藏式毛石墻體的構造特征及其受壓性能試驗

茍夢涵，吳芝忠，傅雷

（1西南科技大學 土木工程與建筑學院，四川綿陽 621010；2成都暢達通檢測技術股份有限公司，四川成都 610041）

0 引言

藏式毛石建筑是我國藏區(qū)獨具民族特色的一種建筑形式，是中華民族建筑史中不可或缺的一個重要組成部分［1］。保護藏式毛石建筑，對其進行分析、研究，是現(xiàn)階段保護西藏文化的一個重要內(nèi)容。這類建筑綠色環(huán)保，塊材拆除后可以直接循環(huán)利用。毛石墻體作為該類建筑的主要承力構件，其構造特征及受力性能是影響藏式毛石砌體房屋安全性和使用性能的關鍵。鑒于此，本文在充分調研藏式毛石墻體構造特征的基礎上，進行了傳統(tǒng)藏式毛石墻體及BFRP格柵改良毛石墻體的受壓性能試驗。

1 藏式毛石墻體類型與構造特點

結合相關文獻資料和實地考察，發(fā)現(xiàn)毛石墻體主要有黃泥填縫墻體、碎石填縫墻體、水泥砂漿填縫墻體、塊石壓片墻體、石木結合墻體等多種形式（圖1）。傳統(tǒng)藏式毛石墻體構造如圖1所示，該類建筑毛石砌體有以下幾個特點：（1）墻體較厚，外墻厚度在0.5～2m之間，最厚的外墻達到5.5 m。其目的是為了提高墻體的承載能力，同時，起到保溫隔熱的作用［2-4］；（2）就地取材，砌筑毛石墻體的石塊不規(guī)則，砌筑時每一塊體積較大塊材四周都要用小片石墊砌，也就是說，砌體內(nèi)的大塊石頭不能直接砌筑，必須使用小片石砌墊層和補縫隙［5］；（3）粘結材料主要以黃泥為主，黃泥在墻體中主要是為了使不同大小的毛石能夠較為密實地堆砌起來，保證墻體的穩(wěn)定性，也起到了填縫的作用，從墻體外觀來看還能發(fā)現(xiàn)黃泥起到了分層整平的作用；（4）在墻體收分上，墻體依據(jù)建筑物的高度按一定比例收分，其目的在于提高石墻體承載能力，降低墻體重心，增強墻體穩(wěn)定性，如圖1c）所示。由于毛石塊體不規(guī)則，砌筑時一般以外墻與內(nèi)墻表面整齊、而內(nèi)部盡量填實為主，增加墻厚與收分，提高承載能力和抵抗傾覆能力，使縱橫墻無咬砌或咬砌較少。藏式傳統(tǒng)建筑砌體主要是毛石砌體結構，研究藏式毛石墻體的構造特征是進一步掌握其力學性能的基礎。

圖1 藏式傳統(tǒng)毛石墻體構造圖

2 藏式毛石墻體受壓試驗

2.1 傳統(tǒng)毛石墻體試件設計

砌筑3個該類型試件，選擇具有代表性的墻體，按1:2比例縮尺，縮尺后試件尺寸長×寬×高為2m×1.6m×0.34m，為還原墻體特征，采用黃泥填縫，豎向收分比例為5%，聘請藏區(qū)具有多年墻體砌筑經(jīng)驗的工人按傳統(tǒng)工藝砌筑。砌筑過程如圖2所示。

圖2 藏式毛石墻體砌筑過程圖［6］

2.2 傳統(tǒng)毛石墻體試驗結果

砌筑完成后的墻體試件在標準條件下養(yǎng)護28天后，參照《砌體基本力學性能試驗方法標準》（GB/T 50129—2011）［7］對石墻進行軸心受壓試驗，通過破壞形態(tài)分析其在豎向荷載下的受力機理。墻體在加載至極限荷載的20%時，墻體灰縫擠壓密實，小型石塊破碎，且隨著荷載的增加，墻體出現(xiàn)微小裂縫。繼續(xù)加載至極限荷載的30%時，石墻收分面中部的石塊局部向外滑移，石塊間相對位移增大。當加載至破壞荷載的40%時，墻體中部個別石砌塊脆斷，墻體有短裂縫形成。當加載至極限荷載的60%時，石墻底部石材開裂，繼續(xù)加載，裂縫逐步加大，且有更多新的裂縫產(chǎn)生。當加載至極限荷載的90%時，裂縫迅速增大，沿石墻體厚度方向的面位移急劇增大，在石墻體縱向邊緣東側形成豎向貫通裂縫，進而形成多個小立柱，發(fā)生失穩(wěn)倒塌，從而導致石墻體喪失承載力，達到最終破壞狀態(tài)。墻體承壓破壞全過程如圖3所示。

圖3 藏式毛石墻體承壓破壞圖

由試驗現(xiàn)象可得，藏式毛石墻體在較大的壓力下會發(fā)生不同程度的外閃與石墻縱向外滑移，此部位為石墻較薄弱部位。豎向裂縫最早出現(xiàn)在該墻體東側邊緣底部，隨著荷載的逐漸增加，裂縫逐漸延伸，形成豎向通縫。由于毛石墻邊緣處所受到的約束作用較小，故導致在豎向荷載作用下易產(chǎn)生更大的變形，最終形成多個小立柱，造成石墻體失穩(wěn)破壞。

2.3 改良毛石墻體試件設計

針對藏式毛石墻體在豎向壓力下易出現(xiàn)平面外變形過大，且兩側易形成豎向通縫，導致墻體外閃而失穩(wěn)破壞的試驗現(xiàn)象，選擇在石墻內(nèi)部加入抗拉強度較高的BFRP格柵來改良墻體，以增強石墻的整體性，抑制裂縫開展，提高承載力。試件設計依據(jù)《砌體基本力學性能試驗方法標準》（GB/T 50129—2011）4.1.4條進行［7］，確定墻體試件尺寸寬×長×高為0.4m×0.8m×1.6m。墻體砌筑工藝均按西藏民居砌筑工藝進行。以黃泥填縫，收分比例5%，灰縫內(nèi)添加單層BFRP格柵，砌筑3個該類型試件，砌筑過程如圖4所示。砌筑完成后墻體試件在標準條件下養(yǎng)護28天后進行單軸軸心受壓試驗［8］。

2.4 改良毛石墻體試驗結果

采用500T微機伺服長柱壓力試驗機進行加載。加載初期，發(fā)現(xiàn)黃泥壓縮，砌體壓實、空隙擠壓變形；繼續(xù)加載，石砌塊開始受載，石塊開裂；當加載至極限荷載的一半時，石塊開裂聲連續(xù)不斷，石塊開裂較多，墻體出現(xiàn)個別小型裂縫；即將加載至極限荷載時，裂縫迅速增大，有通縫產(chǎn)生；繼續(xù)加載，墻體產(chǎn)生過大的軸向變形，同時，墻體的通縫也不斷增大，越來越多的格柵發(fā)生斷裂。說明格柵已經(jīng)發(fā)揮了拉結的作用，進而提高了石墻抗壓承載能力，抑制了裂縫開展并限制了墻體面外變形。石墻在達到極限抗壓承載力以后繼續(xù)加載，墻體軸向位移不斷增大，承載力迅速減小，墻體在厚度方向上產(chǎn)生較大通縫，并有外閃的趨勢，但未立即崩塌。改良墻體承壓破壞過程如圖5所示。

上述試驗現(xiàn)象表明，在毛石墻體中加入BFRP格柵后，墻體抗壓承載力大幅度提高（承載力提高了兩倍多），使得石材的抗壓性能得到了更充分發(fā)揮；加入格柵后，墻體在每個墻面展現(xiàn)出的破壞情況均不一致，這與石砌塊相互壘砌有關。格柵能有效限制墻體通縫開展，降低石塊滑移。這主要是由于在通縫的開展過程中，格柵起到了拉結抑制裂縫開展的作用，最后，格柵達到極限抗拉強度而斷裂。這表明，在墻體壓力作用下，格柵提供了有效的水平拉結作用，使墻體承載力提高，石塊抗壓性能得到較好發(fā)揮，從而明顯地改善了藏式毛石墻體的受壓性能。

3 試驗分析

3.1 石墻體改良前后力學參數(shù)對比分析

強度是石墻體力學性能的重要參數(shù)之一，毛石墻強度指標主要是通過極限荷載反映。試驗表明，墻體第一道裂縫出現(xiàn)時對應的荷載為開裂荷載，荷載繼續(xù)增大，石墻體出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，或電液壓伺服作動器顯示器上的讀數(shù)無法繼續(xù)增加時，此刻荷載為極限荷載。本次試驗實測試驗結果如表1所示。毛石墻的開裂荷載為極限荷載的39.7%～58.5%，平均值為47.3%，普通磚砌體的比值在30%～46%之間。通過二者比較可見，該毛石墻體的開裂荷載與普通磚砌體的開裂荷載差別不大[6]。由圖6荷載-位移曲線分析可得，添加BFRP格柵的石墻體，其豎向承載力先上升后下降，且開裂荷載高于未添加BFRP格柵的石墻體，即添加BFRP格柵后，石墻體出現(xiàn)裂縫的時間要比傳統(tǒng)毛石墻體晚。對于同批砌筑的石墻體，添加BFRP格柵砌筑的受壓試件的抗壓承載力要明顯高于傳統(tǒng)毛石墻體。

砌體的另外一個重要力學參數(shù)是彈性模量，但受基材性能的影響，砌體彈性模量的受壓變形為復雜的塑性變形，所以國內(nèi)外關于彈性模量的取值不同。而毛石墻體的開裂荷載與普通磚砌體的開裂荷載差別不大，故采用《砌體結構設計規(guī)范》（GB 50003—2011）［9］，取應力應變曲線上各點的原點作曲線的切線，該切線的斜率，即原點的切線模量為毛石墻體彈性模量，參考式（1）進行計算，結果如表1所示。由實測試驗結果可知，添加BFRP格柵后，毛石墻體抵抗變形能力較傳統(tǒng)毛石墻體更強，且改良墻體的相對剛度也高于傳統(tǒng)毛石墻體。

泊松比同樣是反映力學性能的重要參數(shù)之一。泊松比主要是反映縱向變形與橫向變形的量值，通過泊松比合理判斷砌體變形特征和變形量，是石墻體安全鑒定和加固提高的有效依據(jù)。目前，主要以橫向應變與縱向應變比值稱為砌體的泊松比，由于毛石砌體各基材為各向異性材料，且砌體有一定的彈塑性性質，表明其泊松比為變量。根據(jù)試驗資料統(tǒng)計分析，砌體的泊松比可按照式（2）計算，計算結果如表1所示。分析可得，添加BFRP格柵后，毛石墻體的協(xié)調變形能力與傳統(tǒng)毛石墻體差別不大。這主要是因為豎向灰縫填充黃泥不密實，易形成受壓，破壞短立柱，砌體基材力學性能未得到充分發(fā)揮。

表1 實測毛石墻改良前后力學參數(shù)對比分析表

3.2 位移-荷載曲線

實測位移-荷載曲線如圖6所示，兩類墻體曲線都呈現(xiàn)出先凸后凹趨勢，墻體剛度由一開始緩慢增加，至急劇增加，再到逐漸下降，與普通磚砌體受壓破壞位移-荷載曲線趨勢有一定的相似性，說明毛石砌體的剛度變化趨勢和其他砌體一樣。由曲線峰值荷載可知，相對于其他類別的砌體，傳統(tǒng)毛石墻體的承載力較低，石墻壓實后很快就達到了石墻的極限承載力，最終形成多個短立柱，從而崩塌，石墻體呈脆性破壞。本次試驗實測傳統(tǒng)石墻體極限承載力為240kN。

同樣，對改良后石墻體加載試驗數(shù)據(jù)進行處理，繪制傳統(tǒng)石墻體與改良后石墻體位移-荷載曲線圖，如圖6所示。發(fā)現(xiàn)加入格柵后，石墻的極限抗壓承載力從209kN增加到501.4kN，增加了2.399倍，且豎向位移從24.1mm增加到32.5mm。石墻極限抗壓承載力和抵抗變形能力大幅度提高的主要原因是加入了格柵，對石墻通縫的形成起到了很大的限制作用，提高了墻體整體性，約束了砌塊橫向變形，進而提高了石墻的極限抗壓承載力。

圖6 位移-荷載曲線圖

3.3 石墻體中的BFRP格柵受力分析

從石墻加載過程中的裂縫開展發(fā)現(xiàn)，格柵加入墻體后，墻體呈現(xiàn)均布破壞或整體性破壞，這是因為格柵將每層石砌塊鏈接為一個整體，使得砌體均衡受力，格柵斷裂，墻體通縫加大，但石墻體沒有垮塌，這說明格柵已經(jīng)發(fā)揮了抑制裂縫開展的作用，提高了石墻的抗壓承載能力。對通縫的形態(tài)進行分析，發(fā)現(xiàn)中間部位相對較大，在底部基本沒有裂縫，頂部略有開展，這是因為石墻底部采用砂漿進行坐漿處理，底部的約束較強，頂部有鋼梁，提供了一定的約束能力，而中部的約束最弱，故而加載后出現(xiàn)此現(xiàn)象。當通縫開展較小時，格柵已受拉繃緊；當加載至石墻極限承載力時，通縫開展較大，格柵受拉斷裂。這充分表明，在石墻中加入格柵，能夠在一定程度上限制墻體通縫的繼續(xù)開展，且效果明顯。

通過石墻體改良前后力學參數(shù)對比分析可明顯發(fā)現(xiàn)，加入格柵后，墻體力學性能明顯高于傳統(tǒng)石砌體；墻體受壓破壞過程中，限制通縫開裂，對比兩類墻體可知，這類無咬砌或咬砌較少的墻體均已形成豎向通縫，失去繼續(xù)承載的能力；加入格柵，使墻體約束了砌塊件的滑移，增強了石墻體的整體性，提高了墻體極限承載力。

4 結論

圍繞藏式毛石墻體的抗壓性能，通過試驗對試件在軸心受壓條件下的變形特性和破壞形式進行研究，最終得出以下結論：

（1）適當?shù)氖辗直壤梢杂行拗茐w的變形，進而避免墻體在較低的荷載作用下產(chǎn)生較大的側向位移，從而發(fā)生失穩(wěn)破壞；

（2）藏式毛石墻體在受壓破壞過程中呈脆性破壞，破壞形態(tài)與裂縫分布存在差異，主要原因在于毛石砌塊表面的平整度各異，毛石砌塊之間尺寸相差較大，且毛石砌塊本身存在缺陷；

（3）提出采用BFRP格柵改良藏式毛石墻抗壓性能的技術，將BFRP格柵加入毛石墻中，通過限制其豎向通縫的擴展及面外位移的增大，達到提升毛石墻體抗壓性能的效果。