自嵌固生土磚砌體剪壓復合受力試驗研究

王天涯 王毅紅 吳琴容

摘? ?要：為了研究自嵌固生土磚砌體嵌固部位在剪壓復合作用下的承載能力，在考慮其承受不同上部豎向荷載的情況下對18個自嵌固生土磚砌體試件進行了剪壓復合受力試驗，探究其受力性能、破壞機理及剪壓相關性.試驗表明磚體間咬合嵌固可起到銷栓作用，表現(xiàn)出較好的抗剪能力.分析總結了砌體剪切、剪壓和斜壓三類破壞形態(tài)產生的主因，提出了自嵌固生土磚砌體剪壓復合受力下砌體的抗剪強度計算公式，并與傳統(tǒng)主拉應力破壞理論中砌體抗剪強度計算方法進行了對比，發(fā)現(xiàn)主拉應力破壞理論計算出的砌體抗剪承載力安全可靠，但較為保守.研究可為自嵌固生土磚砌體力學性能的進一步研究及設計應用提供試驗成果及理論依據(jù).

關鍵詞：自嵌固生土磚砌體;抗剪強度;破壞機理;剪壓相關性;試驗研究

中圖分類號：TU361;TU362? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

文章編號：1674—2974（2019）09—0062—07

Abstract：In order to study the bearing capacity of the occlusal part of interlocking compressed earth block （ICEB） masonry under shear-compression composite action， shear-compression composite test was performed on 18 ICEB masonry specimens under various vertical loads. The mechanical properties， failure mechanism and correlation between compression and shear stress were investigated. The results show that the interlocking of the brick can play a pinning effect，showing a better shear capacity. The main causes of the three types of failure mode of masonry were analyzed and summarized， and shear-compression strength formula was proposed compared with the formula by maximum tensile theory. It is found that the shear strength of the masonry calculated by the maximum tensile stress failure theory is safe and reliable， but conservative. The results of the study can provide the experimental results and theoretical basis for further research and design， as well as the application of the masonry mechanical properties.

Key words：interlocking compressed earth block masonry;shear strength;failure mechanism;correlation of shear-compression;experimental study

生土結構多指由未經(jīng)燒焙的原生土建造而成的傳統(tǒng)建筑結構形式，主要分為土坯結構和夯土結構兩種，具有節(jié)能環(huán)保、保溫隔熱等優(yōu)點，目前多存在于我國西南、西北等村鎮(zhèn)地區(qū)[1-2].自嵌固生土磚是一種以細粒生土為主要原料并可添加少量摻和料，由專用設備一次壓制成型的新型生土磚，20世紀90年代末期已開始在亞非等地區(qū)使用，至今未傳入我國.其可依靠自身外形特征無需砂漿黏結僅僅通過上下磚塊間相互嵌固咬合而達到砌筑效果，組成的建筑結構保留了傳統(tǒng)生土建筑的優(yōu)點更兼具施工便捷、工期短、可預制裝配化等特點.國外學者已對自嵌固生土磚及其組成的結構進行了相應的研究，Sturm等人[3]通過試驗對自嵌固生土磚及其組成砌體的基本力學特性進行了分析，得到了自嵌固生土磚的抗壓、抗折強度以及自嵌固生土磚砌體的破壞特征和受力性能. Sitton等人[4]制作了異型壓制的自嵌固生土磚，在磚的上下兩面放置鋼板，使其與磚進行良好的嵌固，對其抗壓性能進行了研究. Irwan等人[5]和Riza等人[6]分析了含水率對自嵌固生土磚耐久性能的影響，Bernadi等人[7]和Othman等人[8]進一步研究了在土料中添加細菌對生土磚吸水性的改善效果，研究表明降低生土磚的吸水能力可以提高生土磚的耐久性.在我國，自嵌固砌塊目前主要應用于混凝土方面[9-12]，在生土結構中應用尚屬空白. 同時，由于生土材料的特殊性，目前國內沒有針對生土材料及其結構專門的試驗方法及技術標準，大多按照我國砌體結構規(guī)范[13]進行計算和研究，而國外在此方面的研究已經(jīng)日趨完善[14-16]. 基于國外前期研究成果，本文首次引進該新型自嵌固生土磚并對其展開相應研究.

自嵌固生土磚結構砌筑無需砂漿，在水平地震作用下主要依靠磚塊間自嵌固咬合部位抵抗荷載.為了研究該種生土磚自嵌固部位的承載能力，本文在考慮其承受不同上部豎向荷載的情況下對18個自嵌固生土磚砌體進行了剪壓復合受力試驗，分析其受力性能、破壞機理及剪壓相關性，并提出自嵌固生土磚砌體的抗剪強度計算公式.

1? ?試驗概況

試驗用自嵌固生土磚由黃土、水泥和麥秸按照質量比為1 ∶ 0.045 ∶ 0.002的拌和土料采用YF1-40型專業(yè)壓磚機一次壓制成型.其中黃土取自西安市長安區(qū)地鐵施工工地，水泥強度等級為32.5 MPa，麥秸長度為1～2 cm，經(jīng)測定拌和土料最優(yōu)含水率為18.3%.考慮到我國砌體墻體的普遍厚度，并參考常用混凝土小型空心砌塊尺寸，確定自嵌固生土磚尺寸為240 mm×120 mm×90 mm（長×寬×高），中部對稱分布的空心孔洞直徑為40 mm，單面凸起和凹進高度均為10 mm，具體外形見圖1.砌體試件尺寸為240 mm×120 mm×270 mm（長×寬×高），由3塊自嵌固生土磚上下壘砌而成，磚塊間連接依靠其自身外形特征的凸口和凹槽直接嵌固.試件制作無須砂漿，壘砌完成后可直接進行試驗.試驗用砌體試件抗壓強度平均值f為0.96 MPa.

試驗設計按照于砌體頂部施加不同的豎向荷載分為6組，每組3個試件，共18個試件. 砌體試件上部施加的豎向壓力按照具體房屋真實受力時不同高度墻體底部磚塊所受豎向荷載進行設計，單塊自嵌固生土磚重約3.3 kg，假設房屋高度為3 m，屋架采用木屋架，通過計算可得到每組試件上部應施加的豎向力大小，各組試件編號及施加的豎向壓力見表1.其中KJ1的上部豎向荷載為一層房屋墻體自承重情況;KJ2為同時考慮一層房屋墻體與屋蓋承重的情況;KJ3為二層房屋墻體自承重情況;KJ4為同時考慮二層房屋墻體與屋蓋承重的情況.為進一步確定剪壓相關性，KJ5和KJ6兩組為補充試件，其施加的上部荷載可近似等同于三層房屋的墻體自承重和墻體屋蓋同時承重情況.

自嵌固生土磚砌體的剪壓復合受力試驗在長安大學結構與抗震實驗室進行，試驗試件頂面和底面采用粉土找平，確保加載面及底面平整.試驗采用由MAS-500 kN壓力機、5 t手搖式千斤頂和拉壓力傳感器組成的加荷系統(tǒng)，試驗裝置如圖2所示.

2? ?試驗過程及破壞形態(tài)

試驗開始時，首先由豎向壓力機對試件頂部施加豎向荷載，待豎向荷載基本穩(wěn)定后，由水平千斤頂對試件中間磚塊施加水平荷載，拉壓力傳感器放置于千斤頂前端和試件中間磚塊之間，以便在試驗過程中采集千斤頂施加的水平剪力，在整個加載過程中保持豎向荷載的恒定. 為避免沖擊荷載，千斤頂搖動盡量保持穩(wěn)定勻速，水平荷載加載采用力控制，隨時觀測拉壓力傳感器測得的數(shù)據(jù)，控制水平荷載每級增長0.2 kN.

根據(jù)試件上部施加豎向壓力不同，自嵌固生土磚砌體的剪壓復合受力破壞形態(tài)大致可分為三類.

剪切破壞：此類破壞發(fā)生于KJ1和KJ2兩組試件.試驗時，豎向壓力加載完成，開始施加水平荷載，試件初期處于彈性階段，沒有裂縫產生，隨著水平剪力的逐漸增大，試件中部受剪磚靠近和遠離加載端自嵌固孔洞位置依次出現(xiàn)裂縫，之后裂縫逐漸變寬延伸直至豎向貫通磚塊被推出.受剪磚和下部磚凸口部位被剪壞脫落，上部磚塊略微翹起，上下磚塊未出現(xiàn)明顯裂縫. 圖3為該兩組試件的破壞形態(tài).

剪壓破壞：此類破壞發(fā)生于KJ3和KJ4的兩組試件. 此類破壞前期與剪切類破壞相似，水平荷載施加后中部磚塊受剪孔洞位置首先出現(xiàn)裂縫，隨著水平荷載的增大，裂縫變寬豎向貫通并延伸至試件上下部磚孔洞部位，之后水平荷載達到極限，受剪磚被推出，磚塊凸口被剪壞，部分試件加載面上部磚明顯開裂破壞.由于豎向荷載的作用，上部磚塊始終與中間磚塊緊密貼合，未出現(xiàn)上部磚塊翹起的現(xiàn)象. 圖4為該兩組試件的破壞形態(tài).

斜壓破壞：此類破壞發(fā)生于KJ5和KJ6兩組試件.試驗開始時一次性穩(wěn)定加載至豎向荷載設定值并保持荷載恒定，此時試件上部磚塊出現(xiàn)細微裂縫，之后水平荷載開始施加.中間磚塊在水平剪力作用下孔洞位置出現(xiàn)裂縫并豎向貫通，隨后下部磚塊孔洞位置出現(xiàn)裂縫.由于水平加載端放置的小鋼板面積略小于受剪試塊，隨著水平荷載的增大，中間磚塊加載端小鋼板被整體壓進磚內，受剪磚很難被推出，受剪端上下磚塊出現(xiàn)豎向貫通裂縫，各試塊凸口基本未被剪壞.圖5為該兩組試件的破壞形態(tài).

3? ?試驗結果與破壞機理

3.1? ?試驗結果

自嵌固生土磚砌體剪壓復合受力試驗結果見表2，表中，σ0為不同豎向荷載作用下的砌體正應力，Nkv為砌體試件在水平荷載作用下的開裂荷載，Nv為砌體試件的極限剪力，Nv，m為同組試件的極限剪力平均值，fv，m為各組試件的抗剪強度平均值.各試件的抗剪強度fv按照公式（1）計算.其中KJ1-1試件由于在試驗時未在加載端放置分配荷載的小鋼板，傳感器頭部直接作用在受剪磚塊上，受剪面積過小，隨著水平剪力的逐漸增大，受剪面出現(xiàn)了明顯應力集中的現(xiàn)象，受力端破壞并被壓入中間試塊孔洞內，未出現(xiàn)剪切試驗現(xiàn)象，試驗失敗，故在計算平均抗剪強度時不考慮此試件.

式中：A為砌體單面受剪面積，本文砌體剪壓復合受力試驗時受剪磚上下面同時承受剪力作用，故自嵌固生土磚砌體的受剪面積按照2倍的單面受剪面積計算.

3.2? ?破壞機理分析

自嵌固生土磚砌體剪壓復合受力試驗的荷載-位移曲線見圖6，其中荷載為通過傳感器采集的作用于試件中間磚塊的水平剪力，位移為試件受剪磚的水平位移.結合表2和圖6可以看出各組試件所能承受的水平剪力與施加的豎向荷載成正相關關系，試件開裂荷載、抗剪強度均隨著豎向正壓力的增大而增大.前四組試件荷載-位移曲線變化趨勢較為相同，試件破壞到達極限剪力后，其強度并沒有大幅度降低，而是隨水平位移的增加降低極為緩慢或基本保持恒定;后兩組試件水平剪力到達極限破壞后其抗剪能力急速下降.

從受力平衡角度對自嵌固生土磚砌體在剪壓復合作用下的受力情況進行分析，如圖7所示. 將試件中部受剪磚塊假設為一個質點，由于磚塊自身質量占整體受力比重較小，在試件進行整體受力分析時忽略不計.

圖7中，Nc為試件上部承受的豎向荷載，Nc′為豎向荷載產生的豎向反力，F(xiàn)cs為豎向荷載在水平方向產生的中間磚與上下兩塊磚之間的摩擦力，F(xiàn)v為受剪磚上部凸口與下部凹槽在水平剪力下產生的擠壓抗力.根據(jù)摩擦定律，受剪磚塊能否被推出主要取決于Nv與Fv和Fcs合力的大小，見式（2）（3）.

由于生土材料摩擦系數(shù)一定，F(xiàn)cs與Nc成正比例關系.自嵌固生土磚凸口和凹槽的擠壓抗力Fv隨著Nv增大到一定程度后，F(xiàn)v達到極限，之后隨著千斤頂繼續(xù)施力，中間磚凸口和凹槽由于水平擠壓作用被剪壞而逐漸喪失其承載能力.在KJ1和KJ2組試件試驗中，由于豎向壓力較小，磚塊間貼合不緊密，F(xiàn)cs較小，當Fv隨Nv增大而達到極限逐漸減小后，F(xiàn)v和Fcs合力明顯小于水平剪力值（式（2）），此兩組試件的破壞主要因為水平剪力的作用，故隨著水平荷載的增大，受剪磚塊可被輕松推出.在KJ3和KJ4兩組試件試驗中，F(xiàn)cs較前兩組變大，F(xiàn)v到達極限試件開裂降低后，為保持豎向荷載恒定，試件豎向位移變大，磚塊間貼合緊密，Nv依舊大于Fv和Fcs的合力（式（2）），受剪試塊可被推出，此兩組試件破壞產生的原因是豎向壓力和水平剪力的復合作用.在KJ5和KJ6兩組試件試驗中，Nc較大，F(xiàn)cs較大，由于試件自身抗壓強度原因，在水平剪力尚未施加時上部磚塊已出現(xiàn)細微裂縫，水平荷載作用后，試件中間磚受剪端截面承載能力不足，直接被水平荷載壓裂，Nv逐漸增大，受剪端破壞的部分被壓進孔洞內，Nv達到極限，試件破壞，而此時水平剪力尚未達到Fv和Fcs二力之和（式（3）），故受剪磚未被推出，此兩組試件的破壞主要是因為豎向壓力的作用.

傳統(tǒng)的砌體砌筑由砂漿黏結而完成，在承受豎向壓力和水平剪力共同作用時，其抗剪承載力由水平灰縫的砂漿強度和豎向壓力所產生的水平摩擦力大小決定. 本文砌體試件壘砌時沒有用到砂漿，但其自嵌固構造的凸口和凹槽可近似等同于傳統(tǒng)砌體中砂漿的作用. 試件在剪壓復合受力作用下，當凸口和凹槽的強度不足以抵抗砌體受到的水平剪力時，剪切面將出現(xiàn)相對水平滑移，此時，自嵌固構造部分的銷栓作用和受剪面上的豎向壓力產生的摩擦力共同抵抗剪切面的水平剪力.隨著水平荷載的持續(xù)增大，剪切面的水平滑移不斷增大，最終試塊凸口部位被剪斷，而此時豎向壓力產生的摩擦力不足以抵抗剪切面的水平剪力，最終砌體試件破壞.

4? ?剪壓相關性分析

4.1? ?理論背景

眾多研究結果表明，砌體截面上作用的垂直正應力σ0是影響砌體抗剪強度的一個不可忽略的重要因素[17-20]. 關于砌體抗剪強度的計算，目前存在且應用較多的有主拉應力破壞理論和庫侖理論[21]. 主拉應力破壞理論認為，當主拉應力超過砌體抗主拉應力強度，即σ1≥fv0 （fv0表示砌體截面上無垂直荷載時沿階梯型截面的抗剪強度）時，砌體發(fā)生剪切破壞.庫侖理論認為砌體的抗剪強度可根據(jù)砌體的摩擦系數(shù)μ′計算得到. 其表達式為：

式中：fv為砌體抗剪強度;fv0為砌體截面上無垂直荷載時沿階梯型截面的抗剪強度;σ0為砌體截面上作用的垂直正應力;μ′為砌體的摩擦系數(shù).

4.2? ?剪壓相關性分析

以本文各組自嵌固生土磚砌體試件的豎向正應力與抗壓強度的比值σ0 /fm為x軸，砌體的抗剪強度與抗壓強度的比值fv，m /fm為y軸繪制出砌體試件在剪壓復合作用下的試驗結果，并對其進行擬合分析進一步得到試驗結果的回歸曲線，如圖8所示.

根據(jù)回歸分析，得到擬合曲線為分段函數(shù)，代入縱橫坐標即可得到自嵌固生土磚砌體在剪壓復合受力下的抗剪強度平均值計算公式，見式（6）（7）.

式中：fv，m為砌體在剪壓復合受力下的抗剪強度;σ0為砌體初始（上部不承受豎向荷載時）抗剪強度;fm為砌體抗壓強度.

可以看出自嵌固生土磚砌體的抗剪強度平均值與豎向正應力在公式各段內呈線性正相關關系.公式格式符合庫侖理論的砌體抗剪強度計算公式模式，均為fv，m = αfv0，m + μσ.根據(jù)相關系數(shù)位置對應，可近似認為當自嵌固生土磚砌體上部不承受豎向荷載時，即σ0 = 0時，砌體的初始抗剪強度fv0 = 0.037 MPa，即自嵌固磚凸口和凹槽直接嵌固部位的抗剪強度為0.037 MPa.分別按照本文提出的和傳統(tǒng)主拉應力破壞理論的抗剪強度計算方法對文中6組不同正應力下的自嵌固生土磚砌體抗剪強度進行對比計算，結果見表3.

可以看出按照本文提出的自嵌固生土磚砌體抗剪強度公式計算的結果要大于傳統(tǒng)主拉應力破壞理論計算出的砌體抗剪強度，且隨著豎向正應力的增大，抗剪強度差距越加明顯.這說明采用主拉應力破壞理論計算出的砌體抗剪承載力雖然安全可靠，但是較為保守.綜上所述，建議自嵌固生土磚砌體在剪壓復合受力下的抗剪強度應按照式（6）（7）進行計算.

5? ?結? ?論

1）設計了一種模擬自嵌固生土磚砌體剪壓復

合受力的試驗裝置，并通過6組不同豎向荷載下的砌體剪壓復合受力試驗得到對應試件的荷載-位移曲線，試驗結果可靠，說明此裝置可應用于砌體剪壓復合受力試驗，且試驗方法簡單易懂，可操作性強，具有推廣標準化應用的前景.

2）自嵌固生土磚砌體的凸口和凹槽可代替砂

漿，在砌體承受水平荷載時，磚體間上下咬合嵌固起到銷栓作用，咬合部位表現(xiàn)出較好的抗剪能力.

3）自嵌固生土磚砌體在剪壓復合受力試驗下

按照施加豎向正應力的不同分為三類破壞形態(tài).對試驗結果進行破壞機理分析，得到三類破壞產生的主要原因分別是承受水平剪力、剪壓共同作用、承受豎向壓力.

4）自嵌固生土磚砌體剪壓復合受力下的抗剪

強度與其豎向正應力線性正相關.通過對試驗數(shù)據(jù)回歸分析，提出自嵌固生土磚砌體剪壓復合受力下的抗剪強度計算公式，并與傳統(tǒng)主拉應力破壞理論的抗剪強度計算方法進行了對比，表明主拉應力破壞理論計算出的砌體抗剪承載力安全可靠，但是較為保守.建議自嵌固生土磚砌體剪壓復合受力下的抗剪強度按照本文公式進行計算.

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