組砌方式對(duì)生土基砌體受壓力學(xué)性能的影響

蘭官奇，王毅紅，牛東東，曾貴緣

(1.中國(guó)建筑西北設(shè)計(jì)研究有限公司，西安 710018; 2.長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710061)

近年來，生土建筑的優(yōu)點(diǎn)正在逐漸得到認(rèn)可，應(yīng)保留和傳承這種獨(dú)具特色的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)已有初步的共識(shí)[1].生土是我國(guó)乃至全世界應(yīng)用最廣泛、歷史最悠久的傳統(tǒng)建筑材料之一，其主要優(yōu)勢(shì)為易于就地取材、造價(jià)低廉、技術(shù)簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保、保溫與隔熱性能優(yōu)越、可降解再生、加工過程低耗能且無污染等.在全社會(huì)普遍關(guān)注環(huán)境污染、生態(tài)危機(jī)、能源危機(jī)的今天，如何使這種古老的建筑材料煥發(fā)出新的生命力，依然有大量工作要做[2-3].

目前，我國(guó)可供查閱的生土建筑相關(guān)文獻(xiàn)大部分集中在生土材料改性研究[4-6]，而針對(duì)生土基砌體力學(xué)性能的試驗(yàn)研究較少.潘興慶[7]參照砌體力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳統(tǒng)土坯砌體進(jìn)行了單軸抗壓試驗(yàn)，分析了土坯砌體的破壞形態(tài)，得到了砌體抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等基本力學(xué)參數(shù).阿肯江·托乎提等[8]采用同樣的試驗(yàn)方法測(cè)試了傳統(tǒng)土坯砌體的單軸抗壓性能，分析了塊材強(qiáng)度、泥漿強(qiáng)度和砌筑質(zhì)量對(duì)土坯砌體抗壓強(qiáng)度的影響，提出了土坯砌體抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式，并建立了土坯砌體的損傷本構(gòu)模型.王毅紅等[9]通過對(duì)12個(gè)機(jī)制生土磚砌體進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，探討了機(jī)制生土磚砌體變形模量和泊松比的取值方法.但由于我國(guó)尚未建立有關(guān)生土基砌體強(qiáng)度試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，以上研究均參照《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50129—2011T)[10]進(jìn)行試驗(yàn)，砌體組砌方式各不相同，導(dǎo)致研究結(jié)果較為分散.生土基塊材制作方式、尺寸各異，砌筑方式和工藝也不相同，與磚砌體類似，生土基砌體強(qiáng)度與其材料和塊材強(qiáng)度有很大差異，相對(duì)統(tǒng)一又能普遍適用、操作性好的生土基砌體強(qiáng)度試驗(yàn)方法亟待建立.組砌方式是影響砌體力學(xué)性能的一個(gè)重要因素[11-12]，選擇適當(dāng)?shù)钠鲶w組砌方式是建立生土基砌體強(qiáng)度試驗(yàn)法所需解決的首要問題.

為了研究組砌方式對(duì)生土基砌體單軸抗壓性能的影響，確定生土基砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件組砌方式，本文選取2種傳統(tǒng)土坯和2種新型生土磚砌筑砌體試件，通過單軸抗壓試驗(yàn)分別對(duì)3種不同組砌方式砌體的抗壓性能進(jìn)行測(cè)試.從破壞形態(tài)、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等方面分析了組砌方式對(duì)生土基砌體單軸抗壓性能的影響.基于層次分析法對(duì)3種組砌方式的砌體破壞形態(tài)、適用性、操作性及數(shù)據(jù)穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比，確定了生土基砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件的組砌方式.

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料

此次試驗(yàn)分別選取陜南地區(qū)黃土(簡(jiǎn)稱陜南黃土)及陜西關(guān)中地區(qū)黃土(簡(jiǎn)稱關(guān)中黃土)作為制作生土基塊材的土料.根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)[13]分別測(cè)定了2個(gè)地區(qū)土料的顆粒級(jí)配、液塑限、最優(yōu)含水率和最大干密度，見表1.

表1 土的物理參數(shù)

1.2 塊材制作

此次試驗(yàn)分別選取濕制土坯(SZ)、干打土坯(GD)、機(jī)械切割生土磚(SJ)、機(jī)械壓制生土磚(GJ)4種不同的生土基塊材砌筑砌體試件.其中濕制土坯采用陜南黃土制作，其他3種生土基塊材均采用關(guān)中黃土制作.濕制土坯是將含水率為(24±2)%的土料在坯模內(nèi)濕塑成型；干打土坯是將含水率接近最優(yōu)含水率的土料填入坯模內(nèi)人工夯筑成型；機(jī)械切割生土磚是將含水率為(24±2)%的土料填入大尺寸模具后采用機(jī)械切割成型；機(jī)械壓制生土磚是將含水率接近最優(yōu)含水率的土料填入磨具后采用機(jī)械沖壓成型.干打土坯和機(jī)械切割生土磚均采用天然土料制備，未加入摻合料；濕制土坯中摻入質(zhì)量比約為1%的稻草，稻草長(zhǎng)度為7～10 cm；機(jī)械壓制生土磚中摻入水泥纖維、生石灰、水玻璃等摻料[14].成型后的塊材放置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)試其抗壓及抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)方法參考《砌墻磚試驗(yàn)方法》(GB/T 2542—2012)[15].4種塊材的尺寸、密度、抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度見表2所示.

表2 塊材的物理力學(xué)參數(shù)

1.3 砌筑泥漿及砂漿制備

針對(duì)4種生土基塊材抗壓強(qiáng)度的差異，此次試驗(yàn)分別選取2種塊材粘結(jié)劑.濕制土坯砌體、干打土坯砌體及機(jī)械切割生土磚均采用泥漿砌筑.砌筑泥漿的含水率控制在(35±3)%，其中摻入質(zhì)量比為1%的稻草(長(zhǎng)度7～10 cm).機(jī)械壓制生土磚采用設(shè)計(jì)強(qiáng)度為M15的專用砌筑砂漿砌筑[16].分別制作10個(gè)邊長(zhǎng)為100 mm的泥漿和砂漿立方體試塊，與砌體在相同條件下養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)試其單軸抗壓強(qiáng)度，測(cè)試方法參照我國(guó)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》(JGJ/T 70—2009)[17].測(cè)得砌筑泥漿與專用砂漿的平均抗壓強(qiáng)度分別為1.95、14.14 MPa.

1.4 生土基砌體試件制作

受到氣候條件、房屋的保溫隔熱需求以及墻體的承載能力等因素的影響，世界各地的生土基塊材尺寸存在較大差異[7,18-19].因此，為了保證砌體組砌方式對(duì)不同尺寸砌塊的適用性，本次試驗(yàn)分別選取疊砌、全順和梅花丁3種組砌方式制作濕制土坯砌體、機(jī)械切割生土磚砌體以及機(jī)械壓制生土磚砌體.由于干打土坯尺寸特殊，無法以梅花丁形式組砌，僅采用疊砌和全順砌筑.組砌方式示意圖如圖1所示.此次所砌筑的各類砌體高厚比控制在3.1～3.7，灰縫厚度控制在10 mm左右.各類砌體試件的組砌方式、截面尺寸、高厚比見表3所示，每組3個(gè)試件，共33個(gè)試件.試件制作及養(yǎng)護(hù)均參照《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50129—2011T)[10]進(jìn)行，圖2為砌體成型試件.

表3 砌體試件主要參數(shù)

開始試驗(yàn)前，對(duì)各類砌體試件的表觀情況進(jìn)行測(cè)量檢查.具體情況如下：由于濕制土坯平整度較差，該類砌體試件中水平灰縫厚度較大，平均厚度約為12 mm；其他3類生土基砌體，由于塊材表面平整度相對(duì)較好，砌體試件水平灰縫厚度相對(duì)統(tǒng)一，均控制在10 mm左右；泥漿砌筑試件中，由于泥漿在養(yǎng)護(hù)過程中失水干縮，水平灰縫處出現(xiàn)細(xì)小豎向裂縫，但泥漿與塊材交界面處未出現(xiàn)裂縫，粘結(jié)狀況良好，同時(shí)，因泥漿和易性較差，豎向灰縫飽滿度均較差；采用水泥砂漿砌筑的試件在水平灰縫處未出現(xiàn)裂縫，豎向灰縫飽滿度也優(yōu)于泥漿砌筑試件.

1.5 加載方案及加載裝置

為確保加載板與試件頂部接觸緊密，并防止找平材料中所含水分對(duì)試件強(qiáng)度造成影響，本次試驗(yàn)采用快硬石膏自流平的方式對(duì)砌體試件加載面進(jìn)行找平處理，具體做法如下：加載前將木制模具套入試件頂部使模具高出試件頂面30 mm，并用塑料薄膜嵌入模具內(nèi)部并確保薄膜與試件頂面貼合緊密，將配置好的快硬石膏漿料緩慢倒入模具中，漿料根據(jù)頂面的高低不平順勢(shì)流動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)找平，如圖3所示.待石膏初凝(初凝時(shí)間為5 min，抗壓強(qiáng)度為15 MPa)，將成型石膏脫模并去除塑料薄膜后放置在試件頂面.找平層厚度控制在(15±2)mm.

砌體試件測(cè)點(diǎn)布置參照我國(guó)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50129—2011T)[10].試驗(yàn)采用物理對(duì)中，分級(jí)均勻施加荷載的方法測(cè)定單軸抗壓強(qiáng)度.正式加載前采用預(yù)估破壞荷載的10%，反復(fù)預(yù)壓3次.正式加載后每級(jí)荷載為預(yù)估破壞荷載的10%，并在1 min均勻加完，恒荷1 min后施加下一級(jí)荷載.為獲得力-位移曲線的下降段，當(dāng)觀察到試件裂縫不穩(wěn)定發(fā)展時(shí)，改用位移控制，加載速率為1 mm/min，直至荷載下降至峰值荷載的80%停止試驗(yàn).試驗(yàn)采用MAS-500伺服作動(dòng)器施加豎向荷載，最大量程為500 kN，并用JAW-1000電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)控制，系統(tǒng)可以自動(dòng)記錄豎向位移和荷載.

2 結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)

觀察33個(gè)生土基砌體的單軸受壓破壞形態(tài)，可將其分為以下3類.

局部破壞：豎向裂縫還未充分?jǐn)U展，試件與墊板接觸面或試件邊角部位砌體被壓碎，有效承壓面積減小，試件破壞.此類破壞主要發(fā)生在疊砌濕制土坯試件和疊砌機(jī)械切割生土磚試件，試件表面裂縫較少，開裂荷載與破壞荷載接近，如圖4(a)所示.

豎向裂縫貫穿破壞：在荷載作用下，試件出現(xiàn)平行于加載方向的豎向裂縫或斜向裂縫，其中部分裂縫逐漸向試件上下兩端延伸、擴(kuò)展，最終豎向裂縫貫穿整個(gè)試件，砌體被貫穿縫分割成若干小柱，試件破壞是由于小柱喪失穩(wěn)定性或被壓潰.此類破壞主要發(fā)生在全順試件和梅花丁試件，試件表面裂縫較多，開裂荷載為破壞荷載的20%～50%，如圖4(b)所示.

劈裂破壞：試件局部開裂后，裂縫迅速延伸擴(kuò)展，破壞時(shí)裂縫尚未貫穿整個(gè)試件，試件中部砌塊被豎向裂縫分割成若干小柱.此類破壞主要發(fā)生在疊砌干打土坯試件和疊砌機(jī)械壓制生土磚試件，試件表面裂縫少而集中，開裂荷載約為破壞荷載的70%，如圖4(c)所示.

2.2 抗壓強(qiáng)度

不同組砌方式下生土基砌體抗壓強(qiáng)度及其變異系數(shù)如表4所示.從表4可以看出，砌體組砌方式對(duì)4種生土基砌體的單軸抗壓強(qiáng)度影響顯著.各類生土基砌體中疊砌試件的抗壓強(qiáng)度最高，全順試件次之，梅花丁試件最低.分析其原因，可能是由于采用全順及梅花丁形式砌筑的砌體中豎向灰縫無法完全填滿，同時(shí)豎向灰縫內(nèi)的泥漿或砂漿和砌塊的粘結(jié)力也不能保證砌體的整體性.因此，搭接在豎向灰縫上方的砌塊將在豎向灰縫處形成應(yīng)力集中，加快了塊材的開裂，最終引起砌體強(qiáng)度的降低.

從表4可以看出，由濕制土坯、干打土坯及機(jī)械切割生土磚砌筑的砌體中疊砌試件的抗壓強(qiáng)度離散性明顯高于其他組砌方式，而對(duì)于機(jī)械壓制生土磚，其疊砌試件的抗壓強(qiáng)度離散性卻小于其他組砌方式.這是由于疊砌試件的抗壓強(qiáng)度主要取決于砌體中強(qiáng)度較弱的塊材，因此砌體強(qiáng)度的離散性一定程度上是塊材強(qiáng)度離散性的體現(xiàn).濕制土坯和干打土坯采用人工制作，難以保證統(tǒng)一的塊材質(zhì)量，其強(qiáng)度離散性較大；機(jī)械切割生土磚雖采用機(jī)械成型，但塊材切割過程中對(duì)材料造成的損傷導(dǎo)致其強(qiáng)度離散性較大；機(jī)械壓制生土磚采用機(jī)械沖壓成型，塊材質(zhì)量統(tǒng)一，強(qiáng)度離散性較小.全順試件和梅花丁試件由于在豎向灰縫處產(chǎn)生的應(yīng)力集中，使砌體內(nèi)塊材在壓、剪、拉多重應(yīng)力下發(fā)生破壞，破壞荷載遠(yuǎn)小于塊材強(qiáng)度，且相差不大，因此砌體抗壓強(qiáng)度離散性較疊砌試件有所降低.

表4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 彈性模量及泊松比

2.3.1 彈性模量

各類試件的彈性模量平均值及變異系數(shù)如表5所示.從表5可以看出，4種生土基砌體中疊砌試件的彈性模量最高，全順試件次之，梅花丁試件最低.軸向荷載作用下砌體的豎向變形主要為塊材和水平灰縫的豎向壓縮變形.4種生土基砌體的疊砌試件與全順試件的高度相同，豎向變形測(cè)量標(biāo)距(1/3試件高度)內(nèi)的塊材厚度與水平灰縫厚度也相同，若不考慮豎向灰縫的影響，在相同應(yīng)力作用下2類試件的豎向應(yīng)變應(yīng)相等.但由于全順試件中的豎向灰縫削弱了砌體的整體性，導(dǎo)致在相同應(yīng)力作用下全順試件中塊材及水平灰縫的變形均大于疊砌試件，因此全順試件的彈性模量小于疊砌試件.而對(duì)于相同高厚比下的梅花丁試件，砌體中的豎向灰縫不僅較全順試件有所增加，且砌體豎向變形測(cè)量標(biāo)距內(nèi)的塊材厚度與水平灰縫厚度也相對(duì)較大，導(dǎo)致在相同應(yīng)力作用下梅花丁試件的豎向應(yīng)變均大于疊砌試件和全順試件，因此彈性模量進(jìn)一步降低.

表5 彈性模量及泊松比

2.3.2 泊松比

各類試件的泊松比平均值及變異系數(shù)如表5所示.從表5可以看出，4種生土基砌體中梅花丁試件的泊松比最大，全順試件次之，疊砌試件最小.這是由于泥漿或砂漿與塊材間的粘結(jié)力較弱，加之豎向灰縫處的飽滿程度較差，在荷載作用下，帶有豎向灰縫的試件產(chǎn)生了更大的橫向變形.同時(shí)，疊砌試件多發(fā)生局部破壞和劈裂破壞，試件整體變形不充分，也導(dǎo)致了疊砌試件泊松比相對(duì)較小.對(duì)于梅花丁試件，砌體截面內(nèi)有2條相互垂直的豎向灰縫，在相同應(yīng)力作用下試件橫向變形大于僅有1條豎向灰縫的全順試件，但相同應(yīng)力下梅花丁試件的豎向應(yīng)變也大于全順試件，因此2類試件的泊松比相差不大.

3 標(biāo)準(zhǔn)試件組砌方式的討論

為了評(píng)價(jià)疊砌、全順、梅花丁3種組砌方式作為生土基砌體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試件組砌方式的優(yōu)劣，本文采用層次分析法[20]分別從適用性、操作性、復(fù)演性、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性及破壞形態(tài)代表性5方面對(duì)3種組砌方式進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，相應(yīng)的層次分析模型如圖5所示.

3.1 構(gòu)造判斷矩陣

在適用性方面，疊砌及全順試件可以適用于任意尺寸的生土塊材，適用性強(qiáng)，而梅花丁試件僅適用于長(zhǎng)寬比為2的生土塊材，其適用性相對(duì)較弱；在操作性方面，疊砌試件及全順試件厚度小，在同樣高厚比的情況下試件高度小，砌筑質(zhì)量易控制且吊裝難度小，而梅花丁試件厚度較大，且豎向灰縫較多，砌筑質(zhì)量及試件吊裝難度均較大；在數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面，全順試件彈性模量和泊松比的均值變異系數(shù)分別為6.4%和10.5%，抗壓強(qiáng)度的均值變異系數(shù)為7.2%，總體穩(wěn)定性較好；在試件破壞形態(tài)方面，單軸受壓下砌體的破壞形態(tài)以能夠反映出墻體破壞形態(tài)為宜，而疊砌試件由于沒有豎向灰縫，砌體多為局部破壞或劈裂破壞，無法反映砌體在構(gòu)件中的實(shí)際破壞形態(tài)，其他2類組砌方式的試件均為豎向裂縫貫穿破壞，破壞形態(tài)具有代表性；在復(fù)演性方面，由4種生土基塊材砌筑的全順試件及梅花丁試件破壞形態(tài)較為一致，復(fù)演性較好，疊砌試件在4種生土基砌體中呈現(xiàn)出不同的破壞形態(tài)，復(fù)演性較差.

根據(jù)上述因素，采用Satty提出的1～9比率標(biāo)度方法[20]，構(gòu)造判斷矩陣.準(zhǔn)則層相對(duì)于目標(biāo)層的判斷矩陣A為

相應(yīng)地，判決矩陣B1、B2、B3、B4、B5，如下：

3.2 層次排序及一致性檢驗(yàn)

采用方根法[20]對(duì)各判斷矩陣的最大特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量進(jìn)行求解.計(jì)算結(jié)果見表6.

表6 判斷矩陣特征向量及最大特征根計(jì)算結(jié)果

為了保證應(yīng)用層次分析法分得到的結(jié)論合理，還需對(duì)構(gòu)造的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn).計(jì)算一致性指標(biāo)CI與平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的比值CR.若滿足CR<0.10，即可確定判斷矩陣具有滿意一致性.

(1)

(2)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征根；n為判斷矩陣的階數(shù)；對(duì)于1～9階判斷矩陣，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的值如表7所示.

表7 一致性指標(biāo)取值

各判斷矩陣的計(jì)算結(jié)果如表8所示.從表中可以看出，所求得一致性比率均小于0.1，因此判斷矩陣A、B1、B2、B3、B4、B5滿足一致性要求.

表8 判斷矩陣一致性檢驗(yàn)參數(shù)

3.3 最優(yōu)組砌方式的確定

按照公式

(3)

計(jì)算各組砌方式的綜合評(píng)價(jià)值Wi，如表9所示.

表9 3種組砌方式的綜合評(píng)價(jià)值

從最終評(píng)價(jià)結(jié)果可知，全順試件在試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和試件破壞形態(tài)代表性兩方面展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，其綜合評(píng)價(jià)值最高，為0.377，因此，建議選用全順作為測(cè)試生土基砌體單軸抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試件組砌方式.

4 結(jié)論

1)得到了不同組砌方式下生土基砌體單軸受壓破壞形態(tài).塊材強(qiáng)度較低的疊砌試件由于塊材被壓潰，多發(fā)生局部破壞，而塊材強(qiáng)度較高的疊砌試件易發(fā)生劈裂破壞；帶有豎向灰縫的生土基砌體均為沿豎向灰縫裂縫的貫穿破壞

2)組砌方式對(duì)生土基砌體的單軸受壓力學(xué)性能影響顯著.4種生土基砌體的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比呈現(xiàn)相同的規(guī)律，抗壓強(qiáng)度及彈性模量由大到小依次為疊砌、全順、梅花丁，泊松比由大到小依次為梅花丁、全順、疊砌.

3)建議采用全順作為測(cè)定生土基砌體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試件的組砌方式.全順組砌不僅可保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的穩(wěn)定性，且砌筑質(zhì)量易控制、試件重量小，可適用于各類尺寸的生土基塊材.