引言

砌体结构是我国农村民居中数量最多的结构形式之一，由于砌体结构抗震性能较差，房屋倒塌是造成人员伤亡和经济损失重要原因之一，因此，开展有关农村民居防震减灾技术方面的研究具有重要意义。

目前，针对砌体结构的防震减灾途径主要有两种:一是加圈梁构造柱、墙体加固等抗震措施;二是采用减隔震技术。目前，减隔震技术比较成熟且在国内外应用广泛。其中，具有代表性的是在基础和上部结构之间设置橡胶隔震支座的基础隔震技术，但该技术造价高，施工工艺复杂，不太适合在农居工程建设中推广应用。

近年来，国内外学者对适用于农村房屋的减隔震技术开展了大量的研究，部分减隔震技术已经应用在农居工程建设中。李立[1]提出在基础上部铺设一定厚度的砂垫层，以形成滑动摩擦的隔震层，并于北京建成了第一栋基础砂垫层隔震房屋。李英民等[2,3]提出了设置沥青-砂垫层隔震层的方法;曹万林等[4,5]提出了设置玻璃丝布板-石墨复合隔震层以及玻璃珠-石墨隔震层的方法;尚守平等[6,7]提出设置沥青-钢筋隔震层的方法等。研究表明，上述方法均可有效减小上部结构的地震反应。Ahmad等[8,9]也对在基础和上部结构之间铺设粗砂的摩擦隔震技术进行了研究，开展了单层砖砌体结构的振动台对比试验，结果表明，这种摩擦隔震技术对上部结构可以减少70%以上的地震能量输入。Shrikhande等[10,11]通过试验研究了不同材料组成的滑移面材料的滑移性能，结果表明，绿色大理石和土工合成材料组成的摩擦滑移面材料适用于摩擦滑移隔震技术。

上述研究成果都是以基础为研究对象，而以地基为研究对象的研究成果相对较少。其中，窦远明等[12]以地基为研究对象，通过室内模型试验对不同密实度、不同厚度、不同基底压力下的砂垫层减振效果进行了初步研究。Tsang等[13,14]提出了以废旧轮胎橡胶-土混合物作为隔震层材料的方法，并对该方法进行了可行性的讨论以及数值模拟计算，得出以橡胶-土混合物作为隔震层可以减少地震动的传播，尤其是对竖向地震动作用下上部结构的减震更显著。岁小溪[15]在砂层中加入废弃橡胶颗粒，混合形成橡胶-砂隔震层，通过小型振动台试验研究了橡胶-砂隔震层的隔震效果。

在上述以地基为研究对象的研究中，尚存在以下不足:1)在这方面缺少大型振动台试验的研究;2)在振动台试验研究中简化上部结构以刚性质量块替代，不能真实反映房屋结构的地震反应，并且没有考虑基础回填土与结构基础之间的相互作用对隔震效果的影响;3)试验土箱采用刚性土箱，通过在箱内壁采用柔性材料来吸收侧边界上的能量，但是，柔性材料设置过柔将会导致土体发生弯曲变形而不是剪切变形，设置太刚则会导致反射波太强[15]。基于此，笔者以地基为研究对象，提出在结构基础的周围回填砂土，考虑基础回填土与结构基础之间的相互作用，通过1/4缩尺比例的砖砌体结构模型开展有无隔震措施的大型振动台对比试验，试验土箱采用课题组自行研制的叠层剪切土箱[16]，对地震作用下地基砂垫层隔震技术的隔震效果进行探讨，并对农村房屋采用地基砂垫层隔震系统可能存在的问题进行分析，为进一步推进地基砂垫层隔震技术在农居工程建设中的应用提供理论依据。

1、试验概况

1.1相似比设计

根据张敏政[17]提出的一致相似率理论，在结构模型相似比设计中，选取长度l、弹性模量E和质量密度ρ为3个基本量。由于振动台尺寸限制，长度相似比为lr=1/4;砌体结构模型的砖墙与原型结构一致，弹性模量相似比为Er=1;考虑振动台承载能力及其他试验条件限制，且模型配重不应影响结构刚度，采用欠人工质量模型计算后的等效质量密度相似比ρr，等效=2，由自重应力相似比σzr，结构=ρr，等效·lrgr可知，此时结构模型自重应力相似比σzr，结构=1/2，无法完全模拟重力效应，但是本次试验主要研究结构模型在未破坏(近似弹性)状态下的地基砂垫层隔震体系的隔震效果，重力效应的影响可以忽略。

振动台试验在常加速度的情况下即gr=1时，由土体重力相似比wr，土=ρr，土grlr3可知，要想完全模拟土体的重力相似条件，土体的质量密度相似比应为1/lr3。当采用缩尺比例时，由于土体材料的特殊性，土体的质量密度相似比条件很难实现，即土体重力相似条件很难满足。本次试验的主要目的是通过结构的地震反应来分析地基砂垫层的隔震效果，故在振动台试验时不考虑土体质量密度的相似关系，结构模型采用欠人工质量模型近似满足结构地震反应的相似规律。结构原型的质量约为80.7t，结构模型的质量约为1.8t，添加的人工质量约为0.7t。推导出结构模型主要物理量的相似关系如表1所示。

表1结构模型相似关系

1.2结构模型

试验所选原型结构为农村地区量大面广的一层砖砌体结构，单进深，双开间，设有圈梁和构造柱，其平面尺寸为7200mm×5700mm，层高为3300mm，外墙厚度为370mm，内墙厚度为240mm。缩尺的试验结构模型平面尺寸(图1)为1800mm×1425mm，层高为825mm，外墙厚度为90mm，内墙厚度为60mm，构造柱截面尺寸为90mm×90mm，圈梁截面尺寸为90mm×50mm。原型结构砖墙材料为烧结普通砖，强度等级为MU10，其尺寸为235mm×115mm×45mm。因本试验为缩尺试验，采用原型砖砌体材料，并对其进行切割以便砌筑模型。切割后结构模型的砖块尺寸为56mm×26mm×21mm。

图1结构模型

1.3地基土模型

无隔震试件和有地基砂垫层隔震系统的隔震试件(以下简称隔震试件)的地基土模型制备都在叠层剪切模型土箱中完成。图2为无隔震试件和隔震试件的地基土模型示意。其中，地基土模型的土层总厚度均为1000mm，结构基础埋深均为200mm。

图2地基土模型

两个试件的地基土模型区别在于有无砂垫层部分。振动台试验开始之前，为了最大程度地保证其他条件一致，两个试件的地基土模型中共有的黏土部分保持不变，具体做法如下:1)采用分层压实法制作1000mm厚的黏土地基，分层夯实，刮毛，每层黏土厚度为200mm;2)对黏土地基进行自由场试验，保证地基土模型的黏土部分趋于密实。对于无隔震试件，在厚度为1000mm的黏土地基中将结构地基梁所在位置的黏土挖出即可。对于隔震试件，在厚度为1000mm的黏土地基的基础上向下开挖出深度为600mm的基槽，之后在基槽内分层铺设400mm厚的砂土形成砂垫层，每层厚度为200mm，最后在结构地基梁的周围回填砂土。

1.4试验材料

无隔震试件置于黏土地基上(图2a)，隔震试件置于黏土和砂土组成的地基上(图2b)。试验中采用的黏土为某施工现场基坑开挖的粉质黏土。砂土选用建材市场上的粗河沙，其中砂土颗粒级配累计曲线见图3。砂土与黏土的基本物理力学参数如表2所示。

图3砂土颗粒级配累计曲线

表2土的基本物理力学参数

1.5传感器布置

为了对比无隔震试件和隔震试件的振动特征，两组试验的加速度传感器、位移传感器以及应变片布置情况保持一致。隔震试件和无隔震试件的加速度及位移传感器布置方案分别如图4a、4b所示。

图4传感器布置

1.6地震波选择及加载制度

试验在中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室完成。原型结构所在的场地类型为Ⅱ类，选择1940年ElCentro波的南北分量对模型(图5)进行水平激励，根据相似关系对持时进行压缩，压缩后的时程曲线和傅里叶谱如图6所示。根据试验内容调整峰值加速度Apg为0.1g、0.2g、0.4g，加载工况如表3所示。

图5试验模型

图6输入地震波的特性

表3加载工况

2、试验现象

在峰值加速度为0.1g的地震波激励下，无隔震试件与隔震试件的上部结构都只是轻微地振动。

在峰值加速度为0.2g的地震波激励下，无隔震试件与隔震试件的上部结构振动程度加剧，表面无裂缝发展。

在峰值加速度为0.4g的地震波激励下，无隔震试件的上部结构振动剧烈，在其门窗、洞口等薄弱部位产生了轻微的裂缝(图7)，基础与地基土之间无明显的相对运动。隔震试件上部结构无可见裂缝，但基础相对地基土有明显的滑移错动，且基础回填的砂土出现了一条裂缝(图8)，裂缝沿地基梁延伸，最大宽度约为4mm。试验后隔震试件结构模型的沉降约为6mm，是由于砂土被震密而产生了永久变形。

图7无隔震试件的砖墙裂缝

图8隔震试件的回填砂土裂缝

在峰值加速度为0.4g的地震波激励下，由于基础与地基土之间的相互作用，上部结构的惯性力对基础附近的回填土产生了挤压作用，这种挤压作用造成了回填砂土的开裂破坏，因而形成了裂缝。低应力状态下砂土相对黏土更容易产生塑性变形，砂土开裂破坏形成了裂缝，而回填黏土未见裂缝产生。结构基础相对于地基土产生相对滑移，一方面由于结构基础克服了砂垫层对基底的摩擦阻力，另一方面由于回填砂土易产生塑性变形，导致回填的砂土与基础之间的相互作用发生改变，表现为回填砂土对结构基础的约束力变小，加重了结构基础与地基土之间的相对运动趋势。

3、试验结果及其分析

3.1结构动力特性

试验开始前及每个工况地震波激励后，对试件进行幅值为0.07g的白噪声激励，获得了上部结构在振动方向上的1阶自振频率，图9为两个试件上部结构的1阶自振频率变化曲线。

图9结构模型的1阶自振频率

从图9中可以看出，无隔震试件上部结构的1阶自振频率在峰值加速度为0.4g的地震波激励之前基本不变，在峰值加速度为0.4g的地震波激励后上部结构的1阶自振频率明显衰减。隔震试件上部结构的自振频率在整个地震动激励过程中基本不变。结合试验现象分析，无隔震试件上部结构在前两个工况地震动激励后，未见裂缝产生，在峰值加速度为0.4g的地震波激励后，上部结构出现了裂缝，结构刚度退化，而隔震试件在整个地震波激励过程中上部结构表面都未见裂缝发展，其1阶自振频率变化情况与未出现裂缝现象相吻合。

3.2结构加速度反应

图10为两个试件楼板处的加速度时程曲线。从图中可以看出，在峰值加速度为0.1g、0.2g、0.4g的地震波激励下，无隔震试件楼板处加速度峰值分别为0.32g、0.65g、1.03g，而隔震试件楼板处加速度峰值分别为0.28g、0.51g、0.68g。可见，随着输入地震波峰值加速度的增大，楼板处的加速度反应也随之增大;隔震试件楼板处加速度反应相比无隔震试件楼板处的小。

图11为楼板加速度反应相对土层底部加速度反应的放大系数β在不同地震波激励下的变化曲线，从图中可以看出，在峰值加速度为0.1g、0.2g、0.4g的地震波激励下，无隔震试件楼板处加速度放大系数分别为2.96、2.64、1.87，而隔震试件楼板处加速度放大系数分别为2.56、2.06、1.21。可见，隔震试件楼板处加速度放大系数相比无隔震试件的分别减小了13%、22%、35%，随着输入地震波的峰值加速度的增大，减小程度也随之增加。结合试验现象分析原因可知，在峰值加速度为0.4g的地震波激励下，隔震试件的结构基础与地基土之间发生相对滑移，且所有加载工况完成后结构模型产生了沉降，说明在峰值加速度为0.1g和0.2g的地震波激励下，加速度放大系数的减小主要是由于砂土发生了塑性变形消耗了部分地震能量，从而减小了结构的加速度反应;在峰值加速度为0.4g的地震波激励下，加速度放大系数的减小一方面是由于砂土的塑性变形消耗地震能量，另一方面是由于结构基础与地基土之间的相对滑移，限制了地震能量向上部结构的传递。

图10楼板处加速度时程曲线

图11加速度放大系数

3.3层间位移反应

图12给出了两个试件的层间位移峰值反应δmax，从图中可以看出，在峰值加速度为0.1g、0.2g、0.4g的地震波激励下，隔震试件的层间位移峰值相比无隔震试件的分别减小了39%、48%、59%，说明相比加速度反应，地基砂垫层隔震对层间位移反应的减小程度更高。

图12层间位移峰值

3.4层间剪力反应

根据结构模型的加速度反应和质量，可以计算出上部结构的层间最大剪力Qmax。两个试件的层间最大剪力反应如图13所示。从图中可以看出，在峰值加速度为0.1g、0.2g、0.4g的地震波激励下，隔震试件的层间最大剪力反应相比无隔震试件的分别减小了12%、19%、34%。随着输入地震波峰值加速度的增大，层间最大剪力增长趋势逐渐变缓，呈非线性的增长趋势，且隔震试件的增长较无隔震试件的程度小。分析原因可知，随着输入地震波峰值加速度的增大，地基土逐渐发生塑性破坏耗散了地震能量，导致结构模型的层间剪力增长变缓，而隔震试件中砂土较无隔震试件中黏土的塑性变形大，在峰值加速度为0.4g的地震波激励下，结构基础与地基土之间发生了相对滑移，减少了地震能量向上部结构的传递。

图13层间最大剪力

4、地基砂垫层隔震系统相关问题的讨论

低成本的隔震技术是降低农村房屋地震灾害的重要途经，地基砂垫层隔震技术作为低成本的隔震技术的一种，其隔震有效性在前述振动台试验研究中已显示。试验往往针对某一科学问题，对很多条件简化考虑，而实际工程中受更多因素影响，尤其是施工质量对隔震技术的功能发挥起着关键的作用。为此，在实际工程应用前，对设置地基砂垫层隔震系统的农村房屋的结构抗震可能存在的问题开展讨论。

4.1地基不均匀沉降

过大的地基不均匀沉降易使上部结构产生开裂与破坏，甚至倾斜。砌体结构的墙体抗拉和抗剪强度较低，对地基不均匀沉降很敏感，而农村房屋的结构形式大都以砌体结构为主。因此，在施工时，砂垫层应采用分层压实法或其他可靠的方法，保证砂垫层的均匀密实，最大程度地减轻地基不均匀沉降。

4.2砂土液化

砂土液化定义为当饱和砂土丧失抗剪强度并且由于孔隙水压力上升导致有效应力降低时的状态。地基砂垫层隔震系统是通过砂垫层替代部分天然土地基，其是否会增加地震期间液化的可能性是值得关注的。有关研究表明造成液化发生的两个重要的因素是砂土的黏结性能和密实度以及振动水平[18]。因此，为了防止砂土产生液化现象，可对砂土进行致密化工作，以降低其孔隙率，从而提高密实度。相关的致密化方法可以参考文献[18]。

5、结论

1)在峰值加速度为0.4g的ElCentro波激励下，隔震试件的基础与地基土之间发生了相对滑移，限制了地震能量向上部结构的传递。提出的回填砂土措施既促进了结构基础与地基土之间的相对滑移，又对上部结构的位移反应起到了较好的限制作用。

2)在峰值加速度为0.1g和0.2g的ElCentro波激励下，地基砂垫层隔震系统主要依靠砂垫层的塑性变形消耗部分地震能量，从而减少了上部结构的地震反应;在峰值加速度为0.4g的ElCentro波激励下，砂垫层隔震系统一方面依靠砂土的塑性变形消耗部分地震能量，另一方面是由于结构基础与地基土之间的相对滑移运动，限制了地震能量向上部结构的传递。

3)对比无隔震试件，隔震试件上部结构的加速度、层间位移、层间剪力被有效减小，且减小程度随地震动强度的增大而增大。在峰值加速度为0.4g的ElCentro波激励下，楼板加速度峰值减小35%，层间位移峰值减小59%，层间最大剪力减小34%。

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