單面鋼絲網水泥砂漿加固承重夯土墻體抗震試驗研究

張又超，王毅紅，張項英，權登州

（長安大學建筑工程學院，陜西 西安 710061）

生土結構房屋就地取材、造價低廉、綠色環(huán)保、保溫與隔熱性能優(yōu)越，在我國農村地區(qū)大量存在[1-4]，但目前在役生土房屋的結構安全及抗震性能方面存在著較大的問題，大批在役生土結構房屋有抗震加固的需求[5-6]．鋼筋網水泥砂漿面層加固已證明是一種行之有效的磚墻加固方法，能明顯提高墻體的抗震能力[7-9]，用這種方法加固土坯墻體也能夠大幅度提高其承載力[10]，但用該法對夯土墻體加固的效果尚未得到試驗驗證．本文采用鋼筋網水泥砂漿面層對夯土墻體進行加固，對比分析不同加固方法對夯土墻體受力及抗震性能的影響，為制定住建部行業(yè)標準《村鎮(zhèn)建筑抗震鑒定與加固技術規(guī)程》提供編制依據．

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

參考村鎮(zhèn)夯土墻承重房屋的實際尺寸，取4 950 mm×3 900 mm×720 mm尺寸的墻體為原型，結合試驗室加載設備的情況，采用1:3縮尺比例，夯土墻試件的尺寸為：1 650 mm×1 300 mm×240 mm．模型與原型的參數相似關系見表 1．制作了五片夯土墻試件：夯土墻對比試件（W-1），正放鋼絲網水泥砂漿面層加固的夯土墻試件2片（W-2-1，W-2-2），斜放鋼絲網水泥砂漿面層加固的夯土墻試件 2片（W-3-1，W-3-2），試件的外形及尺寸見圖1．

表1 模型與原型的相似關系Tab.1 The similar relationship between model and prototype

圖1 正放、斜放的鋼絲網水泥砂漿面層加固夯土試件Fig.1 The rammed earth specimen reinforced with upright or oblique steel mesh and mortar surface layer

加固試件所采用的鋼絲網的鋼絲直徑為2 mm，鋼絲網格尺寸為100 mm×100 mm，試驗前對單根鋼絲進行張拉試驗，實測鋼絲平均抗拉強度為668.79 MPa．對夯土墻體所用土料進行土工試驗得到性能參數如表2所示．

表2 土工試驗結果Tab.2 Results of soil test

夯土墻基礎用鋼筋混凝土梁模擬，梁面為澆筑的自然毛面，接近實際情況中的毛石基礎，但比毛石基礎的抗滑能力差．底梁澆筑完成后，在室內養(yǎng)護28 d，然后在梁上夯筑墻體．為使試驗接近實際情況，夯土墻完全按照民間工藝制作，使用高為300 mm的鋼模板作為模具，每層放入素土150～180 mm，夯實后厚度約為 100 mm．墻體制作完成后，在室內常溫下養(yǎng)護3個月，再進行加固．墻體干縮較大，有不同程度的裂縫，最大裂縫寬度可達到10 mm，最長裂縫達1 200 mm．

加固前在墻體上用直徑為6 mm的鉆頭進行鉆孔，鉆孔的位置和布局如圖1中所示．鉆孔后選擇加固面層進行人工鑿毛，并除去墻面的浮土，刷一層1 mm厚的素水泥漿，將鋼絲網(正方或斜放)置于墻面，用穿墻螺桿固定，螺桿與鋼絲網綁扎連接，墻面另一側用墊板和螺母將螺桿拉緊(見圖2)．鋼絲網固定后，在墻面抹M10水泥砂漿，加固層的總厚度控制在12 mm左右．加固墻體在室內養(yǎng)護28 d后進行試驗．

圖2 鋼絲網固定Fig.2 Fixed with steel mesh

1.2 加載方法與加載制度

模擬墻體實際受荷狀態(tài)，在墻頂施加恒定豎向荷載和低周反復水平荷載．施加的豎向荷載是按照二層三開間的一字型布局生土房屋的實際荷載計算所得，原型墻體頂部所承受的的豎向荷載為529.83 kN，考慮縮尺關系，施加在試件上的豎向荷載為58.87 kN，該荷載維持至試驗結束．為保證荷載均勻作用在墻體上，在墻頂平鋪20～30 mm厚水泥砂漿找平層，其上安裝工字鋼，將軸力穩(wěn)壓裝置的集中荷載轉化為均布荷載作用在墻頂．

低周反復水平荷載由美國MTS公司生產的50T電液伺服作動器施加，作用在墻體平面內，試驗裝置見圖3．試件加載采用位移控制，每級0.5 mm，加至4.0 mm后每級1.0 mm，加至10.0 mm后每級2.0 mm，各循環(huán)2次，加載速度0.2 mm/s，直至試件破壞為止．

圖3 試驗裝置圖Fig.3 The view of test equipment

1.3 測點布置及數據采集

試驗安裝位移計監(jiān)測底梁和墻體位移（見圖4）．位移計3觀察水平方向位移，位移計2和6觀察底梁是否發(fā)生偏轉，位移計4和5觀察墻體的剪切位移，位移計1觀察墻身位移．

圖4 墻體測點布置圖Fig.4 Locations of test on the wall

2 試驗過程及現象

全部5個墻體試件從加載開始到破壞經歷了彈性、彈塑性、破壞三個階段，其破壞形式均表現為剪切破壞．

未加固夯土墻體W-1試件在拉0.5 mm時墻體中部、靠近初始水平裂縫下方出現細微斜裂縫；隨著位移的增加，在初始的水平和豎直干縮裂縫下方出現的拉向 45°斜裂縫與初始裂縫相交；推 9 mm時，墻體兩側出現圖5紅圈中所示的貫通裂縫，并且墻根出現松動，整個墻體有被抬起跡象；位移繼續(xù)增大，45°斜裂縫向上向下延伸形成貫通的拉向斜裂縫，在推12 mm時，多數裂縫已發(fā)展完全，墻體松動破壞，試驗結束．

采用鋼絲網加固的墻體，拉1.5 mm時，在未加固一側出現細小裂縫；隨著位移增加，在推拉2～3.5 mm時，未加固一側的夯筑分層處出現水平裂縫；隨位移增大，裂縫繼續(xù)發(fā)展，在拉11 mm時，45°斜裂縫與夯筑分層處的水平裂縫相交貫通；推14 mm時，在加固一側出現斜向交叉的細小裂縫；拉16 mm時，墻體厚度方向的加固面層出現凸起，與墻體剝離，隨位移增大，部分掉落；推18 mm時，w-3-1墻體未加固一側在水平通縫與斜向貫通裂縫之間出現土塊破落現象(見圖 8(b))，停止加載，試驗結束．至試驗結束，加固一側始終未出現大的裂縫，墻角基本維持完整，墻體未出現抬起現象．

正放鋼絲網加固墻體 W-2-1、W-2-2與斜放鋼絲網墻體W-3-1、W-3-2破壞過程與現象大致相似，其破壞形態(tài)分別見圖6～9．

圖5 W-1破壞圖Fig.5 The destroying figure of W-1

圖6 W-2-1破壞圖Fig.6 The destroying figure of W-2-1

圖7 W-2-2破壞圖Fig.7 The destroying figure of W-2-2

圖8 W-3-1破壞圖Fig.8 The destroying figure of W-3-1

圖9 W-3-2破壞圖Fig.9 The destroying figure of W-3-2

3 試驗結果分析

3.1 墻體水平承載力和變形能力

各墻體在水平荷載作用下的開裂荷載、極限荷載及開裂位移、荷載峰值位移和極限位移見表3．

表3 試件在水平荷載作用下的荷載及位移Tab.3 The load and displacement ot specimen under lateral loads

由表中數據可知,加固后墻體的開裂荷載、極限荷載以及開裂位移、極限位移明顯高于未加固的墻體（W-1），說明鋼絲網水泥砂漿面層加固夯土墻體延遲了墻體開裂，提高了墻體承載能力和變形能力．

本次試驗的對比結果顯示，鋼絲網正方與鋼絲網斜放對墻體的加固效果影響不大．試件設計時考慮斜放鋼絲網的鋼絲與裂縫方向一致，擬考察其對斜裂縫的抑制作用，但本次試驗未表現出斜放鋼絲網加固的優(yōu)勢，可能與試件數量較少、施工質量差異等其他因素有關．

將各墻片的荷載情況與計算所得的地震力進行對比可以得出：未加固墻體在未達到6度時，即會開裂；經加固的墻體開裂荷載都大于7度，其中墻片W-2-2的開裂荷載超過了7度（0.15 g）．墻片W-1的極限荷載只能達到7度（0.15 g），經過加固的墻片中極限荷載最小的（W-3-1）也超過了8度，其他各墻片的極限荷載都明顯超過了 8度的地震力．可以看出，鋼絲網水泥砂漿面層加固夯土墻可明顯提高墻體的抗震性能．

3.2 滯回曲線和骨架曲線

各墻片的滯回曲線以及墻片間骨架曲線對比情況見圖10．

圖10 各墻片的滯回曲線Fig.10 Hysteresis curves

5個試件的滯回曲線，均表現為從加載開始到出現第一條裂縫之前，試件處于彈性階段，滯回曲線接近于直線，此時滯回環(huán)面積較?。畯牡谝粭l裂縫出現開始，試件進入彈塑性階段，曲線斜率變小，滯回環(huán)面積逐步增大．隨著加載位移繼續(xù)增大，新裂縫出現，原裂縫繼續(xù)發(fā)展，滯回曲線的形狀也有初始的梭形演化為弓形．

未加固試件W-1的滯回曲線在第一、第三象限下降比較明顯，并且下降段斜率較大，未出現塑性平臺，表現出明顯的脆性破壞特征．加固試件 W-2-1、W-2-2、W-3-1、W-3-2與W-1滯回曲線最明顯的區(qū)別是比較飽滿，證明加固后試件的耗能能力明顯增強．

從各片墻的骨架曲線分析，加固后墻體的極限荷載明顯大于未經加固的夯土墻體試件，鋼絲網水泥砂漿面層受力明顯，限制了斜向剪切裂縫的發(fā)展，提高了墻體承載力．進入下降段，加固試件的曲線斜率呈減小趨勢，比未經加固的試件平緩，由于鋼絲網水泥砂漿面層延緩了斜向剪切裂縫與夯筑分層處水平裂縫的貫通，限制了夯土墻體的急劇變形，使試件表現出了一定的延性．

4 結論

(1) 鋼絲網水泥砂漿面層加固夯土墻體是一種行之有效的加固方法，可以明顯提高夯土墻體的承載力，改善墻體脆性破壞特征．

(2) 鋼絲網水泥砂漿面層在試驗過程中受力明顯，能夠有效控制斜向剪切裂縫的發(fā)展，并延緩斜裂縫與墻體夯筑分層部位的水平通縫相交貫通．從而提高墻體極限荷載，約束墻體變形，在一定程度上防止了墻體的整體潰散垮塌．

(3) 試驗加載過程中，未加固夯土墻體墻根處出現松動，墻體有抬起跡象，鋼絲網水泥砂漿面層與混凝土底梁連接較好，加固墻體的墻角基本保持完整．表明在實際房屋中采用措施加強墻體與毛石基礎的抗滑移和抗剪性能有助于改善房屋的整體受力性能．

(4) 本次試驗中，斜放鋼絲網的加固方式與正放鋼絲網相比，在承載力方面差別不大，斜放鋼絲網試件的極限位移略大于正方鋼絲網試件，但由于試件數量有限，夯土材料、墻體的性能離散性較大，鋼絲網放置方式對加固效果的影響還有待進一步研究．

(5) 未加固的夯土墻有一定的抗震能力，可以滿足低烈度下的抗震要求．經過鋼絲網水泥砂漿面層加固后，夯土墻抗震能力可從7度（0.15 g）提高至8度，本文加固方法可為8度（0.20 g）及以下地區(qū)的在役生土房屋的加固改造提供參考，也是住建部行業(yè)標準《村鎮(zhèn)建筑抗震鑒定與加固技術規(guī)程》編制的試驗依據．

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