深8.0m左右；另一为混凝土灌注桩基础，桩端土为碎石土，埋深16.0m左右，2008年5月12日，四川汶川大地震发生后，同一场地灰土桩基础形式的建筑物上部结构没有明显破坏迹象，而在混凝土桩灌注桩基础形式的建筑物的周边基础梁上部可见明显的水平受剪裂缝。 

1.2、原理 

1.2.1、地震对建筑物的破坏能量水平剪力主要来源于地震水平波 

地震现象是由于地壳表层板块运动形成局部地层悬空面地带能量集中，在地球自转加速度变化即地球不匀速运动条件下，地壳表层局部悬空地层释放能量时出现构造断裂发生震动的现象。地震发生时，产生了两种波即竖向波和水平波，竖向波在地震震中周围，范围比较小，水平波在震中的四周及远处，影响范围较大。在震中周围，水平波的能量也较大。与竖向波相比，对波及地区建筑物破坏作用较大的应该是地震水平波。不管是震中还是远离震中的波及地区，地震发生时，大部分建筑物的破坏现象都以水平晃动为主，破坏能量以水平地震波为主。 

1.2.2、惯性定律的物理实验 

有一个中学物理实验，纸板上面放着一个物体，抽动纸板时，纸板上的物体原地不动。这种物体保持原来静止或运动状态的性质叫惯性定律。见说明书附图：图1.1、图1.2.从地震发生时的现象可以看出，地震发生时建筑物基础底面以上上部结构相当于物理实验放在纸板上的重物，基础底面以下的地基 相当于物理实验的纸板。地震发生时，地基和基础间的面是客观存在的，相当于物理实验中纸板和重物之间的面。物理实验中抽动纸板的力量来源于抽动纸板的力；只不过地震发生后，推动地基与基础间水平晃动的力量是来自地震震中水平波的能量。 

同样的物理实验，如果纸板和放在纸板上的重物是粘紧的，则抽动纸板时纸板上的重物就要随着纸板一起动，因为纸板和重物在结构上已经成了一个物体。 

1.2.3、惯性定律地基基础灰土桩混凝土灌注桩 

1.2.3.1、地震水平能量、地基与基础、惯性定律 

地震发生时，建筑物的地基相当于物理实验可以抽动的纸板，基础底面以上建筑物的上部结构相当于物理实验放在纸板上的重物。地震对建筑物的破坏能量主要是水平波，水平波到来时首先推动地基动，地基与基础间的接触关系决定了地震波能否传入上部结构。浅基础地基和基础的接触面决定地震波传入上部结构的效果，关键因素是地基与基础间接触面的摩擦力；深基础桩顶生根上下一体时地震波从地基向基础从下往上传播是无阻的。地震波到来时地基震动；但根据惯性定律，基础底面以上的上部结构都具有保持静止不动的性质。建筑物对地基基础的安全要求是稳定不动。从物理实验原理讲地基(纸板)与建筑物基础(重物)分开，地震发生时地基(纸板)动建筑物(重物)不动，地基动的能量来源于地震波，建筑物(重物)不动是遵守惯性定律。地震能量和惯性定律即地基要动(抽纸板)基础要静止的结果(重物不动)就会在地基基础间造成能量相对集中，如果这种能量不能得到释放，就会在地基与基础间出现水平剪力，地基推着基础动，对建筑物上部结构造成危害。见说明书附图：图2.1。 

1.2.3.3、浅基础、灰土桩基础地基与基础是分开的 

浅基础、灰土桩的桩体材料是地基土、灰土，而基础梁的材料是混凝土，地基土、灰土和混凝土的接触是两张皮。地震发生时地基基础间就如同抽动纸板时纸板动重物不动的原理一 样，能量可以得到释放，因为地震波到来时浅基础、灰土桩桩体周围的地基与基础间是分开的。基础上部结构也可能有微量位移，但建筑物的上部结构是安全稳定的。 

1.2.3.4、混凝土灌注桩地基与基础和上部结构是一体的 

混凝土灌注桩顶部大都钢筋生根，桩体和桩周土即地基、基础、上部结构上下一体，如同物理实验中的纸板与重物是粘紧的，地震发生时地基传向基础的水平波能量无处释放，下面推着上面动。由于基础的晃动引起了建筑物上部结构的破坏。见说明书附图：图3.1。 

1.3、发明焦点 

地震发生后地震波从震源出发，以竖向波、水平波的形式向远处传播，施加在波及地区建筑物的地基上，再将地震波的能量传向地基上部的基础，由基础的水平晃动引起建筑物上部结构的晃动，上部结构的破坏主要是由于建筑物的水平晃动造成的。这就是地震波引起建筑物破坏的过程原理。这个过程启示我们：地震发生时，能否切断地震波从地基向基础的传播应该是抗震防震的焦点。物理实验中的纸板与重物是否分开即地基与基础是否结构分离。只要能够在地基基础间用水平的层或夹层切断地震水平波从地基向基础的传播，使地震波从地基进入基础的传播如马陷泥潭传能无力，造成地基动基础不动的现象，就可减弱或消除地震对建筑物的破坏力。512大地震发生时宝鸡某建筑小区的两幢多层建筑就证实了这一原理。 

从结构上将地基与基础分离，在地基与基础间增加水平的层或夹层，层与层的接触保持最小的摩擦系数，从竖向上切断地震波从地基向基础的传播就是本发明的思想。 

2、发明内容：

2.1、要解决的技术问题(发明目的) 

地基震动是地震决定的，基础静止不动是惯性定律决定的，这些都是自然规律决定的，不是人为因素决定的。人类对待自然规律只能遵守，不能违背。本发明的目的就是在遵重自然规律的前提下利用水平垫层切断地震水平波从地基向基础的传 递，以保证地震到来时建筑物上部结构的安全静止稳定。 

2.2、解决问题的技术方案要点。 

2.2.1、要解决技术问题的技术方案(发明内容) 

2.2.1.1、发明内容 

为了能够释放地震能量和遵守基础上部结构惯性静止的要求，在地基与基础之间设计一个或者多个水平分离层光滑面，使地震到来时地基与基础间的集中能量可以得到释放并保持建筑物上部结构的静止稳定安全。 

2.2.1.1.1、发明内容 

在置于浅基或深基的地基筏板上设计一个或者多个筏板，在筏板间设计一个或者多个可以水平滑动的夹层或者滑动面。夹层与上下筏板层面结构上要分离，选择夹层或者滑动面的材料要与上下筏板不同，砂石垫层要做好施工缝的光滑处理，夹层或者滑动面的材料要具有滑动性、颗粒不连接性、弹塑性。面和面(夹层与上下筏板层、夹层与滑动板、滑动板与滑动板)的接触是刚揉各异摩阻力最小的两种物质，面要光滑，地基遇到地震水平推力时基础可以水平滑动，以自由释放水平能量。 

水平滑动层或者夹层一般为砂石、胶皮、油毡、有机质、塑料、泡沫、铁皮等。砂石垫层要分层施工，施工层之间要以光滑的平板隔离。混凝土与砂石的摩擦力较大，对与砂石接触的筏板面作以光滑处理或者以光滑板接触。也可做不同材料的光滑板互层，或者筏板间以球状刚性材料支撑周围用砂石充填，发明在于技术思想，不拘形式，最大限度的减小层和层接触面的摩擦系数保持摩擦力最小。 

见说明书附图：图2.2、图3.2. 

2.2.1.1.1.1、水平的层或夹层 

2.2.1.1.1.1.1、砂石垫层 

2.2.1.1.1.1.1.1、天然砂石垫层：天然砂石垫层的材料为天然的石子砂子。选择石子粒径砂石配合比及天然砂石垫层的施工执行现行施工《规范》。 

2.2.1.1.1.1.1.2、人工刚性球形体砂石垫层：小粒径刚性球形体为人工制造的消震石子，刚性球体的材料可为耐风化耐 腐蚀抗压强度较高的的物质例如混凝土等物质，球形体的粒径即直径及砂石与配合比和人工刚性球形体砂石垫层的施工可参照现行施工《规范》， 

2.2.1.1.1.1.1.3、砂石垫层的虚厚≤300mm，施工执行现行有关《规范》。 

2.2.1.1.1.1.1.4、砂石垫层的施工层厚度≤300mm，总垫层厚度是300mm的倍数。 

2.2.1.1.1.1.1.5、砂石垫层的施工层面要光滑，面上要铺设光滑板。水平的层和层、层和面，面和面的接触摩擦力要最小。 

2.2.1.1.1.1.1.6、砂石垫层与筏板的接触面摩擦系数较大，筏板面与砂石垫层面做光滑处理后加光滑板。 

2.2.1.1.1.2、光滑板 

2.2.1.1.1.2.1、从接触关系上可把光滑板分为砂石垫层里的光滑板、与筏板接触的光滑板、与光滑板接触的光滑板三种。 

2.2.1.1.1.2.2、光滑板的材料可分为塑料、胶皮、泡沫、有机质、油毡、铁皮等。 

2.2.1.1.1.2.3、光滑板的主要作用是在结构上将上下层分开。光滑板的材料要上下不同，板面要光滑。 

2.2.1.2、解决问题的技术方案要点 

2.2.1.2.1、浅基础 

2.2.1.2.1.1、筏板基础 

2.2.1.2.1.1.1、对筏板基础底面即地基表层做以击实并做光滑处理，铺设光滑板。 

2.2.1.2.1.1.2、在基底筏板上增做一个或者多个筏板，在筏板间设计一个或者多个与上下筏板材料不同可以水平滑动的夹层或者滑动面。 

2.2.1.2.1.1.3、筏板上下间距及砂石垫层厚度可参照下表 

筏板间距及砂石垫层厚度按照建筑物所处地区的抗震设防烈度和建筑物层数选取。 

                                 表2.2.1.2.1.1.3、 

2.2.1.2.1.1.5、水平夹层或者滑动面接触面施工层面施工见2.2.1.1.1节。国家对此表制定《规范》后以国标《规范》为准。见说明书附图：图2.2。 

2.2.1.2.1.1.6、筏板厚度及基础外放由设计决定。 

2.2.1.2.2.1.2、条形基础 

2.2.1.2.2.1.2.1、在处理过的地基上铺设≥600mm的砂石垫层。 

2.2.1.2.2.1.2.2、对地基表层做以光滑处理。在地基表层 和各施工层铺设光滑板。 

2.2.2.1.2、深基础 

2.2.2.1.2.1、桩筏基础 

2.2.2.1.2.1.1、在桩筏筏板上增做一个或者多个筏板，在筏板间设计一个或者多个可以水平滑动的夹层或者滑动面。 

2.2.2.1.2.1.2、筏板间距及砂石垫层厚度按照建筑物所处地区的抗震设防烈度和建筑物层数选取。 

                                  表2.2.2.1.2.1.2、 

2.2.2.1.2.1.4、水平夹层或者滑动面接触面施工层面施工见2.2.1.1.1节。国家对此表制定《规范》后以国标《规范》为准。见说明书附图：图3.2. 

2.2.2.1.2.1.4、桩基外放、筏板厚度以设计为准。 

2.2.2.1.2.1、桩基础 

2.2.2.1.2.1.1、灰土桩 

2.2.2.1.2.1.1.1、对灰土桩桩顶和基础梁接触面进行光滑处理后夹以光滑板。 

2.2.2.1.2.1.2、混凝土灌注桩 

2.2.2.1.2.1.2.1、对混凝土灌注桩桩顶不做钢筋生根。 

2.2.2.1.2.1.2.2、对混凝土灌注桩桩顶至向下1.0m桩径扩大200mm。 

2.2.2.1.2.1.2.3、对混凝土灌注桩桩顶和基础梁底面接触部位的面做以光滑处理后夹以光滑板接触。也可以上下材料不同的多层光滑刚性板互层。 

2.2.2.1.2.1.3、浅基灰土桩优先 

高层建筑能做浅基的建筑物尽量做浅基。基岩发育的地区，要做浅基。抗震防震不是基础越深越好，应该是越浅越好。 

可以选择灰土桩的建筑场地以灰土桩基础形式方案为首选。 

2.3、有益效果 

2.3.1、自由释放地震能量 

2.3.1.1、由于地基基础从结构上分开后，地震传给地基的水平能量虽然可以自由释放但无力向基础传播；地震发生后建筑物基础以上上部结构遵守惯性定律保持静止稳定。本发明能够尊重科学规律，让地震能量自由释放地基基础间没有能量集中同时可以保持建筑物上部结构的稳定。地震波是脉动式波浪式能量一高一低传播的。地震波到来时对建筑物的影响主要表现为晃动，即使发生了轻微位移，由于地基基础结构分离，对建筑物影响不大。如果地基基础分离时发生了较大位移，说明 了地震波破坏能量很大，如果地基基础是上下一体的，建筑物的状况可以想象。地震能量传不上基础时，位移应该比较小。建筑物整体静止稳定时才能安全，位移是本发明无力避免的。位移遵守了规律，释放了能量，换来了稳定。 

2.3.1.2、本发明使从上部结构抗震变为地基与基础间减震消震和依靠上部结构的刚性抗震来共同防震，从单一的抗震防震转入减震消震和抗震共同防震，从被动的上部摇了抗变为主动的切断地震波让上部结构大体稳定或虽有晃动但对结构影响不大应该是人类抗震技术的重大突破。 

2.3.1.3、本发明用水平的层或夹层切断地震波从地基向基础接触面传播的减震消震是主动的，这一发明将使人类在抗御地震自然灾害问题上迈出了科学有效的一大步。 

2.3.2、工程技术效益 

2.3.2.1、本发明为高层建筑抗震防震之良方。花小钱，办大事。施工方便，科学可行实用有效，抗震防震事半功倍。 

2.3.2.2、本发明可从抗震设计中为建筑设计腾出一点自由空间。由于目前一味从上部结构设防抗震，常常出现结构设计制约建筑物外部体型、室内通风透光及平面布局。本发明首先从地基与基础间减震消震，其次是上部结构抗震；为建筑物平面设计提供了安全自由能量保证。人类给地基一个释方地震能量的自由，地基还给建筑物基础上部结构一个稳定。为上部建筑设计腾出一点自由空间，把上部结构的平面布局做成通风透光，让生命无遮的在宽敞明亮方正舒适中大方自然的接近太阳风流雨水，让住户舒畅，让生命健康，让人民幸福。这是设计工作者的责任意义。也是发明者的长久期盼。 

2.3.3、社会效益 

2.3.3.1、地震的效益首先是生命安全，其所以逃离生命的时间太短，是因为地震波对上部结构的破坏能量太大，晃动太急，这种破坏能量若能如马陷泥潭传能无力时就减轻了地震对建筑物的破坏能量，就为生命逃离争取了时间。 

2.3.3.2、生命安全要以建筑物的安全为前提，地震发生是 偶然的，抗震防震虽然是为了以防万一，但是长期一贯的。不管人类抗御地震的能力怎样，或者怎样设防，我们都希望不要发生地震。但不管是否发生地震，我们都要做好防震抗震工作。使住户的生命从心理上和实际上都能得到安全保证。特别是在今天高层建筑高度大密度集中的时代，预防地震已经显得更加重要。从512大地震可以看出，地震破坏不光是震中附近的建筑物，而且有震中四周波及地区的建筑物。减震消震的发明可以明显减轻地震波对建筑物毁灭性的破坏。社会效益经济、效益不可估量。 

2.4、让地基与基础间接触面的摩擦系数最小 

512地震发生时，尽管灰土桩与基础梁两张皮的减震效果很好，但宝鸡浅基础的高层晃动还很厉害，说明了纸板和重物之间摩擦力还不小或者轻度粘紧。也可能因为地基不是纸板，建筑物不是重物。所以，人类未来努力的方向永远在于尽最大努力的减少地基与基础间的摩擦系数。以达到地基与基础间最大限度减震消震的技术效果。只要从技术上能减轻地基基础间的摩擦系数什么方法什么材料都可使用。 

3、具体实施方式

3.1、此发明的具体实施就是首先将此发明技术进入现行建筑《规范》。 

3.2、在专利保护下落实推广此发明技术，以保证地震发生后人民生命的平安及建筑物的稳定和国家人民财产的安全。 

4、附图说明

图1.1：惯性定律的物理实验：抽动纸板前 

纸板上放着一块可以抽动的杯子或重物。 

图1.2：惯性定律的物理实验：抽动纸板后 

抽动纸板后，纸板上的杯子或重物原地落下。 

图2.1：目前浅基础地基与基础 

目前浅基础地基为天然地基土，地基土上面为基础和基础以上的建筑物上部结构。由于地基与基础接触面未作处理，接触面的摩擦力较大，还因地基与基础直接接触，基础对地震波的反应比较敏感。 

图2.2：浅基础减震发明的地基与基础， 

地基土表层做以击实和光滑处理后，铺设光滑板，上面再做筏板，筏板面作了光滑处理后铺设砂石垫层，砂石垫层的厚度为300mm的倍数，砂石垫层的施工层面做以光滑处理后，铺设光滑板，砂石垫层的上部为基础筏板，砂石垫层与筏板接触面做光滑处理后铺设光滑板。增设筏板和砂石垫层的层数厚度由建筑物所处地区的抗震设防烈度和建筑物层数决定。地震到来时，地基与基础间地震水平波的传播受到了水平的层或夹层的消减，使地震波从下向上如马陷泥潭，传能无力，对上部结构影响不大。 

图3.1：目前深基础的地基与基础 

深基础的桩与周围的地基土桩顶以下都是地基，目前深基础的地基与基础为桩基础顶部生根(地基)与筏板(基础)或基础梁和建筑物上部结构在结构上上下一体。这种地基与基础一体的结构，地震到来时，地震能量无处释放，下面推着上面动。 

图3.2：深基础减震发明的地基与基础 

桩筏结构的桩顶筏板面做以光滑处理后，铺设光滑板，上面铺设砂石垫层，砂石垫层的厚度为300mm的倍数，砂石垫层的施工层面做光滑处理后，铺设光滑板，砂石垫层的上部为基础筏板，接触面做光滑处理后铺设光滑板。增设筏板和砂石垫层的层数厚度由建筑物所处地区的抗震设防烈度和建筑物层数决定。此减震发明的地基与基础间用水平层或夹层将深基础的地基与基础从结构上分开，地震到来时，地震水平波的传播受到了水平的层或夹层的消减，使地震波的能量从下向上无力传播。 

Claims (5)

1.切断地震水平能量向上传播的抗震发明。传统抗震都是通过上部结构和建筑材料进行抗震。本发明采用了地基基础间使用水平的层和夹层结构分离，切断地震波地震能量从地基向基础的传播、消除地震水平推力的主动抗震方案。

2.地基与基础在结构分离。在浅基础或者深基础的地基与基础间设计一个或者多个筏板，在筏板间设计一个或者多个水平分离层光滑面，使地基与基础的接触面结构分离，使地震到来时地基与基础间的水平层或夹层能够切断地震水平波从地基向基础的传播，以保持建筑物上部结构的静止稳定安全。

3.地基基础间水平的层和夹层接触面摩擦系数最小。水平夹层、砂石垫层、光滑板、层与层上下材料不同；施工层分层施工，施工层面要进行光滑处理或夹设光滑板。

4.使建筑物在动中稳定，在尊重自然规律中保持安全。既让地震波传来的水平能量能够自由释放，又让基础底面以上上部结构遵守惯性定律，使建筑物保持静止稳定。

5.人工制造小粒径刚性球形体的消震石子和人工制造刚性球形体砂石垫层的工艺。这种消震方法，不光利用了人工砂石垫层层面的光滑性，同时利用了人工制造刚性球形体石子的滚动性和球形体石子砂石垫层的滑动性、弹塑性、垫层材料接触结构的不连续性。

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