1、 第 37 卷 第 2 期 2023 年 3 月湖南工业大学学报Journal of Hunan University of TechnologyVol.37 No.2 Mar.2023 doi:10.3969/j.issn.1673-9833.2023.02.001收稿日期：2022-03-22基金项目：湖南省自然科学基金资助项目（2020JJ6073）；湖南省教育厅科学研究基金资助重点项目（21A0357）作者简介：王 将（1998-），男，湖南常德人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为橡胶砂岩土隔震，E-mail：通信作者：刘方成（1978-），男，湖南衡阳人，湖南工业大学教授，博士，主
2、要研究方向为土动力特性，土-结构动力 相互作用及岩土隔震，E-mail：土工袋中橡胶砂的隔震效应数值模拟分析王 将，刘方成，周本强，曾湘华，戈瑞瑞（湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲 412007）摘要：利用计算平台 MSC.Marc 建立三维整体结构的有限元分析模型，对土工袋隔震效应进行数值模拟计算，研究了坚硬场地土工袋中橡胶砂配比和土工袋隔震层高度对上部结构隔震效果的影响。结果表明：土工袋中橡胶颗粒配比越大，隔震效果越好，但是随着橡胶含量的持续增加，隔震效果减弱，并发现橡胶颗粒作为隔震材料的最佳添加质量分数为 30%；随着土工袋隔震层厚度的增加，隔震效果越明显，但是考虑到工程造价等问题
3、，土工袋隔震层在本实验工况条件下的最佳高度为 500 mm。研究表明，土工袋橡胶砂隔震层是一种具有良好隔震效果、廉价环保的新型基础隔震方法，适用于建筑成本较低的村镇房屋。关键词：橡胶砂；土工袋；隔震效应；数值模拟中图分类号：TU435 文献标志码：A 文章编号：1673-9833(2023)02-0001-08引文格式：王 将，刘方成，周本强，等.土工袋中橡胶砂的隔震效应数值模拟分析 J.湖南工业大学学报，2023，37(2)：1-8.Numerical Simulation Analysis of the Isolation Effect of Rubber Sand in Geo-Bags
4、WANG Jiang，LIU Fangcheng，ZHOU Benqiang，ZENG Xianghua，GE Ruirui（College of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）Abstract：By using the computing platform MSC.Marc,a finite element analysis model has thus been established of the three-dimensional overall structure
5、,followed by a numerical simulation calculation conducted on the seismic isolation effect of geo-bags,as well as a study on the influence of rubber sand ratio in geo-bags and the height of geo-bag isolation layer on the seismic isolation effect of superstructure.However,the isolation effect is weake
6、ned with the continuous increase of rubber content.It is found that the optimum mix proportion of rubber particles as isolation material is 30%;with the increase of the thickness of the geo-bag isolation layer,it is characterized with a more obvious isolation effect.However,with the project cost and
7、 other factors taken into consideration,the optimal height of the geo-bag isolation layer under this experimental condition is 500 mm.This study shows that,as a new type of base isolation method,the geo-bag rubber sand isolation layer is characterized with such advantages as good isolation effect,lo
8、w cost and environmental protection,which is suitable for houses in villages and towns with a low construction cost.Keywords：rubber sand；geo-bag；isolation effect；numerical simulation2湖南工业大学学报 2023 年0 引言基础隔震方法自 20 世纪 60 年代提出以来，已成为最具有代表性的隔震新技术，为结构设计和工程抗震提供了新思路1。社会经济高速发展的同时，也给环境带来了不少危害，其中包括废旧轮胎的大量堆积，如何
9、高效利用这些废旧橡胶已成为一个热门话题。相比于纯砂，废旧轮胎橡胶颗粒具有轻密度、低模量、高弹性的特点，被广泛应用于塑胶跑道、路基回填及挡土墙中2。已有研究3-5表明，橡胶砂具有良好的减震性能，是一种廉价的耗能材料6-8。K.Trevoretal9、S.Youwai10等将橡胶颗粒作为填充材料填置于主、被动挡土墙，通过数值模拟分析得出，使用橡胶颗粒可以减小挡土墙残余位移和地震引起的作用力。S.Tafreshi 等11向地基下面的土壤添加橡胶碎块，试验结果显示最佳配合比、最佳隔震层厚度时的垫层承载能力最大。B.R.Madhusudhan等12通过循环三轴试验，研究了用于低层建筑基础隔震的砂-橡胶轮
10、胎碎片混合物的特性，得出砂-橡胶轮胎碎片比例为 9:1 的混合物即可满足低层建筑隔震所需的动态特性。郑森等13进行了 1:10 的自由场试验和橡胶砂垫层隔震振动台试验，以此分析橡胶砂垫层的隔震效果，结果表明层状剪切箱可很好地解决平面内的边界效应。Ding Y.等14通过固结不排水单调和循环三轴试验研究粒化橡胶砂混合料作为新型填料的静态和动态特性，发现橡胶颗粒添加质量分数小于 20%即可满足与剪切刚度相关的工程要求。土工袋是将淤泥、砂石、建筑垃圾等物料倒入袋内后所形成的袋状物。近几年，土工袋受到越来越多专家、学者的关注，土工袋的抗压性能和减震性能均较好，在防洪、路基、边坡等15-16方面得到了广
11、泛的使用。刘斯宏等17开展土工袋挡墙大型振动台模型试验，对其地震动力响应特征进行了研究，发现土工袋挡墙在地震时通过自身的变形消散了大部分的动能，整体结构的基础频率随输入地震动峰值加速度的提高而降低，在连续振动作用下，土工袋挡墙的累积残余水平位移较小，在 0.6g 的输入地震动作用下，最大累计位移仅为墙高的 0.29%，说明其抗震能力很强。郑玉风等18应用振动台试验方法，以刚性质量块代替上部结构，研究土工袋加筋橡胶砂垫层的隔震效应，发现该垫层的隔震效应要优于纯砂垫层和橡胶砂垫层，综合考虑隔震效果和经济效益分析，垫层厚度为 21 cm、土工袋填充率为 60%是比较理想的垫层参数。黄波等19在此常规
12、加筋土“等效围压理论”基础上研究了编织袋张力对袋子内部土体强度和剪胀特性的影响，发现经编织袋加固后的土体剪缩现象更为明显。A.Sadr 等20通过研究发现用土工袋包裹颗粒土可以明显改善其承载力。国内外关于橡胶砂的隔震性能已有一些研究，但尚未有涉及橡胶砂的三维数值模型分析，因此，本文以村镇低矮房屋隔震为取向，在场地条件和上部结构不变的情况下，在 MSC.Marc 的基础上建立整体结构的非线性有限元模型，研究土工袋橡胶颗粒配比和土工袋厚度对土工袋隔震层隔震效果的影响，以期为后续相关研究和工程应用提供参考。1 土工袋隔震体系的有限元模型1.1 模型的建立采用 Marc 有限元程序，模型的建立基于土工
13、袋大型振动台隔震试验18。在模型试验中场地土宽度需大于 5 倍基础宽度，以减小边界效应给试验带来不利影响，则基础宽度采用 20 m，相应的场地土长度为100 m，场地土深度为10 m，基础为浅埋刚性基础，其埋置深度为 1.0 m。土工袋橡胶砂复合隔震装置近似地采用 Patran 四面体网格单元，上部结构使用 1:2缩尺比例设计砌体结构模型，其有效高度为 3 m，结构自重为 150 kN。在刚性基础和场地土之间填入土工袋作为隔震层，其厚度为变值。因基于振动台试验模拟，故设置土工袋与橡胶砂之间、土工袋与土工袋之间为粘结关系，而上部结构与隔震层之间存在摩擦，摩擦因数设为 0.8。本文有限元三维模型及
14、剖面图如图 1 所示。a）有限元三维模型b）剖面图图 1 土工袋隔震体系有限元模型及剖面图Fig.1 Finite element model and section of the geo-bag isolation system3王 将，等土工袋中橡胶砂的隔震效应数值模拟分析第 2 期1.2 土工袋中橡胶砂材料特性根据已有文献研究21-22建议，选择添加质量分数为 30%的橡胶砂作为隔震垫层材料，其非线性动剪模量和阻尼比特性参考文献 23 的试验曲线，如图 2 所示。由图 2 可知，当基底应力增大时，橡胶砂的最大动剪切模量也随之增大，动态模量比曲线向右侧移动，表明模量随动剪应变的增大而减小，
15、而阻尼比曲线随之下降。普通多层房屋的基底应力一般在50150 kPa 以内，计算过程中为了提高运算效率，只考虑 100 kPa 的基底应力，从而进一步研究不同的橡胶颗粒配比和土工袋垫层厚度对复合垫层隔震效应的影响。在设置材料属性时，橡胶砂的泊松比根据文献24 取值 0.35，利用基于阻尼的边界面模型25模拟橡胶砂单元的本构行为来模拟橡胶砂的动力特性，通过 Marc 子程序 Hyperla 实现26，其他材料按常规进行设置。2 土工袋数值模拟结果分析2.1 不同橡胶颗粒配比对隔震效果的影响在基底压力为 100 kPa，土工袋厚度为 500 mm，地震加速度为 0.32g，地震波为 OBG 波的情
16、况下，土工袋中橡胶颗粒添加质量分数为 0%,30%,40%,100%工况时的输入输出加速度时程曲线（t-a）和傅氏谱曲线（f-a）图见附表 1。根据附表 1 的内容，由输入输出的加速度时程曲线可知：1）每个工况下，输出加速度时程幅值相对于输入加速度时程幅值明显减少，充分说明地震波经过土工袋隔震层后，加速度反应被削弱，加入土工袋隔震层的上部结构地震加速度明显降低，在房屋基础底部引入土工袋隔震层能对上部结构起到很好的隔震效果。2）输入地震加速度峰值为 2.151 m/s2，输出加速度峰值随橡胶颗粒添加量的增大而减小。橡胶颗粒添加质量分数在 0%30%之间下降最快，在 30%40%之间呈小幅度增加，在40%100%之间下降略为缓慢。因此可以认为橡胶颗粒添加质量分数在 30%40%之间时隔震效果大致相同，从具体隔震效果以及经济性角度来看，橡胶颗粒添加质量分数为 30%的土工袋隔震效果较好。由附表 1 的傅氏谱可知：1）输出加速度随着振动频率和橡胶颗粒配比的增大而减小，且幅度愈加明显，上部结构的加速度反应在低频阶段出现增加现象，达到一定频率数值后减小，这说明土工袋中的橡胶砂对于高频地震波的过滤效