CN115506421B - 一种含限位装置的土工袋减隔震系统 - Google Patents
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- E02D31/08—Protective arrangements for foundations or foundation structures; Ground foundation measures for protecting the soil or the subsoil water, e.g. preventing or counteracting oil pollution against transmission of vibrations or movements in the foundation soil
Abstract
本发明公开了一种含限位装置的土工袋减隔震系统，包括减隔震垫层和限位装置；减隔震垫层铺设在地基土层上，减隔震垫层包括n层土工袋垫层，每层土工袋垫层包括若干个呈阵列排列的土工袋单元体，相邻土工袋垫层的土工袋单元体交错布设；相邻土工袋单元体之间具有预留间隙d；限位装置包括纵筋和箍筋；若干纵筋竖直布设在减隔震垫层外侧的地基土层中；每根纵筋均包括纵筋限位作用段和位于纵筋限位作用段下方的地基土层段；纵筋限位作用段位于减隔震垫层外周，地基土层段插设在地基土层中，该含限位装置的土工袋减隔震系统既能够满足减隔震垫层在多遇地震工况下的减震隔震、阻尼消能功能，同时也能在罕遇地震工况下起到复位和限制滑移量的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种减震隔震技术领域，特别是一种含限位装置的土工袋减隔震系统。
背景技术
地震由于其强度高，影响范围广，可预测性低以及发生频度高等特点，已成为我国最严重的自然灾害之一；同时，我国约79％的国土位于地震烈度6度或6度以上地区，且其中大部分分布在村镇地区。我国村镇地区的房屋结构形式主要为砌体结构，结构抗震性较差，抗震设防措施的缺失使得这些建筑在地震作用下容易发生大面积坍塌，最终引发人员伤亡、经济损失等严重后果。
为了降低建筑的震后破坏程度，目前实际工程通常采用的措施是将橡胶支座等隔震系统设置于上部建筑与基础之间，其主要是通过延长周期、吸收能量等方法阻隔地震波向上部结构的传递。橡胶支座成本较高，施工工艺复杂，局限了此类隔震支座的使用范围，通常被应用于高层或是重要建筑的抗震设计中，然而我国村镇地区中低层建筑占比较大，此类隔震支座难以实现推广应用。此外，另外有少部分应用于村镇中低层房屋的摩擦滑移隔震垫层及装置，但是仍存在震中无法限位、震后难以复位等问题，此类无限位功能的隔震垫层及装置可能会因滑移量过大导致上部结构产生滑移失稳现象。因此，亟需研发一种成本较低、易于施工、耐久性好、适合于农村中低层民居的新型减隔震技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种含限位装置的土工袋减隔震系统，该含限位装置的土工袋减隔震系统既能够满足减隔震垫层在多遇地震工况下的减震隔震、阻尼消能功能，同时也能在罕遇地震工况下起到复位和限制滑移量的功能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种含限位装置的土工袋减隔震系统，包括减隔震垫层和限位装置；减隔震垫层铺设在地基土层上，减隔震垫层包括n层土工袋垫层，每层土工袋垫层包括若干个呈阵列排列的土工袋单元体，相邻土工袋垫层的土工袋单元体交错布设；每个土工袋单元体包括土工编织袋和土工编织袋内的装填材料。
相邻土工袋单元体之间具有预留间隙d，需满足如下要求：
式中：H——每个土工袋单元体的设计高度；
L——每个土工袋单元体的设计长度；
εz——土工袋单元体竖向应变；
η——土工编织袋的实时伸长率。
限位装置包括纵筋和箍筋；若干纵筋竖直布设在减隔震垫层外侧的地基土层中；每根纵筋均包括纵筋限位作用段和位于纵筋限位作用段下方的地基土层段；限位装置内沿长边方向的单侧纵筋数量为m根。
纵筋限位作用段位于减隔震垫层外周，且纵筋限位作用段长度l0需满足如下要求：
地基土层段插设在地基土层中，且地基土层段长度l需满足如下要求：
式中：Qh——土工袋垫层对单根纵筋产生的水平地震惯性力；
K——地基土层的水平反力系数，为已知常量；
δ——纵筋在地基土层表面的允许水平位移量，为已知常量，且δ≤0.01m；
D1——每根纵筋的设计直径；
f2,y——箍筋抗拉强度设计值；
A2,s——箍筋设计截面面积。
箍筋等间距布设且水平安装在所有纵筋限位作用段上，且箍筋的层数不少于土工袋垫层的层数，相邻层箍筋之间的间距不大于土工袋单元体的高度。
优选地，纵筋和箍筋满足以下公式：
其中：
Th＝mP/2 (4-6)
式中：Hu,max——纵筋在地基土层段的极限水平承载力；
Mmax——纵筋产生的最大弯矩；
Th——箍筋产生的最大拉力；
f1,x——纵筋抗剪强度设计值；
A1,s——纵筋设计截面面积；
γ——纵筋截面塑性发展系数；
W——纵筋截面对自身形心轴的净截面模量；
f——纵筋产生最大弯矩的深度；
P——限位装置与土工袋垫层接触并发生变形后箍筋产生的侧向约束力。
优选地，εz的计算公式如下：
εz＝σ1f/Es (5)
式中：σ1f——施工完成后房屋结构及基础对基底产生的竖向应力，为已知常量；
Es——土工袋单元体的压缩模量，为已知常量。
优选地，土工编织袋伸长率η的计算公式如下：
其中：
式中：S0——土工编织袋的初始拉伸模量，为已知常量；
k1——土工编织袋在受拉过程中的模量衰减系数，为已知常量；
T——变形过程中土工编织袋产生的张力；
c——土工编织袋内装填材料黏聚力，为已知常数；
Kp——土工编织袋内装填材料的被动土压力系数；
φ——土工编织袋内装填材料内摩擦角，为已知常数。
优选地，土工袋垫层对单根纵筋产生的水平地震惯性力Qh的计算公式如下：
Qh＝αG/m' (7)
式中：α——地震工况下结构基本自振周期的水平地震影响系数值，为已知常量；
G——作用于土工袋单元体上的结构等效总重力荷载，为已知常量；
m'——土工袋单元体单侧所受约束的纵筋数量。
优选地，土工袋单元体的长宽比为1：1。
优选地，箍筋通过扎丝绑扎在若干纵筋外侧。
优选地，纵筋布置间距不大于土工袋单元体的长度；箍筋的层数不少于土工袋垫层的层数，相邻层箍筋的间距不大于土工袋单元体的高度。
优选地，土工编织袋单位面积质量不小于150g/m2，经向及纬向拉伸强度不小于28kN/m，伸长率不超过20％；袋内装填材料为砂、粒径不大于10mm的碎石或建筑废料。
优选地，纵筋与减隔震垫层之间有预留间距，预留间距为20mm～50mm。
本发明具有如下有益效果：
(1)土工袋单元体体型优化为方形土工袋，便于设计阶段确定土工袋及袋内材料用量，有利于本技术的推广应用。
(2)提出在施工阶段土工袋单元体间距的计算公式，能够确保施工完成后仍能够保留一定的袋间距，能够有效阻隔部分地震波的传递。
(3)限位装置的使用在不影响土工袋垫层滑移减隔震作用的前提下，为土工袋垫层提供了约束力，能够减小土工袋垫层在地震工况下的最大层间滑移量，保证结构的稳定性及耐久性。
(4)优化后的土工袋铺设范围仅处于条形基础圈梁或柱下独立基础设计所在区域，能够大大减少土工袋及袋内装填材料的用量，含限位装置的土工袋减隔震系统施工简单易行且经济有效，能够确保村镇地区非专业施工队伍可以顺利开展施工作业。
附图说明
图1是本发明一种含限位装置的土工袋减隔震系统用于某条形基础民居工程的结构示意图。
图2为本发明实施例1的结构主视图。
图3为本发明实施例1的横剖视图。
图4为本发明实施例1的纵剖视图。
图5为本发明实施例2的结构主视图。
图6为本发明实施例2的横剖视图。
图7为土工袋单元体理论极限抗压强度随长宽比L/B的变化图。
图8为土工袋单元体理论极限抗压强度随长高比L/H变化图。
图9为张力随伸长率的变化图。
图10为拉伸模量随伸长率的变化图。
图11为限位装置纵筋受力分析图。
其中有：1.土工袋单元体；2.纵筋；3.箍筋；4.扎丝；5.隔离层；6.缓冲层；7.混凝土垫层；8.条形基础圈梁；9.回填土；10.地坪；11.独立式基础。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
一种含限位装置的土工袋减隔震系统，包括减隔震垫层和限位装置；减隔震垫层铺设在地基土层上，减隔震垫层包括n层土工袋垫层，每层土工袋垫层包括若干个呈阵列排列的土工袋单元体1，相邻土工袋垫层的土工袋单元体1交错布设。
土工袋单元体1尺寸由土工袋理论强度值决定，土工袋单元体1包括土工编织袋和袋内装填材料；土工袋的加筋机理主要是通过土工编织袋受到竖向应力后发生拉伸变形，对袋内装填材料产生约束作用，等同于给袋内装填材料增加了一个附加粘聚力，最终实现提高加固位置的极限抗压强度以及承载力的目的。根据此加固机理提出的三维应力状态下的土工袋单元体1强度理论计算公式如下：
其中：
式中：σ1f——施工完成后房屋结构及基础对基底产生的竖向应力(kPa)，为已知常量。
σ3f——土工袋单元体受到的侧向外部应力，σ3f＝0。
H——每个土工袋单元体的设计高度(m)；
L——每个土工袋单元体的设计长度(m)；
B——每个土工袋单元体的设计宽度(m)；
Kp——土工编织袋内装填材料的被动土压力系数；
T——变形过程中土工编织袋产生的张力(kN/m)；
c——土工编织袋内装填材料黏聚力(kPa)，为已知常量可测；
φ——土工编织袋内装填材料内摩擦角(°)，为已知常量可测；
ca——袋体产生的附加粘聚力(kPa)；
cT——土工袋整体的等效粘聚力(kPa)。
基于式(1-1)、(1-2)能够计算得到不同尺寸条件下土工袋的理论强度值。由式(1-1)、(1-2)可知，土工袋的极限强度受到袋体抗拉强度、袋内材料力学参数以及袋体尺寸的影响，且土工袋单元体1的体积越小，其极限抗压强度越大，此处以袋内装填某天然河砂为例，通过控制土工袋单元体1的体积并调整土工袋单元体1的长宽比以及长高比计算不同尺寸条件下土工袋单元体1的理论极限抗压强度，其中相关物理量取值见表1。
表1 相关计算参数
| 物理量 | 取值 |
| 土工袋单元体体积/m3 | 0.016 |
| 袋体断裂(拉伸)强度/kN/m | 20 |
| 袋内装填材料内摩擦角φ/° | 38 |
| 袋内装填材料黏聚力c/kPa | 0 |
土工袋单元体1的极限抗压强度随其长宽比L/B的变化如图7所示。可以发现，极限抗压强度随着长宽比的增大缓慢减小，土工袋的长宽尺寸越接近，袋体的极限抗压强度越大，即袋体的承载能力越好；同时考虑到实际工程中环境振动尤其是水平地震惯性力的方向存在随机性，需要尽可能地减小减隔震垫层的各向异性，因此采用长宽比L/B为1进行土工袋单元体1的体型设计，更适合于将其在基础减隔震方面进行推广应用。对长宽比为1：1的土工袋单元体1，其极限抗压强度随长高比L/H的变化如图8所示。可以发现，袋体的极限抗压强度与长高比呈正相关，也就是说，对于相同厚度的土工袋垫层，铺设的土工袋层数越多，其承载能力越好。总的来说，在进行土工袋体型参数设计时，优先考虑采用长宽一致(L/B＝1)的方形土工袋，而土工袋单元体1的实际尺寸选取则需要综合考虑建筑结构基础的承载要求、当地的抗震设防烈度、场地条件、地基基础情况、施工条件等因素，进行技术、经济和使用条件等综合分析。通常情况下，考虑人工搬运方便，建议采用40cm×40cm×10cm的土工袋单元体1(L：B：H＝4：4：1)，土工袋垫层的层数建议为2～4层；为满足土工袋单元体1作为刚性基础下部垫层的承载力及变形要求，土工袋单元体1选用的土工编织袋单位面积质量不小于150g/m2，经向及纬向拉伸强度不小于28kN/m，土工编织袋伸长率不超过20％。土工袋单元体1选用的土工编织袋添加抗老化剂，保证其在无紫外线辐射情况下使用寿命达到50年以上。袋内装填材料选用砂、粒径不大于10mm的碎石或其他建筑废料。
土工袋单元体1之间具有预留间距d，保证通过预留的空隙产生阻隔地震波传递的效果，考虑到通过施工过程中在减隔震垫层各土工袋单元体1间预留空隙能够实现阻隔地震波传递的作用，对于土工袋单元体1在施工过程中的预留间距需要进行设计计算，保证在上部结构产生的静荷载以及其他动荷载作用下产生的侧向变形量小于预留的施工间距，使得土工袋减隔震垫层在最大荷载作用下仍然具有较好的隔震能力。
侧向变形量计算如下：
首先计算土工袋竖向变形量，现场使用的土工袋在铺设时会采用小型振动碾进行碾压，能够基本消除土工袋在竖向应力-竖向应变曲线中模量较小的初始阶段，在上部结构施工过程中产生的自重荷载以及结构可能受到的动荷载作用下，土工袋竖向应力与竖向应变呈线性关系，土工袋单元体竖向应变计算如下：
εz＝σ1f/Es (5)
式中：εz——土工袋单元体竖向应变；
Es——土工袋单元体的压缩模量(kPa)，为已知常量，通常取袋内装填材料弹性模量的0.1倍。
其次计算变形过程中土工编织袋产生的张力T，考虑到土工袋作为减隔震垫层使用时，需要尽可能减小其整体的各向异性，在进行土工袋单元体1体型设计时，通常将土工袋的长宽设计为相同尺寸，即L＝B；同时根据式(1-1)、(1-2)给出的三维应力状态下的土工袋强度理论计算公式，能够得到某一上部荷载作用下土工编织袋产生的张力T：
根据室内循环剪切试验结果发现，袋内装填无粘性土的土工袋阻尼消能效果相对更好，因此袋内装填材料一般建议采用砂或是粒径较小的碎石或建筑废料等，相应的袋内材料内粘聚力c＝0kPa，简化后得到某一上部荷载作用下土工编织袋产生的张力T：
计算袋体伸长量：
通过对土工编织袋开展室内拉伸试验，可以得到土工编织袋单位宽度经、纬向张力以及拉伸模量随伸长率的变化关系，如图9和图10所示(以土工编织袋经向试验结果为例)。由图10可见，编织袋的拉伸模量与伸长率基本呈线性相关，编织袋拉伸模量S能够表示为：
S＝S0-k1η (1-4)
故土工编织袋产生的张力与其伸长率之间能够通过多项式构建关系：
式中：S0——土工编织袋的初始拉伸模量，为已知常量可测；
k1——土工编织袋在受拉过程中的模量衰减系数，为已知常量可测；
η——土工编织袋的实时伸长率。
那么伸长率能够通过张力构建相关表达式，表示为：
土工编织袋的袋体沿长度及高度方向的初始周长为(2L+2H)，将式(1-3)、(6)联立能够求得土工袋在某一竖向荷载作用下产生的袋体伸长量ξ：
ξ＝(2L+2H)η (1-6)
相应地土工袋沿长度及高度方向的实时周长为(2L+2H+ξ)。
计算侧向变形量：
通过室内试验测得的袋内装填材料弹性模量能够计算得到土工袋单元体1的压缩模量，根据式(5)能够预测得到土工袋单元体竖向应变εz，由此可以得到土工袋变形后的实时高度H’：
H'＝H-Hεz＝H(1-εz) (1-8)
土工袋单元体1在受压后的长度L'则可以表示为：
侧向变形量ΔL则可以表示为：
土工袋单元体1受到外部竖向应力作用后产生的侧向变形量会减小土工袋间距d，受到竖向荷载作用下的土工袋实时间距d’减小为：
为了保证土工袋减隔震垫层地震动荷载作用下仍能够保留部分袋间空隙以发挥其阻隔地震波传递的作用，要求：
同时考虑到土工袋铺设过程中需要使用小型振动碾进行各层表面的碾压整平，会导致土工袋单元体1产生附加的侧向变形量，因此设计时建议将施工间距适当扩大。实际工程中小型振动碾在碾压过程中对土工袋单元体1产生的上部应力基本处于压缩模量增长阶段，此阶段产生的竖向变形近似为土工袋单元体1设计高度的5％～10％，因此建议设计的施工间距在保留上部结构施工完成后产生的侧向变形量的基础上，同时考虑土工袋单元体1铺设阶段产生的侧向变形量，即袋间预留间距d要求：
限位装置包括纵筋2和箍筋3。
若干纵筋2竖直布设在减隔震垫层外侧的地基土层中，优选地，纵筋2为等间距布设；纵筋2与减隔震垫层间需要保留20mm～50mm的预留间距，优选为30mm，具体可根据当地的抗震设防烈度以及上部结构形式与层数确定；纵筋2布置间距不大于土工袋单元体1的长度。优选地，纵筋2为螺纹钢筋，螺纹钢筋为HRB400等级。每根纵筋2均包括纵筋限位作用段和位于纵筋限位作用段下方的地基土层段。限位装置内沿长边方向的单侧纵筋数量为m根，土工袋单元体单侧受m'根纵筋约束。
纵筋限位作用段位于减隔震垫层外周，且纵筋限位作用段长度l0需满足如下要求：
式中：n——土工袋铺设层数；
l0——纵筋限位作用段长度(m)。
为了保证限位装置在水平地震惯性力作用下能够具有较好的限位功能，要求限位装置在与土工袋垫层接触时不产生过大的变形(通过提高限位装置各层箍筋3的抗拉强度、纵筋2的抗剪、抗弯强度以及钢筋的设计截面积实现)。考虑到纵筋2埋设深度较小，且纵筋2的抗弯刚度远超过浅层地基刚度，即纵筋2的相对刚度较大，纵筋2沿深度方向的变形可以视为其在水平力作用下围绕纵轴某点发生转动，其产生的水平承载力主要由纵筋2埋入段的侧土强度控制。因此对水平荷载作用下的限位装置进行变形计算可以参考水平荷载作用下(箍筋3产生的约束力以及袋体与纵筋2接触时产生的水平地震惯性力)的单桩变形计算方法，通过对土的极限静力平衡求解纵筋2的水平承载力。
由于地基土层通常为人工压实的黏土层，且限位装置的埋设深度相对较小，假定埋设深度范围内的地基土层的水平反力系数K为常数，则限位装置纵筋2的整体受力情况如图11所示(此处以3层土工袋垫层为例)。纵筋的地基土层段受到的侧向抗力可以简化为沿深度方向的常数(转动点上下的水平地基反力方向相反)，对限位装置的纵筋2进行受力分析，假定转动点距离纵筋2底部的距离为x，水平方向平衡方程为：
Qh＝αG/m' (7)
σp＝Kδ (2-1)
式中：Qh——土工袋垫层对单根纵筋产生的水平地震惯性力(kN)；
α——地震工况下结构基本自振周期的水平地震影响系数，按表2确定；
G——作用于土工袋单元体上的结构等效总重力荷载(kN)；
m'——土工袋单元体单侧所受约束的纵筋数量；
P——限位装置与土工袋垫层接触并发生变形后箍筋产生的侧向约束力(kN)；
σp——纵筋在地基土层受到的侧向压应力(kPa)；
K——地基土层的水平反力系数(kN/m3)，为已知常量；
δ——纵筋在地基土层表面的允许水平位移量，为已知常量，且δ≤0.01m
l——纵筋的地基土层段长度(m)；
D1——每根纵筋的设计直径(m)。
表2 水平地震影响系数
| 地震影响 | 6度 | 7度 | 8度 | 9度 |
| 多遇地震 | 0.04 | 0.08(0.12) | 0.16(0.24) | 0.32 |
| 罕遇地震 | 0.28 | 0.50(0.72) | 0.90(1.20) | 1.40 |
假定纵筋产生最大弯矩的深度为f，此深度处产生的剪力为零，即：
Qh-nP-σpD1f＝0 (3-2)
由此可得：
由式(3-1)的平衡条件可求得箍筋3产生的约束力P为：
纵筋2在地基土层段的极限水平承载力Hu,max：
纵筋2产生的最大弯矩Mmax：
纵筋地基土层段长度l需满足如下要求：
式中：m——限位装置内沿长边方向的单侧纵筋数量；
f2,y——箍筋抗拉强度设计值(kPa)；
A2,s——箍筋设计截面面积(m2)。
箍筋3等间距布设水平安装在所有纵筋限位作用段上，箍筋3优选为HRB335等级圆钢。优选地，箍筋3通过扎丝4绑扎在若干纵筋2外侧，以保证土工袋垫层在产生较大滑移量时，纵筋2和箍筋3能够共同作用约束土工袋垫层的进一步滑移。箍筋3的层数不少于土工袋垫层的层数，相邻层箍筋3之间的间距不大于土工袋单元体1的高度；优选地，箍筋3层数与土工袋垫层层数相等，且分别布置于各层土工袋1/2高度处。完成此限位装置的安装后进行刚性基础的浇筑，覆盖回填土9，最后浇筑室内地坪10。
同时，需要对纵筋2以及箍筋3进行强度验算，总体需满足以下要求：(1)在地震惯性力作用下，限位装置纵筋2地基土层段受到的剪切应力能够小于选用纵筋2的抗剪强度设计值；(2)在地震惯性力作用下，限位装置纵筋2产生的最大弯曲应力小于选用纵筋2的抗弯强度设计值；(3)在地震惯性力作用下，限位装置与土工袋垫层接触发生变形后，箍筋3产生的最大拉应力小于箍筋3的抗拉强度设计值。
纵筋2和箍筋3的设计截面面积以及强度满足以下公式：
其中：
Th＝mP/2 (4-6)
式中：Th——箍筋产生的最大拉力(kN)；
f1,x——纵筋抗剪(弯)强度设计值(kPa)；
A1,s——纵筋设计截面面积(m2)；
γ——纵筋截面塑性发展系数，圆形截面取γ＝1.2；
W——纵筋截面对自身形心轴的净截面模量(m3)。
考虑到限位装置与土工袋垫层间的预留间距直接影响了土工袋垫层在强震作用下产生的自由滑移量，并会对滑移阶段土工袋垫层的滞回耗能能力产生一定的影响。因此，需要根据建筑所在地的抗震设防烈度以及建筑高度(层数)来调整土工袋垫层与钢筋限位装置之间的预留间距，使得土工袋在发挥较好的减隔震作用的同时，不产生过大的滑移变形导致其结构发生永久性破坏，保证土工袋减隔震垫层的使用寿命。
为了解不同预留间距条件下减隔震垫层在钢筋限位装置作用下的动力特性变化情况，开展了一系列不同自由滑移量条件下(0cm，2.5cm，5cm)减隔震垫层的循环剪切试验，并给出了不同自由滑移量(即限位装置预留间距)条件下减隔震垫层的等效阻尼比以及钢筋限位装置的滑移控制率，如表3所示，其中，钢筋限位装置的滑移控制率为试验过程中产生的最大滑移量与减隔震垫层在自由滑移工况下产生的最大滑移量的比值。由表3可以分析得到，随着自由滑移量的增加，钢筋限位装置的滑移控制率逐渐减小，而减隔震垫层的等效阻尼比则有所增大。此外，比较不同竖向应力作用下相同自由滑移量条件下的钢筋限位装置的滑移控制率，可以发现，随着竖向应力的增大，钢筋限位装置的滑移控制率逐渐减小，这是由于减隔震垫层在滑移状态下对应的剪切力随着竖向应力的增大而逐渐增大，在相同剪切幅值条件下，竖向应力小的工况其钢筋限位装置提供的约束力较小，那么纵筋2因约束力反力作用产生的剪切力以及箍筋3受到的拉力也相对较小，因此钢筋限位装置产生的变形量随着竖向应力的增大而逐渐增大，滑移控制率则逐渐减小。
表3 等效阻尼比以及限位装置控制率随自由滑移量的变化
因此，实际工程应用时，在土工袋减隔震垫层的最大滑移量范围内，需要选择合适型号的纵筋2以及箍筋3制成钢筋限位装置，选择的自由滑移量(限位装置预留间距)必须小于不同抗震设防烈度下土工袋垫层的最大滑移量(建议范围为20mm～50mm)，以确保土工袋垫层在自由滑移量范围内产生足够的耗能，同时在强震作用下不会产生过大的层间滑移量使得土工袋减隔震垫层以及限位装置发生破坏。
本发明的减隔震原理是：在多遇地震条件下，地震波由场地传播至结构前，首先经过土工袋减隔震垫层，土工袋受到地震惯性力作用后发生整体的剪切变形，袋子伸缩耗散部分能量以及袋内装填材料发生剪切变形导致土颗粒间产生摩擦耗能，交错排列形式和袋间预留间距能够保证土工袋沿高度方向能够在各层有效阻隔部分地震波的传递；而在罕遇地震条件下，土工袋受到足够大的地震惯性力后发生层间滑移，从而产生了摩擦耗能，能够有效减小上部结构的动力响应，并且限位装置在罕遇地震作用下具备一定的复位能力同时能够限制土工袋垫层的最大层间滑移量，以保证结构的整体稳定性。
使用此限位装置的减隔震垫层能够保证上部结构在小震作用下，土工袋垫层之间无相对滑动，同时也能够通过减隔震垫层减弱自下部土层传入上部结构的地震波能量；在大震作用下，土工袋垫层之间发生滑动，具有滑移隔震的效果，此限位装置能够有效限制土工袋垫层的最大层间滑移量，保证减隔震垫层以及上部结构在震后处于限定范围内，满足房屋正常使用功能的要求。
含限位装置的土工袋减隔震系统的施工方法，包括以下步骤：
步骤1：在根据建筑上部荷载设计要求开挖基坑深度的基础上继续开挖一定深度，并将基坑面夯实整平。
步骤2：采用现场建筑用砂、粒径不大于10mm的碎石或建筑废料进行装袋。
步骤3：于基础圈梁或是柱下独立基础设计所在区域铺设第一层土工袋单元体1，各土工袋单元体1间预留间距，铺设完成后采用小型碾压机械对土工袋单元体1进行碾压整平，以保证土工袋垫层的整体平整度，碾压后土工袋单元体1高度控制在编织袋高度±0.5cm范围内。
步骤4：铺设上层土工袋单元体1，按步骤2进行十字交错型铺设。
步骤5：进行限位装置安装，以构造柱所在位置为基准，相邻构造柱间的土工袋单元体1作为一个减隔震垫层，在距离减隔震垫层外缘按一定间距布置沿四周布置一圈纵筋2，纵筋2与减隔震垫层间保留一定距离，将纵筋2打入夯实的地基土中，保留部分限位长度以限制各层土工袋的滑移量。
步骤6：沿减隔震垫层高度方向于各层1/2高度处在纵筋2外侧布置箍筋3。
步骤7：纵筋2与箍筋3交叉处均采用扎丝4进行绑扎。
步骤8：重复步骤5至7，完成所有减隔震垫层的限位装置安装。
步骤9：在基坑侧壁与限位框之间布置缓冲层6。
步骤10：在限位土工袋垫层上部铺设隔离层5，所述隔离层5采用与土工袋垫层相同材料的土工编织布，能够防止上部基础浇筑时混凝土泥浆渗漏至限位土工袋减隔震垫层。
实施例1，本实施例以应用于墙下条形基础为例，如图2-4所示，包括减隔震垫层、隔离层5、缓冲层6、混凝土垫层7以及条形基础圈梁8。其中减隔震垫层包括土工袋单元体1和限位装置，限位装置包括纵筋2、箍筋3、扎丝4。所述减隔震垫层布置于混凝土垫层7与地基土层之间，减隔震垫层外缘布置限位装置，减隔震垫层与混凝土垫层7之间布置隔离层5。施工过程中，首先在设计基坑深度基础上向下继续开挖0.3m，按十字交错排列方式铺设3层40cm×40cm×10cm方形土工袋单元体1，各单元体间预留20mm的间距，各层铺设完成后采用小型碾压机械压实整平，完成减隔震垫层的铺设后，以结构柱设计所在位置为标准，将土工袋垫层分为多个组合体，安装限位装置，在各减隔震垫层外缘埋设HRB400等级直径为12mm的纵筋2，相邻纵筋2布置间距为200mm，并且纵筋2与土工袋间预留30mm间距，于纵筋2外侧布置HRB335等级直径为6mm的箍筋3，箍筋3沿高度方向于各层土工袋1/2高度处布置，并在纵筋2与箍筋3交叉处使用扎丝4进行捆绑固定，然后在土工袋顶层布置隔离层5，于隔离层5上部浇筑混凝土垫层7，随后进行条形基础圈梁8的砌筑，并于基坑内覆盖回填土9，最后浇筑室内地坪10。
实施例2，本实施例以应用于独立式基础11为例，如图5、6所示，本实施例的限位土工袋减隔震垫层基本结构以及施工方法与实施例1相同。受到结构基础形式的影响，本实施例中的限位土工袋减隔震垫层仅布置于基础下部，并且铺设数量根据基础设计面积确定。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种含限位装置的土工袋减隔震系统，其特征在于：包括减隔震垫层和限位装置；
减隔震垫层铺设在地基土层上，减隔震垫层包括n层土工袋垫层，每层土工袋垫层包括若干个呈阵列排列的土工袋单元体，相邻土工袋垫层的土工袋单元体交错布设；每个土工袋单元体包括土工编织袋和土工编织袋内的装填材料；
相邻土工袋单元体之间具有预留间隙d，需满足如下要求：
式中：H——每个土工袋单元体的设计高度；
L——每个土工袋单元体的设计长度；
εz——土工袋单元体竖向应变；
η——土工编织袋的实时伸长率；
限位装置包括纵筋和箍筋；
若干纵筋竖直布设在减隔震垫层外侧的地基土层中；每根纵筋均包括纵筋限位作用段和位于纵筋限位作用段下方的地基土层段；
限位装置内沿长边方向的单侧纵筋数量为m根；
纵筋限位作用段位于减隔震垫层外周，且纵筋限位作用段长度l0需满足如下要求：
地基土层段插设在地基土层中，且地基土层段长度l需满足如下要求：
式中：Qh——土工袋垫层对单根纵筋产生的水平地震惯性力；
K——地基土层的水平反力系数，为已知常量；
δ——纵筋在地基土层表面的允许水平位移量，为已知常量，且δ≤0.01m；
D1——每根纵筋的设计直径；
f2,y——箍筋抗拉强度设计值；
A2,s——箍筋设计截面面积；
箍筋等间距布设且水平安装在所有纵筋限位作用段上，且箍筋的层数不少于土工袋垫层的层数，相邻层箍筋之间的间距不大于土工袋单元体的高度；
εz的计算公式如下：
εz＝σ1f/Es (5)
式中：σ1f——施工完成后房屋结构及基础对基底产生的竖向应力，为已知常量；
Es——土工袋单元体的压缩模量，为已知常量；
土工编织袋伸长率η的计算公式如下：
其中：
式中：S0——土工编织袋的初始拉伸模量，为已知常量；
k1——土工编织袋在受拉过程中的模量衰减系数，为已知常量；
T——变形过程中土工编织袋产生的张力；
c——土工编织袋内装填材料黏聚力，为已知常数；
Kp——土工编织袋内装填材料的被动土压力系数；
φ——土工编织袋内装填材料内摩擦角，为已知常数；
土工袋垫层对单根纵筋产生的水平地震惯性力Qh的计算公式如下：
Qh＝αG/m' (7)
式中：α——地震工况下结构基本自振周期的水平地震影响系数值，为已知常量；
G——作用于土工袋单元体上的结构等效总重力荷载，为已知常量；
m'——土工袋单元体单侧所受约束的纵筋数量。
2.根据权利要求1所述的含限位装置的土工袋减隔震系统，其特征在于：所述纵筋和箍筋满足以下公式：
其中：
Th＝mP/2 (4-6)
式中：Hu,max——纵筋在地基土层段的极限水平承载力；
Mmax——纵筋产生的最大弯矩；
Th——箍筋产生的最大拉力；
f1,x——纵筋抗剪强度设计值；
A1,s——纵筋设计截面面积；
γ——纵筋截面塑性发展系数；
W——纵筋截面对自身形心轴的净截面模量；
f——纵筋产生最大弯矩的深度；
P——限位装置与土工袋垫层接触并发生变形后箍筋产生的侧向约束力。
3.根据权利要求1所述的含限位装置的土工袋减隔震系统，其特征在于：土工袋单元体的长宽比为1：1。
4.根据权利要求1所述的含限位装置的土工袋减隔震系统，其特征在于：所述箍筋通过扎丝绑扎在若干纵筋外侧。
5.根据权利要求1所述的含限位装置的土工袋减隔震系统，其特征在于：所述纵筋布置间距不大于土工袋单元体的长度；箍筋的层数不少于土工袋垫层的层数，相邻层箍筋的间距不大于土工袋单元体的高度。
6.根据权利要求1所述的含限位装置的土工袋减隔震系统，其特征在于：所述土工编织袋单位面积质量不小于150g/m2，经向及纬向拉伸强度不小于28kN/m，伸长率不超过20％；袋内装填材料为砂、粒径不大于10mm的碎石或建筑废料。
7.根据权利要求1所述的含限位装置的土工袋减隔震系统，其特征在于：所述纵筋与减隔震垫层之间有预留间距，预留间距为20mm～50mm。
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