单面钢丝网水泥砂浆加固承重夯土墙体抗震试验研究

张又超，王毅红，张项英，权登州

（长安大学建筑工程学院，陕西 西安 710061）

生土结构房屋就地取材、造价低廉、绿色环保、保温与隔热性能优越，在我国农村地区大量存在[1-4]，但目前在役生土房屋的结构安全及抗震性能方面存在着较大的问题，大批在役生土结构房屋有抗震加固的需求[5-6]．钢筋网水泥砂浆面层加固已证明是一种行之有效的砖墙加固方法，能明显提高墙体的抗震能力[7-9]，用这种方法加固土坯墙体也能够大幅度提高其承载力[10]，但用该法对夯土墙体加固的效果尚未得到试验验证．本文采用钢筋网水泥砂浆面层对夯土墙体进行加固，对比分析不同加固方法对夯土墙体受力及抗震性能的影响，为制定住建部行业标准《村镇建筑抗震鉴定与加固技术规程》提供编制依据．

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

参考村镇夯土墙承重房屋的实际尺寸，取4 950 mm×3 900 mm×720 mm尺寸的墙体为原型，结合试验室加载设备的情况，采用1:3缩尺比例，夯土墙试件的尺寸为：1 650 mm×1 300 mm×240 mm．模型与原型的参数相似关系见表 1．制作了五片夯土墙试件：夯土墙对比试件（W-1），正放钢丝网水泥砂浆面层加固的夯土墙试件2片（W-2-1，W-2-2），斜放钢丝网水泥砂浆面层加固的夯土墙试件 2片（W-3-1，W-3-2），试件的外形及尺寸见图1．

表1 模型与原型的相似关系Tab.1 The similar relationship between model and prototype

图1 正放、斜放的钢丝网水泥砂浆面层加固夯土试件Fig.1 The rammed earth specimen reinforced with upright or oblique steel mesh and mortar surface layer

加固试件所采用的钢丝网的钢丝直径为2 mm，钢丝网格尺寸为100 mm×100 mm，试验前对单根钢丝进行张拉试验，实测钢丝平均抗拉强度为668.79 MPa．对夯土墙体所用土料进行土工试验得到性能参数如表2所示．

表2 土工试验结果Tab.2 Results of soil test

夯土墙基础用钢筋混凝土梁模拟，梁面为浇筑的自然毛面，接近实际情况中的毛石基础，但比毛石基础的抗滑能力差．底梁浇筑完成后，在室内养护28 d，然后在梁上夯筑墙体．为使试验接近实际情况，夯土墙完全按照民间工艺制作，使用高为300 mm的钢模板作为模具，每层放入素土150～180 mm，夯实后厚度约为 100 mm．墙体制作完成后，在室内常温下养护3个月，再进行加固．墙体干缩较大，有不同程度的裂缝，最大裂缝宽度可达到10 mm，最长裂缝达1 200 mm．

加固前在墙体上用直径为6 mm的钻头进行钻孔，钻孔的位置和布局如图1中所示．钻孔后选择加固面层进行人工凿毛，并除去墙面的浮土，刷一层1 mm厚的素水泥浆，将钢丝网(正方或斜放)置于墙面，用穿墙螺杆固定，螺杆与钢丝网绑扎连接，墙面另一侧用垫板和螺母将螺杆拉紧(见图2)．钢丝网固定后，在墙面抹M10水泥砂浆，加固层的总厚度控制在12 mm左右．加固墙体在室内养护28 d后进行试验．

图2 钢丝网固定Fig.2 Fixed with steel mesh

1.2 加载方法与加载制度

模拟墙体实际受荷状态，在墙顶施加恒定竖向荷载和低周反复水平荷载．施加的竖向荷载是按照二层三开间的一字型布局生土房屋的实际荷载计算所得，原型墙体顶部所承受的的竖向荷载为529.83 kN，考虑缩尺关系，施加在试件上的竖向荷载为58.87 kN，该荷载维持至试验结束．为保证荷载均匀作用在墙体上，在墙顶平铺20～30 mm厚水泥砂浆找平层，其上安装工字钢，将轴力稳压装置的集中荷载转化为均布荷载作用在墙顶．

低周反复水平荷载由美国MTS公司生产的50T电液伺服作动器施加，作用在墙体平面内，试验装置见图3．试件加载采用位移控制，每级0.5 mm，加至4.0 mm后每级1.0 mm，加至10.0 mm后每级2.0 mm，各循环2次，加载速度0.2 mm/s，直至试件破坏为止．

图3 试验装置图Fig.3 The view of test equipment

1.3 测点布置及数据采集

试验安装位移计监测底梁和墙体位移（见图4）．位移计3观察水平方向位移，位移计2和6观察底梁是否发生偏转，位移计4和5观察墙体的剪切位移，位移计1观察墙身位移．

图4 墙体测点布置图Fig.4 Locations of test on the wall

2 试验过程及现象

全部5个墙体试件从加载开始到破坏经历了弹性、弹塑性、破坏三个阶段，其破坏形式均表现为剪切破坏．

未加固夯土墙体W-1试件在拉0.5 mm时墙体中部、靠近初始水平裂缝下方出现细微斜裂缝；随着位移的增加，在初始的水平和竖直干缩裂缝下方出现的拉向 45°斜裂缝与初始裂缝相交；推 9 mm时，墙体两侧出现图5红圈中所示的贯通裂缝，并且墙根出现松动，整个墙体有被抬起迹象；位移继续增大，45°斜裂缝向上向下延伸形成贯通的拉向斜裂缝，在推12 mm时，多数裂缝已发展完全，墙体松动破坏，试验结束．

采用钢丝网加固的墙体，拉1.5 mm时，在未加固一侧出现细小裂缝；随着位移增加，在推拉2～3.5 mm时，未加固一侧的夯筑分层处出现水平裂缝；随位移增大，裂缝继续发展，在拉11 mm时，45°斜裂缝与夯筑分层处的水平裂缝相交贯通；推14 mm时，在加固一侧出现斜向交叉的细小裂缝；拉16 mm时，墙体厚度方向的加固面层出现凸起，与墙体剥离，随位移增大，部分掉落；推18 mm时，w-3-1墙体未加固一侧在水平通缝与斜向贯通裂缝之间出现土块破落现象(见图 8(b))，停止加载，试验结束．至试验结束，加固一侧始终未出现大的裂缝，墙角基本维持完整，墙体未出现抬起现象．

正放钢丝网加固墙体 W-2-1、W-2-2与斜放钢丝网墙体W-3-1、W-3-2破坏过程与现象大致相似，其破坏形态分别见图6～9．

图5 W-1破坏图Fig.5 The destroying figure of W-1

图6 W-2-1破坏图Fig.6 The destroying figure of W-2-1

图7 W-2-2破坏图Fig.7 The destroying figure of W-2-2

图8 W-3-1破坏图Fig.8 The destroying figure of W-3-1

图9 W-3-2破坏图Fig.9 The destroying figure of W-3-2

3 试验结果分析

3.1 墙体水平承载力和变形能力

各墙体在水平荷载作用下的开裂荷载、极限荷载及开裂位移、荷载峰值位移和极限位移见表3．

表3 试件在水平荷载作用下的荷载及位移Tab.3 The load and displacement ot specimen under lateral loads

由表中数据可知,加固后墙体的开裂荷载、极限荷载以及开裂位移、极限位移明显高于未加固的墙体（W-1），说明钢丝网水泥砂浆面层加固夯土墙体延迟了墙体开裂，提高了墙体承载能力和变形能力．

本次试验的对比结果显示，钢丝网正方与钢丝网斜放对墙体的加固效果影响不大．试件设计时考虑斜放钢丝网的钢丝与裂缝方向一致，拟考察其对斜裂缝的抑制作用，但本次试验未表现出斜放钢丝网加固的优势，可能与试件数量较少、施工质量差异等其他因素有关．

将各墙片的荷载情况与计算所得的地震力进行对比可以得出：未加固墙体在未达到6度时，即会开裂；经加固的墙体开裂荷载都大于7度，其中墙片W-2-2的开裂荷载超过了7度（0.15 g）．墙片W-1的极限荷载只能达到7度（0.15 g），经过加固的墙片中极限荷载最小的（W-3-1）也超过了8度，其他各墙片的极限荷载都明显超过了 8度的地震力．可以看出，钢丝网水泥砂浆面层加固夯土墙可明显提高墙体的抗震性能．

3.2 滞回曲线和骨架曲线

各墙片的滞回曲线以及墙片间骨架曲线对比情况见图10．

图10 各墙片的滞回曲线Fig.10 Hysteresis curves

5个试件的滞回曲线，均表现为从加载开始到出现第一条裂缝之前，试件处于弹性阶段，滞回曲线接近于直线，此时滞回环面积较小．从第一条裂缝出现开始，试件进入弹塑性阶段，曲线斜率变小，滞回环面积逐步增大．随着加载位移继续增大，新裂缝出现，原裂缝继续发展，滞回曲线的形状也有初始的梭形演化为弓形．

未加固试件W-1的滞回曲线在第一、第三象限下降比较明显，并且下降段斜率较大，未出现塑性平台，表现出明显的脆性破坏特征．加固试件 W-2-1、W-2-2、W-3-1、W-3-2与W-1滞回曲线最明显的区别是比较饱满，证明加固后试件的耗能能力明显增强．

从各片墙的骨架曲线分析，加固后墙体的极限荷载明显大于未经加固的夯土墙体试件，钢丝网水泥砂浆面层受力明显，限制了斜向剪切裂缝的发展，提高了墙体承载力．进入下降段，加固试件的曲线斜率呈减小趋势，比未经加固的试件平缓，由于钢丝网水泥砂浆面层延缓了斜向剪切裂缝与夯筑分层处水平裂缝的贯通，限制了夯土墙体的急剧变形，使试件表现出了一定的延性．

4 结论

(1) 钢丝网水泥砂浆面层加固夯土墙体是一种行之有效的加固方法，可以明显提高夯土墙体的承载力，改善墙体脆性破坏特征．

(2) 钢丝网水泥砂浆面层在试验过程中受力明显，能够有效控制斜向剪切裂缝的发展，并延缓斜裂缝与墙体夯筑分层部位的水平通缝相交贯通．从而提高墙体极限荷载，约束墙体变形，在一定程度上防止了墙体的整体溃散垮塌．

(3) 试验加载过程中，未加固夯土墙体墙根处出现松动，墙体有抬起迹象，钢丝网水泥砂浆面层与混凝土底梁连接较好，加固墙体的墙角基本保持完整．表明在实际房屋中采用措施加强墙体与毛石基础的抗滑移和抗剪性能有助于改善房屋的整体受力性能．

(4) 本次试验中，斜放钢丝网的加固方式与正放钢丝网相比，在承载力方面差别不大，斜放钢丝网试件的极限位移略大于正方钢丝网试件，但由于试件数量有限，夯土材料、墙体的性能离散性较大，钢丝网放置方式对加固效果的影响还有待进一步研究．

(5) 未加固的夯土墙有一定的抗震能力，可以满足低烈度下的抗震要求．经过钢丝网水泥砂浆面层加固后，夯土墙抗震能力可从7度（0.15 g）提高至8度，本文加固方法可为8度（0.20 g）及以下地区的在役生土房屋的加固改造提供参考，也是住建部行业标准《村镇建筑抗震鉴定与加固技术规程》编制的试验依据．

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