复合地基不同褥垫层厚度的减震效应研究
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[摘要] 在地震情况下，复合地基通过褥垫层向上部结构传播地震能量，传播过程中，褥垫层吸收大量地震能量，从而减小上部结构对地震的响应。本文通过采用ANSYS进行动力特性分析，比较了褥垫层厚度分别在0.2m、0.4m、0.6m条件下的减震效应，分析了各厚度条件下上部结构顶层（60节点）的加速度和位移，上部结构顶层、中间层和底层的位移及褥垫层底部1300节点和基础底部180节点的加速度，研究结果表明，褥垫层厚度越厚，减震效果越好，且褥垫层厚度在0.4-0.6m时减震效果最明显。
关键词：褥垫层；减震；加速度；位移
中图分类号：U213文献标识码： A
1．前言
复合地基褥垫层是指在结构刚性基础和复合地基之间的散体垫层。一般采用300～500mm厚的碎石沙粒为材料敷设并压实而成。研究表明,褥垫层是桩体复合地基形成的必要条件，如果没有褥垫层，桩间土不能充分发挥其承载能力，也就无法形成桩体复合地基。当承担竖直方向荷载时，它可以调节上部荷载传递的均匀性，并协调各桩之间共同承担荷载；在承担，水平荷载时，它可以使水平荷载在摩擦面上分布均匀，改变刚性基础与地基之间的摩擦力大小等作用[1]。
在地震过程中，建筑的上部结构可视为整体，相对抗剪刚度较小的褥垫层充当耗能层，从而使得地震衰弱，地震惯性力可以得到一定的控制，从而达到减震的目的。复合地基设置的垫层，在水平地震作用下上部结构通过褥垫层中的颗粒间重排、内部剪切变形的方式消耗地震能量；复合地基的桩与上部结构通过褥垫层连接，桩和上部结构的刚度相对褥垫层较大，为此，褥垫层的振动效应最大，而上部结构振动效应降低；在承担竖向荷载时，褥垫层可以保证上部荷载传递的均匀性，并保证桩与桩间土两者共同承担荷载；在承担水平地震荷载时，褥垫层可以保证荷载在摩擦面上的分布均匀，改变刚性基础与地基之间的摩擦力。
2 褥垫层的减震机理
在水平力的作用下，剪切面发生在抗剪强度最小的滑面上[2]。由于桩与桩间土的复合抗剪强度远大于褥垫层的抗剪强度，所以在水平地震力的作用下，滑动面只能产生在褥垫层表
面或褥垫层中。剪切力只是依靠褥垫层的抗剪能力传递到桩头部分剪力，因此桩头的弯矩比桩基的要小，同时桩头位移也较小。实验证明[3]，在垂直荷载的作用下，由于褥垫层的存在，当基础承受水平荷载时，褥垫层厚度大于100mm时，使桩收到的力较小。当桩头侧移时，桩
作者简介：黄海清（1963-），男（汉族），江西省宜春人，助理工程师，E-mail： 手机：18970842594
前面的土体产生的被动土压力较小，桩几乎不产生塑性变形而保证桩同承担荷载。地震水平加速度依靠垫层与基础之间的摩擦力来传递，消耗震动能量，使结构在大震中不倒。地震上部结构的最大基底剪力是垫层与基础之间的极限摩擦力[4]。
研究复合地基褥垫层厚度改变对上部结构反应的地震时程规律时，应该把其他变量均设为定值以保证褥垫层厚度为唯一变量。因此我们把褥垫层的弹性模量定为100MPa，且为刚性桩，地震波取天津波，考虑到实际情况，我们将褥垫层厚度分别取0.2m，0.4m，0.6m，0.8m。在研究中主要对顶层60节点的加速度和位移进行分析，对比顶层、中间层和底层的位移、垫层地步1300节点和基础地步180节点的加速度等进行分析，进而得出规律性的总结。
3.1.1 不同垫层厚度对上部结构顶层位移的影响
图3-1为不同褥垫层厚度在顶层（60节点）的位移值，从图中可以看出，不同的褥垫层厚度对上层结构的减震效果不同。褥垫层厚度为0.2m、0.4m、0.6m、0.8m时分别对应的上部结构顶层位移最大幅值为0.0752m、0.0713m、0.0642m、0.0617m，褥垫层厚度为0.4m时位移最大幅值比褥垫层厚度为0.2m时减小0.0039m，减小幅度为5.2%；褥垫层厚度为0.6m时位移最大幅值比褥垫层厚度为0.4m时减小0.0071m，减小幅度为9.9%；褥垫层厚度为0.8m时位移最大幅值比褥垫层厚度为0.6m时减小0.0025m，减小幅度为3.9%。结果表明，褥垫层厚度增加，上部结构最大位移幅值减小，减震效果越明显。
图3-1 不同垫层厚度顶层水平位移时程图
Fig.3-1 Top horizontal displacement time-history in different cushion thickness
从3-2中看出，褥垫层厚度越厚，上部结构的位移越小，说明随着褥垫层厚度的增加，褥垫层的耗能越多，减震效果越明显；褥垫层厚度为0.4-0.6m的位移差值减小幅度最大，为0.0071m，减小幅度为9.4%。总体可知，褥垫层越厚，减震效果越好，且褥垫层在0.4-0.6m内减震效果最明显。
图3-2 顶层最大水平位移随垫层厚度变化图
Fig.3-2 The top maximum horizontal displacement with the cushion thickness
3.1.2不同垫层厚度对上部结构顶层加速度的影响
图3-3为不同褥垫层厚度在顶层（60节点）的加速度值，从图中可以看出，褥垫层厚度为0.2m、0.4m、0.6m、0.8m时分别对应的上部结构顶层水平加速度最大幅值为1.2275m/s2、1.1150m/s2、0.9762m/s2、0.9142m/s2，褥垫层厚度为0.4m时位加速度最大幅值比褥垫层厚度为0.2m时加速度减小0.1125m/s2，减小幅度为9.2%；褥垫层厚度为0.6m时加速度最大幅值比褥垫层厚度为0.4m时减小0.1388m，减小幅度为12.4%；褥垫层厚度为0.8m时位移最大幅值比褥垫层厚度为0.6m时减小0.062m，减小幅度为6.4%。结果表明，褥垫层厚度增加，上部结构最大加速度幅值减小，减震效果越明显。
图3-3 不同垫层厚度顶层水平加速度时程图
Fig.3-3 Top horizontal acceleration time-history in different cushion thickness
图3-4为4中褥垫层厚度下对应的上部结构顶层水平加速度值，在天津波输入下，水平加速度随垫层厚度增加而减小，且在0.4-0.6m之间的减小幅度最大，变化差值为11.3%；随褥垫层厚度的增加，上部结构的水平加速度减小，且褥垫层厚度在0.4-0.6m之间水平加速度减小幅度最大，说明随着褥垫层厚度的增加，减震效果越明显，且垫层厚度在0.4-0.6m之间减震效果最明显。
图3-4 顶层最大加速度随垫层厚度变化图
Fig.3-4The top maximum horizontal acceleration with the cushion thickness
3.1.3 不同褥垫层厚度对上部结构顶层与底层最大差值的影响
图3-5为4种褥垫层厚度下上部结构顶层与底层最大水平位移差值，普通结构中顶层与地面最大相对位移为0.158m。从图中可以看出褥垫层厚度为0.2m、0.4m、0.6m、0.8m时，对应的顶层与底层最大位移差分别为0.0267m、0.0248m、0.0209m、0.0193m，分别为普通结构位移的16.9%、15.5%、12.8%、11.6%，可以看出随褥垫层的厚度增加，顶层与底层的最大位移差逐渐减小，且褥垫层厚度在0.4-0.6m之间位移差减小幅度最大，说明增加褥垫层减小了一定程度的刚体移动，减小了上部结构对地震的响应。
图3-5 顶层和底层最大水平位移差随垫层厚度变化图
Fig.3-19 The variation diagram of the maximum differential horizontal displacement between the top and bottomalong with the cushion thickness
3.1.4不同褥垫层厚度对减震率的影响
通过对垫层顶部（1300节点）和底部180（节点）加速度峰值进行特征分析得出，垫层厚度为0.2m时，褥垫层的顶部加速度峰值1.2721m/s2，褥垫层底部的加速度峰值1.3445 m/s2，减震率为7.9%；垫层厚度为0.4m时，垫层顶部的加速度最大值为1.1752m/s2，垫层底部加速度最大值为1.3455 m/s2，减震率为12.7%；垫层厚度为0.6m时，垫层顶部的加速度最大值为1.0852m/s2，垫层底部加速度最大值为1.3463 m/s2，减震率为19.4%；垫层厚度为0.8m时，垫层顶部的加速度最大值为1.0177m/s2，垫层底部加速度最大值为1.3471 m/s2，减震率为24.5%。可以看出，褥垫层能够大幅减小地震能量传到上部结构，从而降低上部结构的破坏程度，起到减震效果；并且随着垫层厚度增加，减震率增加，减震效果越明显。
图3-6为4种褥垫层厚度下减震率值，从图中可以看出，随着褥垫层厚度的增加减震率逐渐增大，且褥垫层厚度在0.4-0.6m之间减震率增加幅度最大，说明随着褥垫层厚度增加，褥垫层吸收地震能量也越多，地震产生的能量传到上部结构的减少，降低地震对结构的破坏力。
图3-6 减震率随垫层厚度变化图
Fig.3-6 Cushion damping rate with the cushion thickness
4结语
通过对褥垫层厚度分别在0.2m、0.4m、0.6m、0.8m条件下上部结构顶层60节点的加速度和位移，上部结构顶层、中间层和底层的位移及褥垫层的减振率进行分析对比，结果表明，由于褥垫层将上部结构与地基分离，使地震的大部分能量在垫层中消耗，输入到结构的能量大幅减小。并且随褥垫层厚度增加，褥垫层的耗能越多，减震效果越好；而褥垫层在0.4-0.6m之间的褥垫层减震效果最明显。
参考文献
[1] 闫明礼,张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践[M].北京:中国水利水电出版社,2006.
[2] 王凤池,朱浮声,林勇.复合地基垫层的减振作用分析[J].世界地震工程,2004,(3):109-113.
[3] 吴春林,等.CFG桩及其复合地基水平荷载作用下的性状[J].工程勘察,1996,（4）:18-21.
[4] 王凤池,朱浮声,杨煦,白泉.复合地基的减震模型及算例[J].东北大学学报（自然科学版）.2005.26(6).