一种蘑菇形刚性短桩-橡胶砂复合隔震垫层技术领域
本发明为一种针对普通多层房屋隔震应用的隔震垫层，由一种创新的蘑菇形刚性
短桩与废旧轮胎橡胶颗粒和砂的混合物构成复合横观各向同性隔震层，铺设于房屋结构地
基和基础之间，起到隔离地震、耗散能量的作用，涉及到建筑结构、岩土工程和结构抗震与
隔震领域。
背景技术
在汶川地震、玉树地震、雅安地震以及最近的国内外多次地震中，以村镇民居、学
校、医院、办公楼建筑为代表的普通低、多层建筑破坏严重，成为造成地震灾难的主要原因；
对这些房屋进行隔震，是提高其抗震安全性、降低地震灾害的最直接有效的途径之一；但由
于这些房屋自身造价较低，使用不起已有的昂贵的隔震技术；因此，发明能应用于普通房屋
建筑的廉价的隔震方法非常必要。
随着汽车在我国的普及，废旧轮胎越来越多，给环境带来巨大压力，如何有益地利
用废旧轮胎，已成为世界范围内一项严峻而又亟待破解的课题。
将废旧橡胶轮胎经机械破碎后得到的碎块颗粒与天然砂按照一定比例配合，组成
的人工填料，简称橡胶砂（RSM，Rubber Sand Mixture），并将这种混合填料作为土木工程中
的建筑材料，是废旧轮胎有益再利用的途径之一。
已有研究表明：由于橡胶颗粒的高弹性、低模量特性，橡胶砂具有模量低、弹性好、
能耗高的特点，从而可能作为一种减震耗能材料。
橡胶砂用于隔震，所使用的材料为废旧轮胎和天然砂粒，消耗废品，取材容易，是
一种廉价、环保的隔震方法。
单纯的橡胶砂宏观上属于各向同性材料，也就是在水平方向具有较小的剪切模量
的同时，竖向的压缩模量也比较小，存在引起上部结构产生过大静力沉降和在地震中整体
倾覆的隐患，隔震应用受到限制。
基底隔震元件的基本要求为：隔震层应该同时具有水平刚度小、竖向刚度大、具有
回复能力。
要更好地实现橡胶砂垫层隔震，必须发明新的措施，在保持橡胶砂垫层水平刚度
较小的同时，大幅提高垫层的竖向模量和竖向承载能力；这是实现橡胶砂垫层隔震应用推
广的最关键的问题。
发明内容
本发明提出一种蘑菇形刚性短桩-橡胶砂复合隔震垫层，其基本形式如图1和图2
所示：对于地基承载力较高或有地基垫层的情况，刚性短桩采用工型蘑菇桩，即上下两端均
为球冠状，如图1所示；对于地基承载力较低或无地基垫层的情况，刚性短桩采用T型蘑菇
桩，上端为球冠状，下端为带圆角的桩端支承在刚性扩大的桩础上，如图2所示。
蘑菇形刚性短桩-橡胶砂复合隔震垫层的主要构造：垫层为具有一定厚度的铺设
于地基（1）和结构基础（4）之间的层状结构物，其由竖向布置的蘑菇形刚性短桩（2）和橡胶
砂（3）组合而成。
所示橡胶砂（3）由废旧橡胶颗粒和天然砂按照一定比例混合得到，是一种混合散
体材料。
所述蘑菇形刚性短桩（2）分为两种类型，一种是工形蘑菇桩，一种是T形蘑菇桩。
工形蘑菇桩由上下两端的桩冠（5）和连接桩冠的桩身组成，其几何特性参数有：桩
冠的球面半径R、桩冠的投影直径D、桩身的直径d、短桩的总长度L，如图3所示。
T形蘑菇桩由上端的桩冠（5）、中间的桩身（6）和下端的用于扩散桩端应力的桩础
（7）组成，其几何特性参数有：桩冠的球面半径R、桩冠的投影直径D、桩身的上端直径d1、桩
身的下端直径d2、短桩的总长度L，如图4所示。
考虑到地震作用方向的随机性，短桩横截面应为轴对称或双轴对称形式，同时应
能与橡胶砂的接触面尽量大以获得足够的弹性回复力，反之也能充分挤压橡胶砂以使其阻
尼耗能效应得到发挥，故可采用圆形或十字形，如图5所示，十字形横截面的几何特征（直径
d和壁厚t）合理值经过研究确定。
蘑菇桩的几何特性参数取值经研究确定。
单个蘑菇形短桩与橡胶砂组合体的受力变形特性为：当短桩的上下端发生水平剪
切变形时，短桩：①通过上下两端近似铰结的构造形式发生刚体转动，并不参与抵抗水平外
力，橡胶砂垫层原有的较小剪切刚度不受影响；②通过球冠与基础和地基的接触能够继续
承担竖向荷载、保证垫层具有较大的竖向承载力和竖向刚度；③当短桩偏离平衡位置后，周
围橡胶砂对其产生的土压力将形成回复力矩使得短桩回复至平衡位置。其受力特性如图6
所示，对应的理想力学模型如图7所示。
蘑菇形刚性短桩-橡胶砂复合垫层的隔震工作机理为：当地震引起地基（1）和基础
（4）之间产生相对水平变形时，蘑菇形刚性短桩（2）两端沿着桩冠（5）的球面曲线在基础（4）
和地基（1）之间发生刚体转动，短桩对地基（1）和基础（4）之间的相对位移水平的阻力很小，
地基（1）和基础（4）两者之间的剪切刚度仅由橡胶砂决定，故水平剪切刚度很小；同时短桩
刚度很大，通过上下桩冠（5）分别与地基（1）和基础（4）之间的接触，保证竖向荷载能通过刚
性短桩传递，竖向变形很难发生，故复合垫层获得较大的竖向承载力和竖向刚度；另一方
面，当短桩偏离初始竖直位置后，周围橡胶砂对桩身和桩冠产生土压力，形成使得短桩回复
至平衡位置的回复力矩。
因此，蘑菇形刚性短桩-橡胶砂复合垫层将像一个基本隔震元件一样工作：①在上
下端发生水平相对位移时，水平剪切刚度很小；②具有较大的竖向刚度和竖向承载力；③具
有自动回复平衡位置的功能。同时，由于橡胶砂较大的阻尼特性，橡胶砂-蘑菇形短桩复合
垫层同样具有良好的耗能性能。蘑菇形刚性短桩-橡胶砂复合垫层的理想工作机理如图8所
示。
在实际工程中，蘑菇形短桩的转动能力主要受桩冠（5）的几何特性（球面半径R、冠
体直径D）、桩身（6）的直径（d或d1、d2）以及桩长L的影响，其取值经过研究确定。
蘑菇形刚性短桩可采用混凝土材料，在经济落后的边远地区，桩身可采用沥青防
腐木桩、砌块组合桩、料石、内填混凝土塑料管等就地取材的材料；蘑菇形刚性短桩的制作
可采用工厂预制，这既符合目前国家的装配式建筑发展战略要求，也可进一步降低造价。
根据蘑菇形刚性短桩桩身形式的不同，提出了6种典型的蘑菇形刚性短桩形式，如
图9至图14所示。实际工程应用中不限于该6种形式。
蘑菇形刚性短桩-橡胶砂复合垫层具有较低的水平剪切刚度，具有较高的竖向刚
度和竖向承载能力，具有自我回复功能，具有较大的阻尼耗能能力，符合隔震元件的所有要
求，将其铺设与地基与结构基础之间，可起到良好的隔震效果；蘑菇形刚性短桩-橡胶砂复
合垫层主要材料为废旧轮胎橡胶颗粒、天然砂和蘑菇形刚性短桩，取材容易、消耗废品、成
本低廉、构造简单，是一种广泛适用于普通建筑结构的隔震方法。
附图说明：
图1是工形蘑菇桩与橡胶砂组成的复合垫层示意图；
图2是T形蘑菇桩与橡胶砂组成的复合垫层示意图；
图3是工形蘑菇桩几何构造及参数示意图；
图4是T形蘑菇桩几何构造及参数示意图；
图5是蘑菇桩桩身截面形式示意图；
图6单个蘑菇桩在橡胶砂垫层中的受力变形机理示意图；
图7是单个蘑菇桩与周围一半桩距范围内橡胶砂形成的复合单元体力学模型示意图；
图8是蘑菇形刚性短桩-橡胶砂复合垫层的力学变形机理示意图；
图9是桩身截面为圆形的工形蘑菇形桩三维示意图；
图10是桩身截面为十字形的工形蘑菇形桩三维示意图；
图11是桩身截面为等截面圆形的T形蘑菇形桩三维示意图；
图12是桩身截面为变截面圆形的T形蘑菇形桩三维示意图；
图13是桩身截面为等截面十字形的T形蘑菇形桩三维示意图；
图14是桩身截面为变截面十字形的T形蘑菇形桩三维示意图；
各图中数字编号所指的意义如下：
1-地基；2-蘑菇形刚性短桩；3-橡胶砂（RSM）；4-基础；5-桩冠；6-桩身；7-桩础 。