橡胶混凝土与常规混凝土组合桩抗震性能分析

卢俊杰

（广州市泰和混凝土有限公司，广东 广州 510450）

地震作为一种自然灾害，不但会危及到社会大众的生命安全，而且会导致公共交通、建筑物受到严重的破坏。橡胶集料混凝土（CRC）属于是一种新型的混凝土，其是秉承废物再利用的基本原则，将汽车废弃的轮胎承橡胶颗粒经过科学地处理，把橡胶颗粒作为混凝土混合料中的一种原材料，经过一定的配比搅拌而成。CRC 的弹性模量非常低、阻尼性能比较高、具备良好的延性，这些优点刚好符合建筑物对于抗震的要求，与规性的混凝土相比，具备显著的抗震优势。

1 试验内容

1.1 试件材料

试件材料如下。1）水泥：普通硅酸盐水泥；2）橡胶集料：橡胶颗粒的粒径控制在1mm～3mm，检测得出橡胶颗粒的密度为1030kg/m3（具体参数参照表1）；3）砂：使用中砂，中砂的密度为2620kg/m3；4）石子：粒径为5mm～25mm 的级配碎石，碎石的密度为2640kg/m3；5）水：普通自来水。

表1 橡胶颗粒粒径分布表

该试验中橡胶混凝土配合比的设计应该根据试验确定出最佳配合比设计方案，基于此确定橡胶混凝土的强度标号，结合实验室试验来对原材料的配比进行合理的调整，从而确定出最佳配合比。将橡胶混凝土与常规性混凝土的配合比进行对比分析，结合《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）的相关要求计算，再次借助试验来对配合比进行优化。最终确定出：橡胶混凝土的强度标号为C35。

1.2 试验方案

混凝土配合比试验使用落锤激振模拟实验，重锤的重量控制在300kg，振源距离夯击点的距离为9m，其中，地上部位设计为3m，地下部分设计为6m。为了精准地研究出荷载对于橡胶混凝土桩段的动力影响，在桩顶位置安装反力梁设备，并施加12t 的配重，堆载装置及桩方位如图1 所示。为精准地检测出橡胶混凝土桩段的抗震性能，在橡胶混凝土桩顶部位、桩段底部、常规性混凝土的桩顶位置分贝安装速度传感器，用来收集研究数据。传感器选择使用的是TST126 磁电式传感器，传感器的频率保持在0.25Hz～100Hz，加速度传感器安装位置如图2 所示。

图1 堆载反力梁装置及桩位分布图

图2 加速度传感器监测点位置示意图

1.3 试验方法

1.3.1 混凝土材性试验

在实际试验时由于条件有限，所以并未进行应变关系全曲线试验。橡胶混凝土桩段的棱柱的应变曲线试验可以结合参考文献进行实验。检测结果可以参照图3 中信息。结合图3中所展示的信息可以发现：橡胶混凝土曲线处于峰值时，应力前斜率最低，弹性模量比较小；进一步计算得出，橡胶混凝土的应变力是常规性混凝土的1.17 倍，橡胶混凝土的应力是常规性混凝土的0.93 倍。

图3 混凝土应力-应变曲线图（上升段）

1.3.2 橡胶混凝土桩段抗震性能试验

为有效研究出橡胶混凝土桩段的抗震性能，该文设计出4 种类型的试验桩。4 种类型的试验桩的桩段长度分别为0m、0.3m、0.5m、1.0m。试验桩的直径设计为0.5m，试验桩的长度设计为6m，钢筋笼的主筋使用的是HRB400E 抗震钢筋，箍筋使用的是HPB300 热轧光圆钢筋。试验桩部位的混凝土使用的是C30 混凝土，桩身部位的橡胶混凝土将C40 混凝土作为基准混凝土，橡胶颗粒的掺加量为1.31%。基准混凝土的配合比情况可以参照表2 信息。

表2 基准混凝土配比

2 结论分析

2.1 桩顶荷载对组合桩抗震性能影响分析

结合试验所收集到的桩顶空载以及90kN 重载，配合图4 可以了解到，橡胶混凝土桩段桩顶的荷载波动会对桩的激振响应造成巨大的影响。当桩顶处于空载状态时，激振响应的时间会对桩顶水平方向的峰值响应速度造成较大的影响，当桩顶部位的荷载增加至90kN 时，桩顶部位水平方向的峰值加速度则开始降低。之所以出现这种现象，主要是因为当装订处于空载状态时，桩顶应该是自由端，但是当桩顶部位的荷载增加至90kN以后，因桩顶表面不光滑，会产生一定的摩擦力，导致侧向作用力出现，在这种情况下，桩身部位的水平方向的承载能力必然会提升，同时桩身该部位的水平峰值加速度会降低。

橡胶混凝土桩段的桩顶部位受到的荷载侧向约束力在一定深度范围内会对峰值角速度造成影响。具体来说，即橡胶混凝土桩段桩顶处于空载与桩顶荷载为90kN 时，在这两种情况下，桩身的峰值加速度差异性会随着桩身的深度增大而逐渐降低，主要原因如下。1）桩身的原材料突然的发生变化，导致竖向约束力传播受到阻碍。当橡胶混凝土桩段的长度与桩身长度之间的比例大于1/6 时，桩顶部位荷载的约束力在距离桩顶1/6 桩长部位，则非常的模糊，且不易被发现。2）当橡胶混凝土桩段桩顶荷载处于90kN 时，假若橡胶混凝土桩段的长度低于桩身长度的1/6，那么橡胶混凝土桩段与常规混凝土桩段的荷载作用力会对峰值加速度造成影响；反之，侧向约束力将会成为桩身长度的主要影响因素。

2.2 震源距离对组合桩抗震性能影响分析

应该确定出桩位与震源之间的距离，4#桩与10#桩距离震源的距离为8.32m，5#桩与11#桩距离震源的距离为13.15m，6#桩与12#桩距离震源的距离为19.50m。结合图4 中信息来看，当桩位与震源非常近时，10#桩桩顶水平方向的峰值加速度检测结构为1.1586m/s2，4#桩顶部的加速度检测为0.6660m/s2，二者之间的差异为0.4926m/s2，由此可以断定橡胶混凝土桩段的抗震性能比较强。

图4 不同位置处桩身水平峰值加速度曲线图

当橡胶混凝土桩位与震源之间的距离增大时，常规性混凝土桩12#桩的加速度检测结果为0.1497m/s2，橡胶混凝土桩段的6#桩的加速度检测结果为0.0893m/s2，两者之间的差距为0.0604m/s2，由此可以发现当桩位距离震源比较远时，橡胶混凝土的抗震效果不显著。主要原因是橡胶混凝土桩位距离震源过远时，桩顶水平方向的峰值加速度非常小，在这种情况下，橡胶混凝土的抗震性能与抗震优势无法展现出来。该文全面、深入地对比分析了桩身水平方向的峰值加速度波动，当橡胶混凝土桩位距离震源过近时，橡胶混凝土桩段的4#桩与常规性混凝土桩段的10#桩，峰值加速度大致相同，并未出现较大的差异。当橡胶混凝土桩位距离震源过远时，橡胶混凝土桩段的6#桩与常规性混凝土桩段的12#桩，峰值加速度基本上相同，由此可以得出，在激振作用下，橡胶混凝土的抗震性能并未全部发挥出来。

2.3 橡胶混凝土桩段对常规混凝土桩段的影响分析

为分析橡胶混凝土桩段对常规混凝土桩段的影响，分别在橡胶混凝土桩段与常规混凝土桩段交界位置以下0.1m 处设置加速度传感器，收集相关加速度数据。从图5 可以明显看出，受橡胶混凝土桩段影响，常规混凝土桩段顶部的水平峰值加速度明显减小。以0.5m 橡胶混凝土桩段为例，当桩位距震源8.32m 时，0.5m 橡胶混凝土桩段（3#桩）的-0.6m 位置处的水平峰值加速度为0.3316m/s2，无橡胶混凝土桩段（10#桩）的-0.6m 位置处的水平峰值加速度为0.5472m/s2，水平峰值加速度减小大约40%，减震效果明显。由此可以发现，桩位距离震源越远，橡胶混凝土的抗震性能发挥出来的作用越小。

图5 不同深度加速度监测对比图

2.4 橡胶混凝土桩段长度对减震效率的影响分析定义减震效率

该文对橡胶混凝土桩段的减震效果进行分析后，可模拟出不同长度的橡胶混凝土桩段的减震效率，其表达式如式（1）。

式中：y为指减震效率；x为指橡胶混凝土桩段与桩身长度比；K、a、b为任意常数。

结合图6 中显示的内容可以了解到，橡胶混凝土桩段的减震效率模拟曲线呈现出“S”形，当橡胶混凝土桩段的长度超过常规性混凝土桩段长度时，橡胶混凝土桩段的减震效果会大幅度降低。因此，在设计桩基础时，应该确定橡胶混凝土桩段的有效长度，需要考虑橡胶混凝土桩段的长度变化对减震效率造成的影响。

图6 减震效率随橡胶混凝土桩段与桩身长度比变化拟合曲线

2.5 罕遇地震作用标准值计算

罕遇地震作用下产生层间弹性地震剪力，反应谱的周期Tg会增加0.05s，实际取值应该是0.3s，计算结果参照表3 中信息所示。

表3 罕遇地震作用下层间弹性地震剪力标准值（单位：kN·m）

结合表3 中信息可以了解到，地下各层的地震剪力都会有所降低，且降低的幅度比较大。在罕遇地震的影响下，因地震剪力比较大，可能会出现柱绞现象，在这种情况下，运用橡胶混凝土，可以大幅度地降低地震剪力造成的影响。

3 改建建议及前景展望

3.1 改建建议

改建建议如下。1）橡胶混凝土的破坏全过程与常规性混凝土的全破坏过程基本上是相同的，二者都会经历以下四个发展阶段：初期开裂阶段、贯通性开裂阶段、极限开裂阶段、结构破坏阶段。在混凝土被最终破坏时，混凝土内部会不断软化，其内部的钢筋会逐渐外露，剪切变形现象不断加剧[1]。2）橡胶混凝土可以延长裂缝出现的时间节点，即使混凝土开裂，橡胶混凝土的框架结构也不会发生较大的波动，橡胶混凝土自身的整体性比较好。3）橡胶混凝土试块的开裂荷载与屈服强度是相同的，因混凝土的轴压比增大，促使试块的竖向约束力增大，这种变化会钳制裂缝发展的速度。合理地选择轴压比，从而提高混凝土的延性性能。4）橡胶混凝土与常规性混凝土在破坏阶段的延性状况基本相同，但是在极限承载阶段发展至破坏阶段的过程中，橡胶混凝土的延性明显比常规性混凝土强。

3.2 前景展望

近年来，我国的机动车总数量逐年增长，这意味着未来的发展过程中，废弃轮胎的数量必然会不断增大，将废弃轮胎经过特殊工艺处理后，运用在混凝土中，不但能满足混凝土的性能要求，同时还可以改善因废弃轮胎所引发的环境污染问题。对废弃轮胎进行处理再利用，完全符合我国“十二五”所提出的可持续发展战略的基本要求。现阶段学术界对于橡胶混凝土的受压、受拉方面的研究尚处于初期阶段，导致该研究橡胶混凝土节点部位的承载力时可能会存在一定的误差，对于这一问题，在未来的研究过程中对其做进一步分析，以弥补该研究的不足。

4 结语

当桩顶部位施加荷载以后，桩顶在摩擦作用下会形成侧向约束作用力，提升桩身部位的承载能力，间接性地提高桩身的抗震性能。结合该试验来看，桩顶荷载达到90kN 时，橡胶混凝土桩段的长度会对荷载侧向约束力造成影响。当桩位与震源之间的距离比较近时，橡胶混凝土桩段的减震效果比较显著，但是当桩位与震源之间的距离不断延长时，橡胶混凝土桩段的减震效果则会不断地降低。此外，橡胶混凝土桩段不但能够在自身撞断的情况下发挥出减震作用，同时还能够对常规性混凝土撞断起到一定的减震作用。橡胶混凝土桩段长度与自身减震效率的关联性模拟曲线呈现出“S”形，延长橡胶混凝土桩段的长度，会使橡胶混凝土桩段的减震效率明显提升。