砖柱加强的夯土墙体抗震性能试验研究

张 坤，王毅红，梁 楗，张又超，仲继清

(长安大学建筑工程学院，陕西 西安 710061）

生土结构民居在我国村镇地区仍大量存在，生土房屋就地取材造价低廉、技术简单、绿色环保、保温隔热性能优越，但传统营建工艺方法使生土房屋结构抗震能力不足，限制了生土房屋的推广及应用[1-4]．历次地震后的宏观调查表明[5-7]，生土结构震害普遍十分严重，在西部地区，大地震中坏损或倒塌的农房半数以上为生土房屋，针对上述问题，本文研究提出砖柱锚杆构造、砖柱配筋砂浆带构造的新型生土夯土墙体，通过5个模型试件的试验对比，研究两种新型混合结构承重夯土墙体的抗震性能，验证此类构造措施的有效性，为行业标准《镇(乡)村建筑抗震技术规程》(JGJ161-2008)的修订提供试验依据．

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

夯土墙试件以单片土墙作为试验研究单元，墙片尺寸为1 650 mm×1 300 mm×240 mm（原型尺寸4 950 mm×3 900 mm×720 mm）．

试验设计了5片1:3缩尺模型试件，分别为素夯土墙试件，编号为W-1；带砖柱和锚杆拉结的夯土墙试件2个，编号为W-4-1、W-4-2(见图1､2)；带砖柱和配筋砂浆带结构的夯土墙试件2个，编号为 W-5-1、W-5-2(见图 1､ 2)．

图1 试件平面图Fig.1 Plan of the walls

图2 试件立面图Fig.2 Elevation of the walls

表1 模型与原型相似关系Tab.1 Similarity relationship between model prototype

表2 土工试验结果Tab.2 Results of soil test

模型与原型的相似参数关系见表1所示，夯土墙体材料性能参数见表2所示．试验采用钢筋混凝土梁模拟实际生土结构房屋的基础，梁的表面为浇筑混凝土后的自然毛面，和实际结构中的毛石基础面较为接近，但比毛石基础面的抗滑能力低．在室内养护28 d后开始在底梁上夯筑墙体，夯土墙完全按民间工艺制作，模具采用定型钢模板，模板高度300 mm，每层虚铺 150～180 mm，夯实至 100 mm．夯土材料现场测得含水量为18.9%，略大于最优含水率[8]．试件在室内养护三个月后砌筑砖柱，砌筑完成后继续室内养护一个月后开始试验．

墙体试件测点布置位置见图3所示．测点1～4分别安装百分表，其中1、2测点监测在底梁与地面间、墙体与底梁间是否产生滑移；3、4测点测定墙体在两个45度对称方向的剪切变形；W-5试件在各砂浆带表面沿长度方向分别布置三个应变片(见图2)，通过应变测试数据分析砂浆带在低周反复荷载作用下的变形情况，进而研究砂浆带受力参与的情况．

1.2 加载装置与加载制度

试验时，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．

竖向荷载是根据承重夯土墙房屋的实际尺寸，按带阁楼的木屋盖瓦屋面房屋的实际荷载计算，为529.83 kN．竖向荷载加载前，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，然后安装工字钢，将轴力稳压装置的集中荷载转化为均布荷载作用在墙顶，一次加至缩尺试件的设计竖向荷载58.87 kN，维持恒定，并一直保持到试验结束．

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 4．为较好观察试件破坏过程，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 试件测点布置Fig.3 Measuring points on walls

图4 试验装置图Fig.4 The pictures of test setup

2 试验结果与分析

2.1 试验破坏过程及破坏形态

试验加载过程中，试件经历了弹性、弹塑性和破坏三个工作阶段，全部5个试件均为剪切破坏．墙体破坏形态见图5所示，试件随位移的循环而表现出的试验现象描述如下．

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，而推向裂缝一直未出现；推9 mm时，墙体出现贯通裂缝，墙根略有松动，整个墙体有被抬起迹象；位移继续增大，拉向45°斜裂缝向上向下延伸形成了整个贯通的拉向斜裂缝，在推 12 mm时，多数裂缝已发展完全，墙体松动破坏，试验结束．

W-4-1试件在推1 mm时收缩通缝处出现多条细小裂缝；随着位移的增加，新裂缝不断出现，主要是距墙底260 mm、550 mm的两条水平通缝，以及在推2.5 mm、拉2.0 mm时两个方向的斜裂缝，由加载板下方斜向延伸至墙底，和原始收缩裂缝贯通；推6 mm时墙底两条通缝完全形成，出现鼓土掉皮现象，通缝间的斜缝将墙体分割成数块；推14 mm时砖柱开始出现多条竖向裂缝；推18 mm时裂缝发育完全，试件破坏．

W-4-2试件在拉1 mm时原始受压竖向裂缝向上延伸；拉9 mm时距墙底300 mm处出现水平通缝，伴随大量斜裂缝出现，且斜裂缝之间开始相互贯通、延伸，主要和加载板下方通缝、受压竖向裂缝相交；拉14 mm时加载板处砖柱开裂，有滑移的趋势；推24 mm时出现剪切斜裂缝，和通缝贯通，砖柱滑移、开裂，试验结束．

图5 墙体破坏形态图Fig.5 Failure pictures of the walls

W-5-1试件在推1.5 mm时砂浆带角部出现斜缝；拉4.0 mm时，出现沿45o方向的斜裂缝，并随着位移增加，斜缝两头继续发展，向下延伸至墙底，和原始收缩裂缝贯通，向上延伸至加载杆下方，在底部砂浆带处裂缝被断开；位移加载至拉 10 mm时，砖柱被抬起，距墙底高280 mm处通缝形成，伴随鼓皮掉渣现象；推12.0 mm时，底部砂浆带突然出现三条竖向裂缝；推14.0 mm时，推向剪切斜裂缝出现，从加载板处一直延伸至砂浆带，和砂浆带处竖缝贯通，继续向下延伸，和砂浆带底部通缝相接；继续加载，拉20 mm时，砂浆带中铁丝被拉断，砂浆带中部和墙体完全分离，两边砖柱底部也出现大量竖向裂缝，停止加载，试验结束．

W-5-2试件在推1.5 mm时砂浆带和墙体连接底部出现水平裂缝；拉8.0 mm时，砂浆带下部100 mm处出现水平通缝，并伴随鼓皮掉渣现象；位移加载至拉12 mm、推14 mm时，两条对称的45°剪切斜裂缝分别出现，由加载板下方开始一直延伸至砂浆带，越过砂浆带和通缝相交；推16 mm时，通缝处已开始大量掉土，砂浆带部分已翘起，有和墙体脱离的趋势；推20.0 mm时，砂浆带已完全凸起，两边砖柱出现竖向裂缝，停止加载，试验结束．

由于混凝土底梁表面较光滑，和夯土墙的粘结相对较弱，在加载过程中墙体有翘起的现象，导致试件在底梁上滑移，甚至偏移水平加载轴线，影响墙体破坏形态，使墙体承载能力不能充分发挥，提前退出工作[9-11]．实际生土结构房屋纵横墙共同工作，墙体与基础底面在在水平作用下发生滑移的可能性很小，且实际毛石或砖基础、灰土基础与生土墙体的接触面比试验制作的混凝土底梁粘结抗滑性能高，因此现阶段房屋破坏的薄弱部位是上部墙体．

本次试验为防止墙体翘起滑移现象，在墙根处铺设方木，固定于压梁之下，试验过程中发现墙体有轻微翘起现象，但几乎未出现滑移，基本保证了试验加载的完整性．本课题组多次试验均出现墙体与基础接触面的翘起滑移现象，或多或少地影响了试验结果的准确性．若改进试验装置，使墙体与基础间不发生滑移翘起现象，墙体所能承受的水平荷载还有增加的可能，这也是在后续试验中尚待进一步解决的问题．从另一个角度分析，墙体在采取各种构造措施后，承载力有较大的提高，则实际房屋中墙体与基础面的粘结滑移问题也应引起重视．当墙体与基础接触面水平粘结抗剪能力低于房屋墙体水平抗力时，也会发生类似在实验室出现的滑移破坏形态，即当生土墙体抗水平作用能力提高后，墙体与基础的连接措施或为新的研究课题．

2.2 墙体水平承载能力和变形能力

试件在水平荷载作用下的开裂荷载、极限荷载以及对应的位移见表3所示．按底部剪力法计算并考虑缩尺模型的相似关系，得到模型试件的水平地震剪力值见表4所示．

表3 墙体开裂荷载、极限荷载及相应位移Tab.3 Cracking load ,ultimate load and corresponding displacement of the wall

表4 地震烈度和墙体水平地震作用的关系（kN）Tab.4 Relationship between seismic intensity and horizontal geological process on walls (kN)

观察表4中数据，砖柱锚杆拉结的试件试验结果差别较大，W-4-1开裂荷载高，但极限荷载和极限荷载所对应的位移较小，W-4-2开裂荷载小，但极限荷载和极限荷载所对应的位移在所有试件中最大，分析可知土体材料的离散性和夯土墙施工中各种偶然因素的影响导致试验结果差异较大；采用砖柱配筋砂浆带构造措施的两个试件得到的试验结果数据离散性较小，对墙体承载能力增加不显著，但试件开裂位移、极限荷载对应位移以及极限位移较未采取的试件明显提高．

选取W-5-1试件配筋砂浆带的应变片测试数据进行分析，砂浆带的应变和加载位移的关系曲线见图6，砂浆带破坏现象见图7．

图6 砂浆带应变与加载位移关系曲线Fig.6 Strain and load-displacement curve of mortar

图7 砂浆带裂缝图Fig.7 Cracks map of mortar

从图6中可以看出，随着加载位移的增长，砂浆带的变形随之增大，并且承受着一定的拉力，试验加载后期砂浆带出现裂缝(见图7），包裹在内的铁丝被拉断．结合试验现象分析可知，砂浆带对墙体的环箍作用较大，可以有效延缓墙体开裂，并抑制裂缝发展，明显改善墙体的脆性破坏特征．

通过不同混合结构的夯土墙体的对比试验可看出，设置砖柱砂浆带(W-5)的效果优于设置砖柱锚杆(W-4)的的效果．从墙体最终破坏图分析，W-5的斜裂缝发育完全，两条砂浆带之间的墙体破坏现象较轻，砂浆带与砖柱很好的形成了生土墙体的束框，而W-4的锚杆不连通，锚杆方向与水平受力方向一致，不能将两侧砖柱拉结形成共同受力模式；从理论分析，在墙顶设圈梁或设置贯通锚杆，对夯土墙体的承载力提高可能更好，但这还有待下一步的试验论证．

结合上述分析和表3数据可知，采取以上构造措施墙体试件的开裂荷载、极限荷载以及其对应位移较未设置的夯土墙都有不同程度的提高，说明砖柱、配筋砂浆带可以有效约束生土墙体的变形，在一定程度上提高墙体承载能力，明显提高墙体的整体性和延性性能．

对比分析表 3和表 4中的数据，素夯土墙试件W-1在 6度时开裂，7度时接近极限荷载；W-4和W-5试件在接近7度时开裂，水平极限荷载大于7度，略小于8度对应的计算地震力．设置砖柱、配筋砂浆带的夯土试件的抗裂能力、承载能力、整体稳定性等都得到了不同程度提高，可以在8度以下地区使用．

2.3 滞回曲线及骨架曲线

试件荷载-位移滞回曲线和骨架曲线见图8所示．

结合试验分析各曲线可看出以下特点：

(1) 加载初期试件处于弹性阶段，滞回曲线接近直线，滞回环面积较小；墙体出现第一条斜向剪切裂缝，各曲线出现少量残余变形，曲线斜率开始下降，刚度不断退化，滞回环面积增大，试件进入弹塑性阶段；加载后期，试件裂缝发育完全，宽度较大，在荷载作用下反复张开闭合，滞回环由初始的梭形逐渐变为弓形．

(2) 试件W-1滞回曲线在第一三象限都有明显的下降段，分别达到推拉向的极限荷载时荷载即开始下降，没有出现塑性平台，而且曲线下降段的斜率较大，表现出明显的脆性特征．

(3) 带砖柱试件W-4和W-5的滞回曲线在后期卸载过程中会出现平行于纵轴的区间段，即在卸载过程中试件所受的力在减少，而位移却几乎未变化，结合试验分析可知试件制作过程中墙体和砖柱粘结处有空隙，试验后期，加载板处砖柱出现滑移后，加剧了曲线的这种趋势．

(4) 从试件W-4-1、W-4-2滞回曲线可以看出，试件加载初期，曲线与试件W-1相比趋势较陡，试件初始刚度较大；随着位移的增加，曲线斜率变化较为平缓，刚度退化较慢；在到达峰值后，由于砖柱的存在，试件表现出一定的延性性能，曲线在第一三象限内有塑性平台出现，试件W-4-2表现尤为明显；曲线下降阶段斜率随反复加载而逐渐降低，试件刚度逐渐退化．从骨架曲线可以看出，试件W-4-1、W-4-2承载力较试件W-1有所提高，且试件W-4-2将近提高22%，表明砖柱参与了墙体受力，一定程度提高了墙体的承载力和延性性能．

(5) 试件 W-5-1、W-5-2滞回曲线整体趋势和W-4试件类似，墙体初始刚度较W-1试件较大，加载过程中曲线斜率变化较为平缓，刚度退化较慢；曲线拉向塑性平台表现较为明显，表明砖柱和配筋砂浆带参与工作，墙体的延性较W-1试件有很大的提高．试件W-5-2墙体夯筑质量较差，墙根部位夯土较虚，试验加载至试件荷载峰值后，墙根开始成块掉土，荷载急剧下降，但是由于砖柱和配筋砂浆带的约束，墙体整体稳定性良好．

图8 各试件荷载-位移滞回曲线及骨架曲线Fig.8 Load-displacement hysteresis curves and skeleton curve of the test specimens

3 结论

(1) 带砖柱和锚杆拉结的夯土墙试件主要从夯土接茬的通缝处破坏，剪切斜缝发育不充分；设置砖柱和配筋砂浆带构造的夯土墙试件属于典型的X型剪切破坏，推、拉方向剪切斜缝发育完全，当配筋砂浆带断裂或脱离墙体丧失承载力后两条剪切斜缝和砂浆带下方通缝贯通，墙体破坏．

(2) 设置砖柱和锚杆、砖柱和配筋砂浆带构造可有效约束夯土墙体的变形，抑制墙体裂缝发展，提高墙体的整体稳定性，改善传统夯土墙体的脆性破坏特征，防止墙体破碎倒塌，使夯土墙体的承载力和延性性能得到提高．

(3) 试验加载过程中采取了措施，防止试件在混凝土底梁上翘起或滑移，使墙体的承载能力和变形能力得到充分发挥．实际工程中亦应注意采取措施加强基础和墙体的抗剪能力和抗滑性能，有助于改善房屋的整体受力性能．

(4) 试验中砖柱受加载工字钢作用的影响，使墙体两端的砖柱与墙体共同受力，对墙体的各项力学性能影响显著，因此在实际工程中，应保证砖柱和屋架、梁等构件有可靠连接，使其共同受力．配筋砂浆带在施工中应采取措施加强和墙体的粘结，否则在荷载作用下会脱离墙体，失去对墙体的拉接和合约束作用．

(5) 对比两种混合结构生土墙体，砖柱配筋砂浆带构造措施对墙体的延性影响相对略大，砖柱锚杆构造措施对墙体承载能力影响相对略高．

(6) 试验中受到试件的数目和试验条件的限制，采用砖柱锚杆混合结构墙体试验结果差别较大，有待进一步试验研究；砖柱配筋砂浆带混合结构墙体中砂浆带对墙体的各项力学性能影响显著，所以砂浆带的位置、设置数目、强度以及和墙体的粘结措施等因素对墙体的影响有待于深入研究．

References

[1] 王毅红, 李丽, 王冲锋, 等. 村镇既有生土结构房屋抗震性能现状分析[J]. 土木工程学报, 2010, 43(S1): 462-467.WANG Yihong, Li Li, Wang Chongfeng, et al. Research and analysis on a seismic behavior of existing country raw Soil structure[J]. China Civil Engineering Journal,2010, 43(S1): 462-467.

[2] 常卫华, 王建卫, 徐福泉. 村镇生土住宅结构现状研究[J]. 建筑结构, 2010, 4(S1): 375-378.CHANG Weihua, WANG Jianwei, XU Fuquan. Study on existing situation of adobe and rammed earth building Construction in town and village[J]. Building Structure,2010, 4(S1): 375-378.

[3] 周铁钢, 段文强, 穆钧, 等. 全国生土农房现状调查与抗震性能统计分析[J]. 西安建筑科技大学学报: 自然科学版, 2013, 45(4): 487-492.ZHOU Tiegang, DUAN Wenqiang, MU Jun, etal. Statistical analysis and survey on the aseismatic performance of theraw-soil Building Status in China's rural areas[J]. J.Xi'an Univ. of Arch. & Tech.: Natural Science Edition,2013, 45(4): 487-492.

[4] 李少荣. 既有村镇生土房屋安全性能评价研究[D]. 西安: 长安大学, 2012.LI Shaorong. Study on Safety Evaluation of Existing Town and Village Raw-soil Structure[D]. Xi'an: Chang'an university, 2012.

[5] 崔杉彬. 汶川地震中村镇建筑的震害分析及抗震减灾措施研究[D]. 西安: 长安大学, 2009.CUI Bingbing. Analyze of earthquake damage in village and research on seismic fortification measure[D]. Xi'an:Chang 'an university, 2009.

[6] 王赟, 张波. 生土建筑在灾后重建中的应用研究[J].世界地震工程, 2009, 25(3): 159-161.WANG Yun, ZHANG Bo. Research on application of raw soil buildings in reconstructions after earthquake disasters[J].World Earthquake Engineering, 2009, 25(3): 159-161.

[7] 杨华. 灾后重建背景下夯土墙结构民居抗震试验研究与示范[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2010.YANG Hua, Seismic test of rammed earth wall and reconstruction of demonstrate residence after Panzhihua earthquake[D]. Xi'an: Xi'an Univ. of Arch. & Tech., 2010.

[8] 岳星朝. 生土基材料受压及受剪强度试验研究[D]. 西安: 长安大学, 2014.YUE Xingchao. The research of Raw soil base material compression and shear strength test[D]. Xi'an: Chang 'an university, 2014.

[9] 王毅红, 樊琨, 陈全杰, 等. 村镇生土结构房屋抗震加固措施试验研究[J]. 工程抗震与加固改造, 2011, 33(6):77-81.WANG Yihong, FAN Kun, CHEN Quanjie, et al.Experimental Study on Anti-seismic Strengthening Measures on Raw-soil Structure Houses in Villages[J].Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting, 2011,33(6): 77-81.

[10] 卜永红, 王毅红, 韩岗, 等. 内置绳网承重夯土墙体抗震性能试验研究[J]. 西安建筑科技大学学报: 自然科学版, 2013, 45(1): 38-42.BU Yonghong, WANG Yihong, HAN Gang, et al. Study on seismic behavior of the rammed earth walls with built-in rope nets[J]. J. Xi'an Univ. of Arch. & Tech.:Natural Science Edition, 2013, 45(1): 38-42.

[11] 陈全杰. 既有村镇生土结构房屋承重夯土墙体加固试验研究[D]. 西安: 长安大学, 2011.CHEN Quan Jie. Experimental Study on Reinforced-Ramming Walls of Existing Country Raw-soil Structure[D]. Xi'an: Chang'an university, 2011.