本发明涉及建筑结构隔震设计领域，特别涉及一种套管桩—基础垫层联合隔震体系及其套管桩施工方法。
背景技术：
地震是目前世界上最具威胁和破坏性的自然灾害之一。长期以来，人们致力于研究如何预测或预防这种极不确定的灾害，但由于地震发生过程复杂，而现阶段人们对于地球的认识仍具局限性，研究其中机理是极其困难的。因此，为避免生命财产安全受到严重的损失，必须从人们进行日常活动的建筑物本身入手，增强其本身的抗震性能或隔震性能，以达到在地震来临时减小其破坏作用的目的。传统减小地震动破坏的措施是从抗震角度出发，通过增加结构本身的刚度，使结构竖向和水平向刚度趋于均匀，进而减小其遭受结构底部水平作用时形变过大导致结构失效这一问题的可能性，同时通过增加这种抗性，消除或减小结构薄弱层的影响。现如今新兴的建筑隔震技术应用广泛，隔震体系主要由上部结构、隔震层、下部结构三部分组成。其隔震机理主要是通过隔震层的作用将结构物与固结于地基中的基础顶面分开，而隔震层本身的水平刚度显著低于上部结构的侧向刚度，使得地震动所产生的能量传来时隔震层本身发生较大形变，进而减少向上传递的能量。总的来说，抗震技术是以“抗”为主，增加结构本身的刚度；隔震技术是以“放”为主，增加隔震层的柔度。
目前工程应用中最常见的是以叠层天然橡胶支座加阻尼、铅芯叠层橡胶支座和高阻尼叠层橡胶支座为基础的叠层橡胶隔震系统和以聚四氯乙烯摩擦板为基础的摩擦滑移隔震系统。虽然隔震技术已趋于多元化，且措施方法也日渐成熟，但仍存在不少短板。当隔震技术应用于自振周期较长的高层建筑时，对于支座部分的抗拔、拉强度的要求比较苛刻，需要解决隔震抗倾覆和支座受拉的问题；此外，隔震技术往往通过降低阻尼比、延长结构基本周期来达到隔震效果，这势必会降低隔震系统本身的刚度，增大形变量。在长期往复的作用下，其本身抗震效果会显著降低，尤其对于具有长周期成分的近断层地震，长周期的隔震结构将遭受更不利的影响。
因此，采用一种既可降低结构阻尼比、延长自振周期，又可规避支座受拉问题，保证一定使用寿命的，符合当今绿色建筑、节能环保理念的隔震方式成为了一个优选方案。
技术实现要素：
本发明的目的是解决现阶段隔震技术中存在的缺陷，提供一种套管桩—基础垫层联合隔震体系及其套管桩施工方法。本发明对基础下部桩体部分进行结构上的改进，通过增加一个直径大于桩体本身的套管，向其中加入制备好的土—橡胶集料混合材料，并在套筒外部进行与土壤介质的隔离处理来实现桩基的隔震效果。此外，基础垫层也同样采用含有以这种橡胶集料与砂土混合而成橡胶砂的橡胶混凝土材料。综合利用桩体、垫层材料和结构的改变，起到耗散地震能量、减弱地震影响进而达到隔离地震的效果。
本发明采用的套管桩结构及其中的橡胶砂由于本身的高弹性、低模量的特性降低了整体结构的阻尼比，延长了结构的基本周期，达到隔震效果。该结构利用振动波在遇到隔震材料后发生反射、折射及衍射形成的相位差，并在套筒外部设置隔离层，使部分地震动能量发生偏转。
套管桩内新型橡胶砂的比重、剪切模量较小，在受到地震动传递的能量时一方面会产生较大的横向变形，另一方面会利用自身颗粒与颗粒之间的摩擦作用消耗部分地震能量。此外河砂本身固有的阻尼特性同样会使地震作用减弱。因此从隔震体系下部向上传递的波动以及波的透射作用而引起的结构反应将主要由隔震层吸收能量实现，从而延长套管装使用寿命。
由于本发明采用新型桩基础结构，因此对其施工工艺进行了一定的改进。具体表现为对地基的二次开挖。在将桩体打入地基后，需开挖一个放置套管的空间，本发明采用梅花桩布置桩承台的形式，因此用一种环形开挖的施工方法以每个桩体轴心线为圆心，略大于套管直径的尺寸进行基坑的开挖，如遇桩距较近的情况可改为以承台形状边界为基础的区域开挖，开挖深度达到套管底部标高即可。
同时利用上述配比的橡胶集料制作橡胶混凝土来筑造基础垫层，作为一种传统的隔震方式隔离地震能量，且可将地基反力重新均匀的分配给桩和桩间土。
综上套管桩部分和基础垫层联合成为一种隔震体系，二者的结合使用，在保证一定隔震效果的前提下，也更好的应用了基础本身的抗震性能，同时延长了隔震体系的使用寿命。
本发明所采用的技术方案是：一种套管桩—基础垫层联合隔震体系，包括基础垫层和多个套管桩，其中，
所述基础垫层布置在桩承台下方、并位于周围土体内；
每个所述套管桩包括桩体、套管和填充材料，所述桩体的桩顶穿过所述基础垫层嵌入至所述桩承台内与所述桩承台固定连接，所述桩体的桩底穿过所述周围土体深入至坚硬土层内；所述套管套设在所述桩体的外部、并位于所述桩体的上部，所述套管的上端面与所述基础垫层的下表面相接触；所述填充材料填充在所述套管与所述桩体之间。
进一步地，所述填充材料采用橡胶砂。
进一步地，所述基础垫层采用橡胶混凝土制成，所述橡胶混凝土由水泥、粉煤灰、水、石子和橡胶砂组成，所述水泥、粉煤灰、水、石子、橡胶砂的配合比为1.0∶0.6∶1.0∶6.69∶4.73。
进一步地，所述橡胶砂由橡胶集料和砂土组成，所述橡胶集料的质量含量占所述橡胶砂总质量的30％～40％；其中，所述橡胶集料由40目橡胶颗粒、60目橡胶颗粒、80目橡胶颗粒和100目橡胶颗粒组成，所述40目橡胶颗粒、60目橡胶颗粒、80目橡胶颗粒和100目橡胶颗粒的质量比为2∶4∶3∶1。
进一步地，所述套管的外表面设置有隔离层，用于隔离所述套管的侧壁与外界土壤介质，延长波的传播路径，并将一部分能量通过反射和折射的形式耗散。
进一步地，所述隔离层包括隔离剂与塑料薄膜，所述隔离剂涂覆在所述套管的外表面上，所述塑料薄膜将涂覆有所述隔离剂的所述套管包覆在内。
进一步地，所述基础垫层的厚度大于70mm。
进一步地，所述桩承台采用五桩或八桩的梅花桩形式布置。
进一步地，所述桩承台采用五桩梅花桩形式布置时，中心桩最长，角桩次之；所述桩承台采用八桩梅花桩形式布置时，中部边桩最长、中心桩次之、角桩最短。
本发明所采用的技术方案是：一种上述套管桩—基础垫层联合隔震体系的套管桩施工方法，包括以下步骤：
进行钻孔打桩工序；
打桩完成后以大于套管直径的尺寸环形开挖出套管放置的空间；
将套管放置好后，在套管与桩体之前填充填充材料，将填充材料抹平、压实，完成套管桩的安装。
本发明的有益效果是：
1、通过采用一种橡胶砂作为填充材料的套管桩以及将基础垫层混凝土中细骨料替换为橡胶粉混合集料的方式，延长了结构的基本周期，减小垫层水平刚度，与套管桩部分联合形成隔震层，起到隔离地震的作用。并且可以通过增加套管长度或使用质量配比更高的橡胶颗粒混合物来延长套管装的使用寿命。
2、建筑物对地震反应的影响因素主要包括结构物的基本周期和阻尼比两部分。套管橡胶砂中橡胶颗粒本身具有低弹模，低比重的特点，与砂土混合后作为套管填充部分减小了隔震层的水平刚度，降低了结构的阻尼比，并且利用土壤固有的阻尼特性和橡胶颗粒粘弹性行为与恢复力而产生的能量吸收能力吸收部分地震能量，达到隔震效果。
3、采用在套管外附加隔离剂与塑料薄膜的方式，使套管侧壁与外界土壤介质隔离开，延长了波的传播路径，并将一部分能量通过反射和折射的形式耗散，减小了隔震材料的负担，也使更多地震波需穿过整个隔震层，充分利用橡胶砂隔震材料与套管桩结构本身的抗震性能。
4、桩的排布方式上可采用桩体长度由中心线向外逐渐减小的形式，使桩体受力、振动效果更加均匀，充分发挥材料特性，延长结构使用寿命。且
这种先打桩，后套管的方式也使得材料更换更加简便，减小施工难度。
附图说明
图1：本发明套管桩—基础垫层联合隔震体系整体结构示意图；
图2：本发明的套管桩的剖立面结构示意图；
图3：本发明的套管桩的水平剖面结构示意图；
图4：本发明的套管桩的桩体配筋示意图；
图5a：本发明采用五桩梅花桩布置时的基础平面图；
图5b：本发明采用八桩梅花桩布置时的基础平面图；
图6a：本发明采用五桩梅花桩布置时的桩承台剖立面图；
图6b：本发明采用八桩梅花桩布置时的桩承台剖立面图；
图7a：本发明采用五桩梅花桩布置时的不等长桩基础布置示意图；
图7b：本发明采用八桩梅花桩布置时的不等长桩基础布置示意图；
附图标注：
1——上部结构；2——桩体；
3——填充材料；4——周围土体；
5——持力层；6——桩承台；
7——基础垫层；8——桩体纵向受力筋；
9——套管；10——隔离层。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如附图1至图7b所示，本发明提供了一种橡胶砂作为填充材料3的套管桩基础以及橡胶混凝土隔震垫层的联合隔震系统，并在对系统中子结构部分的施工工艺上提出了相应的施工方案，具体内容如下：
一种套管桩—基础垫层联合隔震体系，包括上部桩承台6下的基础垫层7和基础下部的多个套管桩。
由于本发明桩基础采用端承桩的形式，因此，每个所述套管桩由端承桩桩体2、涂有隔离层10的套管9以及套管9与桩体2之间的填充材料3组成。
所述桩体2的桩顶穿过所述基础垫层8嵌入至所述桩承台6内与所述桩承台6固定连接，所述桩体2的底端穿过所述周围土体4深入至持力层5(较坚硬)内。所述桩体2的长度由持力层5所处位置决定，保证端承桩打下后其端面位于持力层5上。所述桩体2的纵向受力筋8均锚入至所述桩承台6内。所述桩体2的直径为500mm。
所述套管9套设在所述桩体2的外部、并位于所述桩体2的上部，所述套管9与所述桩体2同轴布置，所述套管9的上端面与所述基础垫层8的下表面相接触。所述套管9的直径为1000mm，一般取6m长；所述套管9采用钢材材质制成。所述套管9的外表面设置有隔离层10，使所述套管9的侧壁与外界土壤介质完全隔离，目的是为了当斜入射的地震波传至桩体2上部时，大部分可以被隔断，只允许在隔离层10表面发生反射和折射，尽可能使波在隔震体系中的传播路径从桩体2下部开始，一方面充分利用套管桩和基础垫层8中橡胶砂介质的隔震性能，另一方面一定程度上延长了波的传播路径，使地震波衰减作用更加明显。其中，所述隔离层10包括隔离剂与塑料薄膜，所述隔离剂涂覆在所述套管9的外表面上，所述塑料薄膜将涂覆有所述隔离剂的所述套管9包覆在内。
所述填充材料3填充在所述套管9与所述桩体2之间，如图2和图3所示。所述填充材料3采用橡胶砂，所述橡胶砂由橡胶集料和砂土组成，本实施例中，将所挖出的基坑土或者准备用作地基回填的土体与废旧轮胎破碎后制成的橡胶颗粒混合而成。所述橡胶集料由40目橡胶颗粒、60目橡胶颗粒、80目橡胶颗粒和100目橡胶颗粒组成，所述40目橡胶颗粒、60目橡胶颗粒、80目橡胶颗粒和100目橡胶颗粒的质量比为2∶4∶3∶1。之后将配好的橡胶集料以设定比例与准备用作回填土的材料混合，干拌均匀后填充进套管9内，填充时应采用分层填充压实的方法以确保填充体的密实均匀。实验证明橡胶集料的用量占所述橡胶砂总量的30％～40％之间时，可达到最大隔震效果，因此，本实施例中，在不过多影响地基沉降的基础上选用了35％这一质量配比值。
施工时，采用基坑二次开挖的方式，打入桩体2后再根据套管9放置空间和桩距问题进行环形开挖。具体地，所述桩体2上部的套管9部分应先进行端承桩的钻孔、下钢筋笼、灌筑作业，待桩体2强度达标后，再以各桩轴线为中心环形开挖到套管9底部标高处。所用桩体2直径为500mm沉管灌筑端承桩，套管9为直径1000mm、长度6m的钢套筒，如图2和图4所示，开挖时应使环形坑直径略大于套管9，目的是为了防止送入套管9时外部土体将套管9表面隔离层10损坏，影响隔震效果。当遇到桩距较小不易环形开挖的情况时，也可以上部桩承台6形状为基础进行相邻桩体环形坑的开挖。其次将套管9表面涂上隔离剂，贴塑料薄膜，处理完成后送入坑内，应定位放筒，尽量保持套管9轴线与相应桩体2轴线重合。之后即可向套管9与桩体2间填充橡胶砂。对于套管9长度与桩体2的比值，理论上套管9越长，所用橡胶砂越多时，其隔震性能越好，但也应考虑经济效益和施工技术问题，因此选用6m套管。
所述基础垫层8布置在桩承台6下方、并位于周围土体4内。所述基础垫层8采用橡胶混凝土制成，所述橡胶混凝土即为采用与上述套管桩填充材料相同的橡胶砂制备出的c10强度以上的混凝土材料，具体地，所述橡胶混凝土由水泥、粉煤灰、水、石子和橡胶砂组成，所述水泥、粉煤灰、水、石子、橡胶砂的配合比为1.0∶0.6∶1.0∶6.69∶4.73。本发明中将垫层混凝土中的细骨料替换为上述橡胶砂材料，制备成橡胶混凝土，一定程度上利用橡胶本身比重小，弹性模量小的特点，将基础垫层8和套管桩部分作为隔震层，减小了水平刚度，由橡胶颗粒之间的摩擦耗能，隔震层柔部变形耗能来减少地震能量向上部的传递。此外，所述基础垫层8应保证厚度大于70mm，且当遇到不均匀地基的情况时可采用褥垫层的形式进行处理，调整桩和土分担荷载的作用，使荷载均匀传至桩间土上，使桩间土体受力均匀。所述基础垫层8连接套管桩与上部桩承台6形成隔震体系，如图6所示。
所述桩承台6可采用梅花桩形式布置，根据上部结构1需要分为五桩或八桩形式，即，采用五个套管桩或八个套管桩，如图5a至图7b所示。布置时应注意保持桩距在2.5倍到4倍桩径之间，以避免群桩效应和承载力不足的问题。此外，套管桩长度可不按等长取用，由桩承台6中心向四周逐渐变短。五桩时，中心桩最长、角桩次之；八桩时，中部边桩最长、中心桩次之、角桩最短。结构中力通常是按刚度分配的，而对于桩基础来说，一般长度越短刚度越大。在诸多实例中可知对同一桩承台6，中心位置所受正压力最大，角部较小。为使上部结构1所传力传递均匀，也为了使地震动来临时所造成的基底反力均匀，采用这种布置形式可充分发挥材料特性，使桩体2振动效果均匀。此外，本发明并未限制桩体2布置形式，亦可按桩承台6所处建筑平面位置来确定其所受上部结构力是中柱、边柱亦或角柱传导，进而更细致的确定各承台下各桩长度。但应注意简便施工原则，不可使桩种类过于繁杂，影响施工进度与经济效益。
本发明利用橡胶砂材料本身的摩擦耗能、形变耗能以及其固有的阻尼特性削弱地震波传播的能量。同时利用套管桩和基础垫层8联合体系这一结构减小隔震层水平刚度，延长结构自振周期进而有效减弱了地震动对结构的影响。与此隔震体系相对应的施工工艺避免了对套管隔离层10的破坏，施工工序也更为合理。综合上述三方面内容在现有施工技术手段允许的前提下显著提高了隔震体系的隔震效果。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
1.一种套管桩—基础垫层(7)联合隔震体系，其特征在于，包括基础垫层(7)和多个套管桩，其中，
所述基础垫层(7)布置在桩承台(6)下方、并位于周围土体(4)内；
每个所述套管桩包括桩体(2)、套管(9)和填充材料(3)，所述桩体(2)的桩顶穿过所述基础垫层(7)嵌入至所述桩承台(6)内与所述桩承台(6)固定连接，所述桩体(2)的桩底穿过所述周围土体(4)深入至坚硬土层(5)内；所述套管(9)套设在所述桩体(2)的外部、并位于所述桩体(2)的上部，所述套管(9)的上端面与所述基础垫层(7)的下表面相接触；所述填充材料(3)填充在所述套管(9)与所述桩体(2)之间。
2.根据权利要求1所述的套管桩—基础垫层(7)联合隔震体系，其特征在于，所述填充材料(3)采用橡胶砂。
3.根据权利要求1所述的套管桩—基础垫层(7)联合隔震体系，其特征在于，所述基础垫层(7)采用橡胶混凝土制成，所述橡胶混凝土由水泥、粉煤灰、水、石子和橡胶砂组成，所述水泥、粉煤灰、水、石子、橡胶砂的配合比为1.0∶0.6∶1.0∶6.69∶4.73。
4.根据权利要求2或3所述的套管桩—基础垫层(7)联合隔震体系，其特征在于，所述橡胶砂由橡胶集料和砂土组成，所述橡胶集料的质量含量占所述橡胶砂总质量的30％～40％；其中，所述橡胶集料由40目橡胶颗粒、60目橡胶颗粒、80目橡胶颗粒和100目橡胶颗粒组成，所述40目橡胶颗粒、60目橡胶颗粒、80目橡胶颗粒和100目橡胶颗粒的质量比为2∶4∶3∶1。
5.根据权利要求1所述的套管桩—基础垫层(7)联合隔震体系，其特征在于，所述套管(9)的外表面设置有隔离层(10)，用于隔离所述套管(9)的侧壁与外界土壤介质，延长波的传播路径，并将一部分能量通过反射和折射的形式耗散。
6.根据权利要求5所述的套管桩—基础垫层(7)联合隔震体系，其特征在于，所述隔离层(10)包括隔离剂与塑料薄膜，所述隔离剂涂覆在所述套管(9)的外表面上，所述塑料薄膜将涂覆有所述隔离剂的所述套管(9)包覆在内。
7.根据权利要求1所述的套管桩—基础垫层(7)联合隔震体系，其特征在于，所述基础垫层(7)的厚度大于70mm。
8.根据权利要求1所述的套管桩—基础垫层(7)联合隔震体系，其特征在于，所述桩承台(6)采用五桩或八桩的梅花桩形式布置。
9.根据权利要求8所述的套管桩—基础垫层(7)联合隔震体系，其特征在于，所述桩承台(6)采用五桩梅花桩形式布置时，中心桩最长，角桩次之；所述桩承台(6)采用八桩梅花桩形式布置时，中部边桩最长、中心桩次之、角桩最短。
10.一种基于权利要求1至9任意一项所述的套管桩—基础垫层(7)联合隔震体系的套管桩施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
进行钻孔打桩工序；
打桩完成后以大于套管(9)直径的尺寸环形开挖出套管(9)放置的空间；
将套管(9)放置好后，在套管(9)与桩体(2)之前填充填充材料(3)，将填充材料(3)抹平、压实，完成套管桩的安装。
技术总结