不同地震波幅值下碎石垫层复合地基减振特性模型试验

摘要

摘要砾石垫层作为一种实用、高效的隔震技术被引入核电站，以确保核电站的安全。本研究通过在模型基础上进行一系列的振动台试验，研究砾石垫层的隔震效果。垫层由三种不同类型的级配骨料(单级(2 - 5mm)、级配(2 - 5mm:5 - 10mm = 3:1)、级配骨料(2 - 5mm:5 - 10mm = 3:1)组成。和连续分级)在输入的El Centro地震波三种不同的峰值加速度(0.1 g, 0.2 g, 0.3 g)。试验结果表明，砾石垫层的隔震效果随地震加速度峰值的增大而增大。单粒径碎石垫层的隔震性能优于双粒径碎石垫层或连续级配碎石垫层。在0.1 g峰值加速度输入地震波下，单粒径碎石垫层仍有隔震效果，减振率约为11.81%，而其他2种碎石垫层没有减振效果。在峰值加速度为0.2 g和0.3 g的输入地震波下，三种砾石垫层均具有隔震效果，减振率分别约为18.63%和17.92%。提出了一种预测缓冲层减振率的经验模型。在峰值加速度为0.3 g的输入地震波下，砾石垫层的极限减振率在20.44% ~ 31.33%之间。对于隔震要求较高的核电站地基，砾石垫层在满足要求承载力的前提下是一个很好的选择。

1.介绍

核电站的抗震设计不仅关系到核电设备的正常运行，而且关系到周边地区生态环境和人类生活的安全。2011年3月11日，日本福岛第一核电站发生里氏9.1级地震，造成大面积辐射泄漏和爆炸。地震袭击了离日本海岸不远的太平洋，造成了不可估量的损失。中国核电工业技术已达到国际先进水平。制定了全面的标准和规范，对核电厂的抗震设防烈度和地基性能提出了很高的要求。按核电站抗震设计标准[1.]，第一类和第二类地震结构应建在剪切波速大于300m /s的基岩或地基上，且地基性质不应具有明显的不均匀性[1.］．中国的核电站大多位于沿海地区，选址在地质条件良好的硬基岩上。在满足社会经济需求建设新的核电厂的同时，选址成为核电发展的主要瓶颈，因为一些核电厂在综合考虑后不得不在软土地基选址。这个瓶颈提出了一个技术挑战;即自然基础无法达到所要求的承载力和隔震效果。因此，迫切需要有效的基础加固和隔震技术。

为提高地基承载力和隔震效果，近年来发展了高承载力、小沉降、易施工、工期短的刚性桩复合地基技术[2.–7.］．刚性桩复合地基是由桩、基础和一定厚度的砂石垫层组成的人工地基[8.].桩有效加固土层，桩与桩间土同时承担荷载，提高承载力。砂石垫层能吸收和耗散地震波传递到上部结构的地震能量，防止共振，实现隔震在充分论证了技术和财务可行性后，垫层隔震技术适用于核电厂结构。

垫层隔震技术具有实施简单、经济有效等优点，并受到了相当的重视，取得了显著的研究成果。Yang等人[9]通过离心振动台试验，研究了饱和软土地基刚性桩复合地基上部结构在地震力作用下的地震反应。他们发现，在基础和筏子之间的砂垫层起到了消散向上传播的地震力的作用，并且垫层的减振效果随着地震动强度的增加而增加。沙玛等人[10研究了桩筏复合地基中垫层对桩身轴力和剪力的影响。他们发现，垫层的增加显著降低了长桩头的最大拉力。哈扎里卡等人[11]通过进行一系列的振动台试验，研究了由废轮胎碎屑制成的缓冲垫保护沉箱基础的隔震效果。他们确定胎屑垫层在吸收地震能量、减少地震荷载和沉箱位移方面表现良好。Tu等人[12]进行了振动台试验，研究了砂砾垫层保护的桥梁沉箱基础。他们认为，砾石垫层的位移量大于砂土垫层，但在地震能量吸收和消散方面优于砂土垫层，隔震效果更好，基础共振频率下降速度更快。

对砂垫层隔震效果的研究具有重要意义。用单粒径骨料建造的砂垫比用连续级配骨料建造的砂垫能更好地降低振动，较厚的砂垫比较薄的砂垫效果更好[13–15］．为提高隔震效果，应采用厚的单层聚合砂垫层;然而，这些垫层在地震作用下容易发生砂土液化。碎石垫层由于其良好的隔震效果，可作为核电站基础的隔震消能层应用于核电工程中。由于垫层已成为核电站人工基础加固的主要手段，研究碎石垫层的隔震性能在核电工程建设中具有重要意义。

对砾石垫层隔震效果的研究尚处于理论分析和室内研究阶段。Han等人[16,17]发现砾石垫层厚度与隔震性能成正比，厚度范围为0.2 ~ 0.3 m的砾石垫层可使加速度降低10 ~ 15%。采用离散元法，Zhao等[18比较研究了不同厚度的砾石垫层在不同基础压力下对上部结构的隔震效果。他们发现，砾石垫层有效地降低了上部结构的地震反应，隔震效果随着垫层厚度的增加而增加，但随着基础基底压力的增加而降低。李等人[19]对不同材料的垫层进行了一系列水平剪切试验，定量研究了砾石垫层对桩筏基础隔震效果的影响。结果表明，碎石垫层的耗能能力与材料内摩擦角的相关性较小，但受竖向荷载的影响较大。在剪切位移一定的情况下，碎石垫层的耗能能力随着竖向荷载的增大而增大，竖向荷载增大时，剪切力向上传递至上部结构。Wu et al. [20.]进行了振动台试验，研究了刚桩复合地基的隔震效果，发现砾石垫层具有良好的隔震效果。

对核电站复合地基的研究主要集中在承载力和沉降方面，而对隔震方面的研究较少。为此，本研究设计了某核电站复合地基，建立了桩、土、砾垫层、筏板、上部结构的耦合系统。对该系统模型进行了一系列振动台试验，研究了不同骨料级配、不同埋深、不同峰值加速度条件下的碎石垫层隔震性能。我们的目的是促进砾石垫层隔震技术的工程应用。

2.测试程序

2．1．材料试验

用中国东部沿海常见的一种粘土建造地基模型，其含水量为23.52%，密度为1.78。 克/厘米^3.．采用三种不同类型的级配骨料(单粒级配(2 - 5mm)、两粒级配(2 - 5mm: 5 - 10mm = 3:1)和连续级配的施工级配碎石建造了三个垫层。连续级配产生级配良好的集料，其均匀系数(C_U)5.02和曲率系数(C_C)表1.86（表1）1.和图1.）.数字2.显示三种不同骨料的照片。表2.列出聚合体的基本物理特性。

2．2.测试设备

采用东南大学电液伺服驱动的三向六自由度地震模拟振动台。振动台由试件安装台、液压伺服作动系统、仿真控制系统和计算机化数据采集与控制系统组成(图1)2（a））.试件安装台测量4 × 6 m，移动在x最大竖向承载力为30 t，最大水平位移±250 mm，最大水平速度600mm /s，最大水平加速度1.5 g。

建立了模拟土体剪切变形的模型(图)3 (b)）.该模型较好地模拟了土体的剪切变形。该模型测量了2(长)× 2(宽)× 1.3(高)m，并以10厘米厚的容器为边界，具有最小的边界效应。容器内壁覆盖10厘米厚的不透水海绵层，以防水容器，减少来自边界的波反射。

试验在单向水平激励下进行。试验前，0.05 输入g白噪声测试系统的动态性能。峰值加速度为0.1的El-Centro地震波 g、 0.2 g、 和0.3 g按顺序输入50分钟 测试模型的地震响应行为。图4.显示输入地震波在峰值加速度为0.1 g时的时间历程。地震波的50秒持续时间是由时间相似系数0.115确定的。

2.3。试验模型设计

振动台试验主要用于研究结构在地震波作用下的动力响应特性和破坏机制。为了充分模拟真实世界结构的地震反应，模型设计应采用相似关系。本研究采用以下基本相似参数:长度 ,弹性模量 ,和加速度 ．根据振动台的承载能力和试件安装台的几何尺寸，设计了几何相似比为0.04的模型;弹性模量相似比为0.3，确保试验模型与原结构具有一致的材料强度;根据试件安装台面的最大加速度与最大施加加速度的比值，加速度相似比为3.0。

模型系统由桩、土、垫层、筏和上部结构组成(图1)5.）.在现实世界的核电工程中，上层建筑是建立在普通的筏板基础上的。模型的设计和构造如下:第一步是建立一个容器来保存讲台的上层建筑是由有机玻璃板块(44.2厘米长,32.8厘米宽,14.8厘米高)和一个圆柱形反应器由一个铝管(身高28.8厘米,直径15.2厘米,厚0.5厘米)(图6(一))，用螺栓固定在尺寸为47.6 × 36.2 × 3.2 cm、重量为40.076 kg的铝板筏上(图)6 (b)）.上层建筑与筏板的连接几乎是刚性的。将总质量为168.644 kg的刚性块放入上层建筑容器中，并固定在筏板上(图)6 (c)）.搭建了上部结构-筏板一体化结构(图)6 (d)）.

外径为2.8的圆形铝管 厘米，内径为2.6 厘米，长60厘米 cm被用作模型桩。共有12根桩，间距为9.8 按照中国《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）的规定（大于3.5倍的桩径）排列在4。 × 在土层上安装3个基质，形成桩-土复合地基。

砾石垫层厚度为5 cm，采用单级、双级和连续级配三种不同的骨料级配。垫子被埋在两种不同的深度:木筏上和木筏下。需要指出的是，在筏板上方设置垫层时，筏板在水平地震作用下的水平位移会受到限制，而在垫层上方的筏板则会产生较大的水平位移。这种差异直接影响砾石垫层的隔震效果。因此，有必要从隔震角度对两种埋设方式进行比较。

试验模型按照以下程序构建：（1）将分层剪切变形土壤模型容器用螺栓固定在试样安装台上。容器内壁覆盖有一层10 cm厚的不透水海绵层。（2）容器内填充粘土，并逐层压实至总高度1 他被允许坐24小时 h用于试验前的静态固结，如图所示7(一)．(3)在压实粘土预留孔内安装桩，压实粘土浇筑时按预先布置(4 × 3)的方式预先安装桩(图)7 (b)）.(4)浇筑一层碎石，压实，表面平整，最终厚度为5cm。(5)筏板水平放置，筏板中心与桩体中心对齐。上层建筑的集装箱用螺栓固定在木筏上。将质量块放置在集装箱内，固定在筏板上，使上层建筑与筏板融为一体，如图所示7（c）．数字7（d）显示已完成的测试模型。表格3.列出测试系列的参数设置。

为了研究粘土层和砾石垫层的隔震效果，测量了试样安装台表面、粘土层表面和砾石垫层表面的加速度，以进行加速度响应分析。使用TST120A500加速度传感器测量加速度数据，并使用TST3000动态信号测试和分析系统。图5.显示测量点的配置。

3.测试结果

３．１．加速度时程分析

数字8.显示了在具有三个不同峰值加速度（0.1）的El Centro地震波输入下，用不同级配骨料（单粒径、双粒径和连续）建造的三个砾石垫层的加速度时程 g、 0.2 g、 和0.3 （g）。粘土层底部的加速度时间历程大部分重叠，总体上与粘土层顶部的加速度时间历程高度一致。桩加筋土未表现出显著的加速度放大或振动过滤效应。相比之下，砾石垫层顶部的峰值加速度时间低于砾石垫层底部，这表明砾石垫层具有隔震效果。此外，峰值加速度的增加导致隔震效果的增加。这一发现与文献一致[21］．

值得注意的是，垫层埋深对隔震效果的影响并不呈现一致的模式。如图所示8 (c)，当输入的地震波峰值加速度为0.3 g时，三个垫层放置在筏板上方的隔震效果优于放置在筏板下方的隔震效果。由于振动台的承载能力有限，设计的缓冲层厚度较小。砾石在巨大的地震力作用下横向滑动和扩散。垫层放置于筏板上方时，具有良好的抗阻效果，较好地保持了垫层厚度;从而实现了更大的隔震效果。为了确定这一发现是否适用于现实工程，还需要进一步的研究。

对3种碎石垫层的加速度响应进行对比分析发现，在任意加速度峰值(0.1 g、0.2 g、0.3 g)的输入地震波下，单粒径碎石对垫层的隔震效果优于双粒径连续级配碎石(图1)8.）.这一发现与[13］．特别是在0.1 g峰值加速度的输入地震波下，单粒径碎石垫层的隔震效果较好，而双粒径连续级配碎石垫层的隔震效果不显著。因此，基础隔震砾石垫层应采用单粒径集料。

３．２．砾石垫层隔震效果分析

引入减振率，研究缓冲材料的隔震效果，更好地评价缓冲材料的减振性能: 在哪里输出峰值加速度和为输入加速度峰值。的和的加速度峰值分别与试件安装台表面和黏土层顶部的加速度峰值相等。的和砾石垫层的加速度峰值分别等于垫层底部(粘土层顶部)和垫层顶部的加速度峰值。黏土层和砾石垫层在不同参数设置下的减振率由式(1.）.

如图所示9在峰值加速度为0.1 g、0.2 g、0.3 g的地震波作用下，黏土层的减振率分别为−13.54% ~ 18.28%、0.51% ~ 11.90%、−2.05% ~ 11.74%，平均值分别为5.70%、4.38%和3.27%。由于刚性桩的加固作用，随着加速度峰值的增大，黏土层的减振率变化不大，接近于0，说明加速度峰值对黏土层的减振性能影响很小。此外，从粘土层底部向上传播时，地震波的峰值加速度并没有减小多少，说明粘土层的隔震能力较差。文献[22]报道了地基土的放大效应，这与本发现不一致，但证实了我们的发现，地基土没有减振效果。

如图所示10时，碎石垫层在峰值加速度为0.1 g、0.2 g、0.3 g的输入地震波作用下的减振率分别为- 8.9% ~ 13.73%、10.61% ~ 22.77%、12.85% ~ 24.08%，平均值分别为- 0.55%、18.63%和17.92%。输入地震波加速度峰值为0.1 g时，砾石垫层没有隔震效果，当输入地震波加速度峰值为0.2 g或0.3 g时，砾石垫层的阻尼较大，隔震效果显著。

碎石垫层埋深对减振率的影响规律不一致。在峰值加速度为0.3 g的输入地震波下，砾石垫层置于筏板上方时比置于筏板下方时具有更大的隔震效果。当置于筏板上方时，单粒径骨料砾石垫层具有最大的减振率，其次是由两粒径连续级配骨料建造的垫层。

在峰值加速度为0.1 g的输入地震波下，单粒径骨料砾石垫层的减振率约为11.81%，而使用两粒径连续级配骨料建造的垫层的减振率小于0，这表明最后两个垫层没有抗震隔震n效应。这一结果可以用以下机制来解释。峰值加速度为0.1 g的输入地震波会引起较小的地面运动。使用两种尺寸和连续级配骨料建造的垫层比单尺寸骨料垫层密度更大，并且经历较少的弹塑性变形，因此它们传递地震能量以及筏板水平地震力产生的剪力，且无阻尼/耗散效应[23］．

在峰值加速度为0.2 g的输入地震力作用下，3种砾石垫层的隔震效果略有差异，平均减振率约为18.63%。在峰值加速度为0.3 g的输入地震波下，单粒径碎石垫层减振效果最大，平均减振率最大(22.39%)，其次为连续级配骨料(平均减振率≈17.53%)和双级配骨料(平均减振率≈13.85%)。在输入地震波加速度峰值为0.2 g和0.3 g,平均三个砾石垫减振率约18.63%和17.92%,分别和最大减振率为24.08%在某些参数设置,这表明垫有一个地震隔离效果。这种效应可以用以下机制来解释。输入峰值加速度为0.2 g和0.3 g的地震波会产生较大的地震动。砾石垫层承受弹塑性或塑性变形，不会将所有水平剪力向上传递;因此，它们耗散了部分地震能量，有效地降低了向上传递的地震能量[23,24］．

单粒径碎石垫层的隔震效果优于双粒径连续级配碎石垫层的隔震效果。因此，对于建在震区的核电站，在满足要求的承载能力的前提下，砾石垫层应采用单粒径集料。

３．３．减振率预测的经验模型

对不同参数设置下的碎石垫层试验数据进行回归，确定减振率与峰值输入加速度之间的关系。因此，建立了预测砾石垫层减振速率的经验模型: 在哪里α参数是模型和1 - 1/β是最终的减振率在峰值加速度为0.3 g的输入地震波下。该值表示砾石垫层隔震能力的上限。

数字11给出了砾石垫层减振速率与峰值输入加速度的关系。图中为整个工况的拟合曲线11通过总趋势显示砾石垫层的隔震效果。表4.给出了不同参数设置下的试验数据拟合曲线各参数的95%置信区间的平均值和上下限。由图可知，砾石垫层的隔震能力落在95%置信区间内，这就证实了(2.)拟合优度高，能较好地反映砾石垫层减振率随峰值输入加速度增加的趋势。在峰值加速度为0.3 g的地震波下，极限减振率变化范围为20.44%至31.33%。某一特定核电站的缓冲层隔震能力可由式(2.)和表5..表的实际应用的适当策略5.，从安全储备的角度出发，取95%置信区间的下限。

数字11给出了三种碎石垫层减振率与峰值输入加速度的拟合关系。通过图中三种单一工况的拟合曲线对三种砾石垫层隔震效果进行对比11.单粒径骨料砾石垫层的拟合曲线位于顶部，双粒径骨料垫层位于底部，连续级配骨料建造的垫层位于两者之间，这表明单粒径骨料比其他两种骨料具有更大的隔震能力格雷盖茨。预测与观察结果一致。表5.显示了三个砾石垫层减振率的拟合参数。对于峰值加速度为0.3 g的地震波，使用单粒径骨料、双粒径骨料和连续级配骨料建造的垫层的最终减振率分别为25.86%、23.39%和26.33%。因此，可以推测，在峰值加速度为0.3 g的输入地震波下，由单一尺寸和连续级配骨料建造的砾石垫层具有接近的极限减振率。值得注意的是，随着峰值输入加速度的降低，单粒径骨料砾石垫层的减振率降低得更慢，即使在峰值输入加速度较低的情况下，也能维持在一定水平。

数字12将本研究得到的碎石垫层隔震性能试验结果与文献报道的隔震性能试验结果进行了比较。5厘米厚压实砾石垫不差压实砂垫的厚度20 cm-30 cm的隔震性能,但不如40厘米厚压实砂压实砂垫垫和70%,尤其是在输入地震波输入加速度峰值为0.1 g。在某些参数设置下，砾石垫层的隔震性能较砂垫层差，这与压实度和骨料级配有关。相比之下，砂土垫层的减振能力受加速度峰值变化的影响不大。砂垫层即使在0.1 g峰值加速度的输入地震波下也有减振效果，但砂垫层易发生液化。因此，在核电站复合地基中使用砂土垫层时，应慎重使用。

这些分析表明，垫层的隔震性能与垫层材料的性能以及垫层的厚度和密实度有关。垫层越厚、压实越少，隔震性能越好。对于给定的垫层厚度，本研究中使用的砾石垫层的隔震性能优于报道值[13,14］．

4.结论

(1)核电站复合地基中的碎石垫层能有效地降低桩土复合地基向上传递的地震能量，在峰值加速度为0.2的输入地震波作用下。 g和0.3 g、 碎石垫层具有良好的隔震效果，平均减振率分别为18.63%和17.53%，在一些参数设置下，减振率达到24.08%。(2)通过对3种不同级配骨料的砾石垫层隔震性能的比较，发现单级骨料的隔震性能最佳，其次是连续级配骨料和双级骨料。其中，单粒径碎石垫层在峰值加速度为0.1 g的输入地震波下，减振率约为11.81%。因此，对于隔震要求较高的核电站基础，在满足要求的承载力的前提下，单级骨料碎石垫层是最佳选择。(3)提出了一种预测碎石垫层减振率(以极限减振率测量)的经验模型。该模型较好地反映了砾石垫层减振率随峰值输入加速度增加的趋势。在峰值加速度为0.3 g的输入地震波下，极限减振率砾石垫层的变化范围为20.45 ~ 31.3%。地震加速度峰值降低,单一粒度总砾石垫减振率下降速度比其他两个坐垫和仍高于一定水平,和砾石有某种地震隔离能力即使在输入地震波加速度峰值0.1 g。(4)5厘米厚的压实砾石垫层的隔震能力与20-30厘米厚的压实砂垫层的隔震能力大致相当。在峰值加速度为0.1 g的输入地震波下，砾石垫层的隔震能力小于砂垫层。但我们推测，当垫层厚度增加到一定程度时，即使在峰值加速度为0.1 g的输入地震波下，砾石垫层也具有较好的隔震能力。(5)碎石垫层厚度对复合地基隔震性能的影响有待进一步研究，此外，这种隔震技术可以增加隔震垫层的位移，同时降低结构的加速度响应，这是一个值得进一步研究的课题。

数据可用性

本研究中使用的一些数据可根据要求从通讯作者处获得。

的利益冲突

作者声明他们在这篇论文的发表上没有利益冲突。

致谢

基金资助:冻土工程国家重点实验室(批准号:)资助。基金资助:国家自然科学基金资助项目(SKLFSE201907);基金资助:国家重点研发计划资助项目(51678145);基金资助:国家重大科学仪器开发项目(2018YFC1505300);基金资助:国家自然科学基金资助项目(41627801);ZDYF2017100)。

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