磚柱加強(qiáng)的夯土墻體抗震性能試驗(yàn)研究

張 坤，王毅紅，梁 楗，張又超，仲繼清

(長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061）

生土結(jié)構(gòu)民居在我國(guó)村鎮(zhèn)地區(qū)仍大量存在，生土房屋就地取材造價(jià)低廉、技術(shù)簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保、保溫隔熱性能優(yōu)越，但傳統(tǒng)營(yíng)建工藝方法使生土房屋結(jié)構(gòu)抗震能力不足，限制了生土房屋的推廣及應(yīng)用[1-4]．歷次地震后的宏觀調(diào)查表明[5-7]，生土結(jié)構(gòu)震害普遍十分嚴(yán)重，在西部地區(qū)，大地震中壞損或倒塌的農(nóng)房半數(shù)以上為生土房屋，針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究提出磚柱錨桿構(gòu)造、磚柱配筋砂漿帶構(gòu)造的新型生土夯土墻體，通過(guò)5個(gè)模型試件的試驗(yàn)對(duì)比，研究?jī)煞N新型混合結(jié)構(gòu)承重夯土墻體的抗震性能，驗(yàn)證此類構(gòu)造措施的有效性，為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鎮(zhèn)(鄉(xiāng))村建筑抗震技術(shù)規(guī)程》(JGJ161-2008)的修訂提供試驗(yàn)依據(jù)．

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

夯土墻試件以單片土墻作為試驗(yàn)研究單元，墻片尺寸為1 650 mm×1 300 mm×240 mm（原型尺寸4 950 mm×3 900 mm×720 mm）．

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了5片1:3縮尺模型試件，分別為素夯土墻試件，編號(hào)為W-1；帶磚柱和錨桿拉結(jié)的夯土墻試件2個(gè)，編號(hào)為W-4-1、W-4-2(見(jiàn)圖1?2)；帶磚柱和配筋砂漿帶結(jié)構(gòu)的夯土墻試件2個(gè)，編號(hào)為 W-5-1、W-5-2(見(jiàn)圖 1? 2)．

圖1 試件平面圖Fig.1 Plan of the walls

圖2 試件立面圖Fig.2 Elevation of the walls

表1 模型與原型相似關(guān)系Tab.1 Similarity relationship between model prototype

表2 土工試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of soil test

模型與原型的相似參數(shù)關(guān)系見(jiàn)表1所示，夯土墻體材料性能參數(shù)見(jiàn)表2所示．試驗(yàn)采用鋼筋混凝土梁模擬實(shí)際生土結(jié)構(gòu)房屋的基礎(chǔ)，梁的表面為澆筑混凝土后的自然毛面，和實(shí)際結(jié)構(gòu)中的毛石基礎(chǔ)面較為接近，但比毛石基礎(chǔ)面的抗滑能力低．在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d后開(kāi)始在底梁上夯筑墻體，夯土墻完全按民間工藝制作，模具采用定型鋼模板，模板高度300 mm，每層虛鋪 150～180 mm，夯實(shí)至 100 mm．夯土材料現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得含水量為18.9%，略大于最優(yōu)含水率[8]．試件在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)三個(gè)月后砌筑磚柱，砌筑完成后繼續(xù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)一個(gè)月后開(kāi)始試驗(yàn)．

墻體試件測(cè)點(diǎn)布置位置見(jiàn)圖3所示．測(cè)點(diǎn)1～4分別安裝百分表，其中1、2測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)在底梁與地面間、墻體與底梁間是否產(chǎn)生滑移；3、4測(cè)點(diǎn)測(cè)定墻體在兩個(gè)45度對(duì)稱方向的剪切變形；W-5試件在各砂漿帶表面沿長(zhǎng)度方向分別布置三個(gè)應(yīng)變片(見(jiàn)圖2)，通過(guò)應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)分析砂漿帶在低周反復(fù)荷載作用下的變形情況，進(jìn)而研究砂漿帶受力參與的情況．

1.2 加載裝置與加載制度

試驗(yàn)時(shí)，模擬墻體實(shí)際受荷狀態(tài)，在墻頂施加恒定豎向荷載和低周反復(fù)水平荷載．

豎向荷載是根據(jù)承重夯土墻房屋的實(shí)際尺寸，按帶閣樓的木屋蓋瓦屋面房屋的實(shí)際荷載計(jì)算，為529.83 kN．豎向荷載加載前，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，然后安裝工字鋼，將軸力穩(wěn)壓裝置的集中荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載作用在墻頂，一次加至縮尺試件的設(shè)計(jì)豎向荷載58.87 kN，維持恒定，并一直保持到試驗(yàn)結(jié)束．

低周反復(fù)水平荷載由美國(guó) MTS公司生產(chǎn)的50T電液伺服作動(dòng)器施加，作用在墻體平面內(nèi)，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖 4．為較好觀察試件破壞過(guò)程，試件加載采用位移控制，每級(jí)0.5 mm，加至4.0 mm后，每級(jí)1.0 mm；加至10.0 mm后，每級(jí)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 試件測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Measuring points on walls

圖4 試驗(yàn)裝置圖Fig.4 The pictures of test setup

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)破壞過(guò)程及破壞形態(tài)

試驗(yàn)加載過(guò)程中，試件經(jīng)歷了彈性、彈塑性和破壞三個(gè)工作階段，全部5個(gè)試件均為剪切破壞．墻體破壞形態(tài)見(jiàn)圖5所示，試件隨位移的循環(huán)而表現(xiàn)出的試驗(yàn)現(xiàn)象描述如下．

W-1試件在拉0.5 mm時(shí)墻體中部、靠近初始水平裂縫下方出現(xiàn)細(xì)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(xiàn)的拉向45°斜裂縫與初始裂縫相交，而推向裂縫一直未出現(xiàn)；推9 mm時(shí)，墻體出現(xiàn)貫通裂縫，墻根略有松動(dòng)，整個(gè)墻體有被抬起跡象；位移繼續(xù)增大，拉向45°斜裂縫向上向下延伸形成了整個(gè)貫通的拉向斜裂縫，在推 12 mm時(shí)，多數(shù)裂縫已發(fā)展完全，墻體松動(dòng)破壞，試驗(yàn)結(jié)束．

W-4-1試件在推1 mm時(shí)收縮通縫處出現(xiàn)多條細(xì)小裂縫；隨著位移的增加，新裂縫不斷出現(xiàn)，主要是距墻底260 mm、550 mm的兩條水平通縫，以及在推2.5 mm、拉2.0 mm時(shí)兩個(gè)方向的斜裂縫，由加載板下方斜向延伸至墻底，和原始收縮裂縫貫通；推6 mm時(shí)墻底兩條通縫完全形成，出現(xiàn)鼓土掉皮現(xiàn)象，通縫間的斜縫將墻體分割成數(shù)塊；推14 mm時(shí)磚柱開(kāi)始出現(xiàn)多條豎向裂縫；推18 mm時(shí)裂縫發(fā)育完全，試件破壞．

W-4-2試件在拉1 mm時(shí)原始受壓豎向裂縫向上延伸；拉9 mm時(shí)距墻底300 mm處出現(xiàn)水平通縫，伴隨大量斜裂縫出現(xiàn)，且斜裂縫之間開(kāi)始相互貫通、延伸，主要和加載板下方通縫、受壓豎向裂縫相交；拉14 mm時(shí)加載板處磚柱開(kāi)裂，有滑移的趨勢(shì)；推24 mm時(shí)出現(xiàn)剪切斜裂縫，和通縫貫通，磚柱滑移、開(kāi)裂，試驗(yàn)結(jié)束．

圖5 墻體破壞形態(tài)圖Fig.5 Failure pictures of the walls

W-5-1試件在推1.5 mm時(shí)砂漿帶角部出現(xiàn)斜縫；拉4.0 mm時(shí)，出現(xiàn)沿45o方向的斜裂縫，并隨著位移增加，斜縫兩頭繼續(xù)發(fā)展，向下延伸至墻底，和原始收縮裂縫貫通，向上延伸至加載桿下方，在底部砂漿帶處裂縫被斷開(kāi)；位移加載至拉 10 mm時(shí)，磚柱被抬起，距墻底高280 mm處通縫形成，伴隨鼓皮掉渣現(xiàn)象；推12.0 mm時(shí)，底部砂漿帶突然出現(xiàn)三條豎向裂縫；推14.0 mm時(shí)，推向剪切斜裂縫出現(xiàn)，從加載板處一直延伸至砂漿帶，和砂漿帶處豎縫貫通，繼續(xù)向下延伸，和砂漿帶底部通縫相接；繼續(xù)加載，拉20 mm時(shí)，砂漿帶中鐵絲被拉斷，砂漿帶中部和墻體完全分離，兩邊磚柱底部也出現(xiàn)大量豎向裂縫，停止加載，試驗(yàn)結(jié)束．

W-5-2試件在推1.5 mm時(shí)砂漿帶和墻體連接底部出現(xiàn)水平裂縫；拉8.0 mm時(shí)，砂漿帶下部100 mm處出現(xiàn)水平通縫，并伴隨鼓皮掉渣現(xiàn)象；位移加載至拉12 mm、推14 mm時(shí)，兩條對(duì)稱的45°剪切斜裂縫分別出現(xiàn)，由加載板下方開(kāi)始一直延伸至砂漿帶，越過(guò)砂漿帶和通縫相交；推16 mm時(shí)，通縫處已開(kāi)始大量掉土，砂漿帶部分已翹起，有和墻體脫離的趨勢(shì)；推20.0 mm時(shí)，砂漿帶已完全凸起，兩邊磚柱出現(xiàn)豎向裂縫，停止加載，試驗(yàn)結(jié)束．

由于混凝土底梁表面較光滑，和夯土墻的粘結(jié)相對(duì)較弱，在加載過(guò)程中墻體有翹起的現(xiàn)象，導(dǎo)致試件在底梁上滑移，甚至偏移水平加載軸線，影響墻體破壞形態(tài)，使墻體承載能力不能充分發(fā)揮，提前退出工作[9-11]．實(shí)際生土結(jié)構(gòu)房屋縱橫墻共同工作，墻體與基礎(chǔ)底面在在水平作用下發(fā)生滑移的可能性很小，且實(shí)際毛石或磚基礎(chǔ)、灰土基礎(chǔ)與生土墻體的接觸面比試驗(yàn)制作的混凝土底梁粘結(jié)抗滑性能高，因此現(xiàn)階段房屋破壞的薄弱部位是上部墻體．

本次試驗(yàn)為防止墻體翹起滑移現(xiàn)象，在墻根處鋪設(shè)方木，固定于壓梁之下，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)墻體有輕微翹起現(xiàn)象，但幾乎未出現(xiàn)滑移，基本保證了試驗(yàn)加載的完整性．本課題組多次試驗(yàn)均出現(xiàn)墻體與基礎(chǔ)接觸面的翹起滑移現(xiàn)象，或多或少地影響了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性．若改進(jìn)試驗(yàn)裝置，使墻體與基礎(chǔ)間不發(fā)生滑移翹起現(xiàn)象，墻體所能承受的水平荷載還有增加的可能，這也是在后續(xù)試驗(yàn)中尚待進(jìn)一步解決的問(wèn)題．從另一個(gè)角度分析，墻體在采取各種構(gòu)造措施后，承載力有較大的提高，則實(shí)際房屋中墻體與基礎(chǔ)面的粘結(jié)滑移問(wèn)題也應(yīng)引起重視．當(dāng)墻體與基礎(chǔ)接觸面水平粘結(jié)抗剪能力低于房屋墻體水平抗力時(shí)，也會(huì)發(fā)生類似在實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)的滑移破壞形態(tài)，即當(dāng)生土墻體抗水平作用能力提高后，墻體與基礎(chǔ)的連接措施或?yàn)樾碌难芯空n題．

2.2 墻體水平承載能力和變形能力

試件在水平荷載作用下的開(kāi)裂荷載、極限荷載以及對(duì)應(yīng)的位移見(jiàn)表3所示．按底部剪力法計(jì)算并考慮縮尺模型的相似關(guān)系，得到模型試件的水平地震剪力值見(jiàn)表4所示．

表3 墻體開(kāi)裂荷載、極限荷載及相應(yīng)位移Tab.3 Cracking load ,ultimate load and corresponding displacement of the wall

表4 地震烈度和墻體水平地震作用的關(guān)系（kN）Tab.4 Relationship between seismic intensity and horizontal geological process on walls (kN)

觀察表4中數(shù)據(jù)，磚柱錨桿拉結(jié)的試件試驗(yàn)結(jié)果差別較大，W-4-1開(kāi)裂荷載高，但極限荷載和極限荷載所對(duì)應(yīng)的位移較小，W-4-2開(kāi)裂荷載小，但極限荷載和極限荷載所對(duì)應(yīng)的位移在所有試件中最大，分析可知土體材料的離散性和夯土墻施工中各種偶然因素的影響導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果差異較大；采用磚柱配筋砂漿帶構(gòu)造措施的兩個(gè)試件得到的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)離散性較小，對(duì)墻體承載能力增加不顯著，但試件開(kāi)裂位移、極限荷載對(duì)應(yīng)位移以及極限位移較未采取的試件明顯提高．

選取W-5-1試件配筋砂漿帶的應(yīng)變片測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，砂漿帶的應(yīng)變和加載位移的關(guān)系曲線見(jiàn)圖6，砂漿帶破壞現(xiàn)象見(jiàn)圖7．

圖6 砂漿帶應(yīng)變與加載位移關(guān)系曲線Fig.6 Strain and load-displacement curve of mortar

圖7 砂漿帶裂縫圖Fig.7 Cracks map of mortar

從圖6中可以看出，隨著加載位移的增長(zhǎng)，砂漿帶的變形隨之增大，并且承受著一定的拉力，試驗(yàn)加載后期砂漿帶出現(xiàn)裂縫(見(jiàn)圖7），包裹在內(nèi)的鐵絲被拉斷．結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象分析可知，砂漿帶對(duì)墻體的環(huán)箍作用較大，可以有效延緩墻體開(kāi)裂，并抑制裂縫發(fā)展，明顯改善墻體的脆性破壞特征．

通過(guò)不同混合結(jié)構(gòu)的夯土墻體的對(duì)比試驗(yàn)可看出，設(shè)置磚柱砂漿帶(W-5)的效果優(yōu)于設(shè)置磚柱錨桿(W-4)的的效果．從墻體最終破壞圖分析，W-5的斜裂縫發(fā)育完全，兩條砂漿帶之間的墻體破壞現(xiàn)象較輕，砂漿帶與磚柱很好的形成了生土墻體的束框，而W-4的錨桿不連通，錨桿方向與水平受力方向一致，不能將兩側(cè)磚柱拉結(jié)形成共同受力模式；從理論分析，在墻頂設(shè)圈梁或設(shè)置貫通錨桿，對(duì)夯土墻體的承載力提高可能更好，但這還有待下一步的試驗(yàn)論證．

結(jié)合上述分析和表3數(shù)據(jù)可知，采取以上構(gòu)造措施墻體試件的開(kāi)裂荷載、極限荷載以及其對(duì)應(yīng)位移較未設(shè)置的夯土墻都有不同程度的提高，說(shuō)明磚柱、配筋砂漿帶可以有效約束生土墻體的變形，在一定程度上提高墻體承載能力，明顯提高墻體的整體性和延性性能．

對(duì)比分析表 3和表 4中的數(shù)據(jù)，素夯土墻試件W-1在 6度時(shí)開(kāi)裂，7度時(shí)接近極限荷載；W-4和W-5試件在接近7度時(shí)開(kāi)裂，水平極限荷載大于7度，略小于8度對(duì)應(yīng)的計(jì)算地震力．設(shè)置磚柱、配筋砂漿帶的夯土試件的抗裂能力、承載能力、整體穩(wěn)定性等都得到了不同程度提高，可以在8度以下地區(qū)使用．

2.3 滯回曲線及骨架曲線

試件荷載-位移滯回曲線和骨架曲線見(jiàn)圖8所示．

結(jié)合試驗(yàn)分析各曲線可看出以下特點(diǎn)：

(1) 加載初期試件處于彈性階段，滯回曲線接近直線，滯回環(huán)面積較?。粔w出現(xiàn)第一條斜向剪切裂縫，各曲線出現(xiàn)少量殘余變形，曲線斜率開(kāi)始下降，剛度不斷退化，滯回環(huán)面積增大，試件進(jìn)入彈塑性階段；加載后期，試件裂縫發(fā)育完全，寬度較大，在荷載作用下反復(fù)張開(kāi)閉合，滯回環(huán)由初始的梭形逐漸變?yōu)楣危?/p>

(2) 試件W-1滯回曲線在第一三象限都有明顯的下降段，分別達(dá)到推拉向的極限荷載時(shí)荷載即開(kāi)始下降，沒(méi)有出現(xiàn)塑性平臺(tái)，而且曲線下降段的斜率較大，表現(xiàn)出明顯的脆性特征．

(3) 帶磚柱試件W-4和W-5的滯回曲線在后期卸載過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)平行于縱軸的區(qū)間段，即在卸載過(guò)程中試件所受的力在減少，而位移卻幾乎未變化，結(jié)合試驗(yàn)分析可知試件制作過(guò)程中墻體和磚柱粘結(jié)處有空隙，試驗(yàn)后期，加載板處磚柱出現(xiàn)滑移后，加劇了曲線的這種趨勢(shì)．

(4) 從試件W-4-1、W-4-2滯回曲線可以看出，試件加載初期，曲線與試件W-1相比趨勢(shì)較陡，試件初始剛度較大；隨著位移的增加，曲線斜率變化較為平緩，剛度退化較慢；在到達(dá)峰值后，由于磚柱的存在，試件表現(xiàn)出一定的延性性能，曲線在第一三象限內(nèi)有塑性平臺(tái)出現(xiàn)，試件W-4-2表現(xiàn)尤為明顯；曲線下降階段斜率隨反復(fù)加載而逐漸降低，試件剛度逐漸退化．從骨架曲線可以看出，試件W-4-1、W-4-2承載力較試件W-1有所提高，且試件W-4-2將近提高22%，表明磚柱參與了墻體受力，一定程度提高了墻體的承載力和延性性能．

(5) 試件 W-5-1、W-5-2滯回曲線整體趨勢(shì)和W-4試件類似，墻體初始剛度較W-1試件較大，加載過(guò)程中曲線斜率變化較為平緩，剛度退化較慢；曲線拉向塑性平臺(tái)表現(xiàn)較為明顯，表明磚柱和配筋砂漿帶參與工作，墻體的延性較W-1試件有很大的提高．試件W-5-2墻體夯筑質(zhì)量較差，墻根部位夯土較虛，試驗(yàn)加載至試件荷載峰值后，墻根開(kāi)始成塊掉土，荷載急劇下降，但是由于磚柱和配筋砂漿帶的約束，墻體整體穩(wěn)定性良好．

圖8 各試件荷載-位移滯回曲線及骨架曲線Fig.8 Load-displacement hysteresis curves and skeleton curve of the test specimens

3 結(jié)論

(1) 帶磚柱和錨桿拉結(jié)的夯土墻試件主要從夯土接茬的通縫處破壞，剪切斜縫發(fā)育不充分；設(shè)置磚柱和配筋砂漿帶構(gòu)造的夯土墻試件屬于典型的X型剪切破壞，推、拉方向剪切斜縫發(fā)育完全，當(dāng)配筋砂漿帶斷裂或脫離墻體喪失承載力后兩條剪切斜縫和砂漿帶下方通縫貫通，墻體破壞．

(2) 設(shè)置磚柱和錨桿、磚柱和配筋砂漿帶構(gòu)造可有效約束夯土墻體的變形，抑制墻體裂縫發(fā)展，提高墻體的整體穩(wěn)定性，改善傳統(tǒng)夯土墻體的脆性破壞特征，防止墻體破碎倒塌，使夯土墻體的承載力和延性性能得到提高．

(3) 試驗(yàn)加載過(guò)程中采取了措施，防止試件在混凝土底梁上翹起或滑移，使墻體的承載能力和變形能力得到充分發(fā)揮．實(shí)際工程中亦應(yīng)注意采取措施加強(qiáng)基礎(chǔ)和墻體的抗剪能力和抗滑性能，有助于改善房屋的整體受力性能．

(4) 試驗(yàn)中磚柱受加載工字鋼作用的影響，使墻體兩端的磚柱與墻體共同受力，對(duì)墻體的各項(xiàng)力學(xué)性能影響顯著，因此在實(shí)際工程中，應(yīng)保證磚柱和屋架、梁等構(gòu)件有可靠連接，使其共同受力．配筋砂漿帶在施工中應(yīng)采取措施加強(qiáng)和墻體的粘結(jié)，否則在荷載作用下會(huì)脫離墻體，失去對(duì)墻體的拉接和合約束作用．

(5) 對(duì)比兩種混合結(jié)構(gòu)生土墻體，磚柱配筋砂漿帶構(gòu)造措施對(duì)墻體的延性影響相對(duì)略大，磚柱錨桿構(gòu)造措施對(duì)墻體承載能力影響相對(duì)略高．

(6) 試驗(yàn)中受到試件的數(shù)目和試驗(yàn)條件的限制，采用磚柱錨桿混合結(jié)構(gòu)墻體試驗(yàn)結(jié)果差別較大，有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究；磚柱配筋砂漿帶混合結(jié)構(gòu)墻體中砂漿帶對(duì)墻體的各項(xiàng)力學(xué)性能影響顯著，所以砂漿帶的位置、設(shè)置數(shù)目、強(qiáng)度以及和墻體的粘結(jié)措施等因素對(duì)墻體的影響有待于深入研究．

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