国内夯土结构研究现状

郭强亮，杨新磊

(1.天津城建大学 土木工程学院，天津300384；2.天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室，天津300384)



国内夯土结构研究现状

郭强亮1，杨新磊2

(1.天津城建大学 土木工程学院，天津300384；2.天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室，天津300384)

夯土结构具有保温性能好、造价低、施工工艺简单、绿色无污染等优点，但也存在着强度低、耐久性差、外观差等缺陷。近年来，夯土课题研究主要集中在三个方面，即夯土材料的基本力学性能研究、夯土实体结构模型研究和夯土有限元模拟研究。首先，介绍夯土结构的发展和研究背景，然后，对当前夯土结构的实验研究和有限元模拟研究现状、成果、特点、存在的问题等进行总结，最后，对国内夯土结构研究的不足和未来发展做出展望。

夯土结构；夯土材料；有限元分析；抗震性能；加固；冻融；绿色建筑

作为我国历史文明的一部分，夯土结构曾有过辉煌的篇章。夯土结构在古代的主要代表有殷商时期的高台建筑，秦朝的始皇陵和万里长城，唐朝的长安城，宋代《营造法式》记录的夯土建筑等，这些建

筑展现了我国古代先进的夯土建造技术[1]。

国内现存的民居类夯土建筑也很多，如福建地区较常见的4～5层的土楼。除此之外，近年来研究较多的代表性民居类夯土建筑有云南黎族的夯土结构房、新疆夯土结构民居建筑、山西甘肃地区的椽打樯建筑等，体现了夯土结构在解决偏远地区民居问题的重要作用[2-3]。

随着现代化的发展，生土结构建筑自身的耐久性差、抗震性能差、承载能力低、安全性能低、美感差等缺陷使得夯土建筑逐步被遗弃。然而，当前钢筋混凝土结构、钢结构、组合结构等建筑的大范围应用，消耗了大量的人力、物力、财力，同时还会对生态环境造成一定的伤害。生土结构建筑具有简易、经济等特点，符合生态可持续发展的要求。因此，作为21世纪的绿色建筑类型之一，生土结构具有一定应用空间，近年来在国内关于夯土结构方面的课题研究也逐渐增多[4-5]。

1　夯土材料研究

夯土材料的研究课题，主要归纳为：材料强度实验、夯土材料抗冻性试验研究等几种类型[6]。

1.1夯土材料实验研究内容

材料研究作为夯土课题研究的基础，有着重要的意义。本文分析的材料实验研究[7-8]主要通过三个材料实验进行，具体见表1。

表1　代表性夯土结构实验研究

由表1发现：当前国内关于夯土材料的研究主要集中在夯土材料的基本力学性能研究和夯土材料的改性研究。夯土材料研究的内容有待进一步扩充。

1.2材料实验研究总结

(1)西安建筑科技大学周铁刚等人通过夯土标准抗压强度实验研究发现，夯土材料的强度受碎石含量、含砂率影响很大。同时，总结了甘肃会宁地区夯土材料的土、砂、石三种主要成分的最佳配合比。此外，研究还发现夯土材料中加入水泥改性材料可以有效提高强度，但会造成污染，破坏夯土绿色材料性能。

(2)通过夯土棱柱体轴心抗压实验，研究出夯土材料的基本力学性能指标泊松比、弹性模量等的获取方法。该研究为夯土结构研究奠定了基础。

(3)西安建筑科技大学的尚建丽等，通过夯土材料抗冻性试验[7]研究发现，土体的改性可以有效增强土体材料抵抗冰雪冻融、雨水侵蚀等自然循环作用。因此，研究土体改性是未来夯土材料得以进步的必要途径。

2　夯土实验结构研究

国内近年来夯土结构实验研究主要包括：轴压强度实验、夯土结构动力学实验、加固实验、结构承载力实验等几种类型。

2.1夯土结构实验研究内容及分析

夯土结构实验研究比较接近工程实际，对夯土结构的发展和既有夯土结构的加固有着重要意义。本文统计了四个关于夯土结构的实验，具体见表2所示[9-12]。

表2　夯土结构实验研究

表2介绍的四个夯土结构实验，包含了夯土结构的动力学实验、静力学实验、加固实验、整体抗震性能实验，全面研究了夯土结构的各方面性能。

2.2研究成果总结

(1)西安建筑科技大学周铁刚等人通过夯土结构房屋模型振动台实验证明夯土结构整体力学性能良好，具有较高承载力；同时也证实夯土墙体系动力性能良好，抗震性能良好。

(2)长安大学王毅红、陈全杰等人通过即有夯土墙加固实验[13]发现加木构造柱和木圈梁能够提高极限承载力；加固后的夯土结构抗侧刚度提高；加固构件对纵、横两片剪力墙交界处的约束加强；檩条下加垫板可避免集中荷载作用下产生的竖向贯通裂缝。

(3)华侨大学彭兴黔、林俊龙通过福建土楼[14]缩尺模型实验研究出了现有福建土楼的最佳配合比，同时也证明了夯土结构具有易发生脆性破坏的缺陷。此外，研究还得出了轴向压力和夯土墙厚度之间的比例关系。

(4)夯土墙抗剪破坏试验，周铁刚和杨华等总结了夯土墙结构容易开裂，夯筑过程中层间抗剪强度不足的缺点。同时，研究还发现夯土墙体系容易出现斜对角开裂的问题。

3　夯土结构有限元模拟研究

有限元法也是夯土研究的重要组成部分。近年来，许多高校进行了有限元方面的模拟，比较有代表性的如下[15-17]：

(1)西安建筑科技大学周铁刚和张冰冰等的现代夯土结构民居有限元模拟分析。该模拟假定夯土材料各向同性，墙体模型采用solid45，砼屋面板、砼构造柱、砼梁等，砂浆部位运用solid65模拟，对现代夯土结构缩尺模型进行了模拟，并将模拟结果与震动台实验对比[18]。

模拟结果表明：①现代夯土结构有限元模拟与振动台实验结果相符；②采取构造措施能够有效地增加结构的整体性、刚度、最大加速度等抗震性能；③有限元分析法能够较好地模拟夯土结构的受力性能。

(2)西安建筑科技大学周铁刚和孟耀杰等的振动台实验中，进行了实际房屋有限元模拟，对实际房屋模型进行了静力分析、模态分析、反应谱分析、时程分析等，并与振动台结果相比较，进而总结出有限元分析结果与振动台实验结果相符[19]。

模拟结果表明：有限元模型能够较好地模拟结构实体的受力性能、抗震性能、破坏薄弱部位等，有助于实体结构在实际实施中进行合理的设计、施工、改造等。

(3)四川建筑研究院文枚等人对竹筋夯土结构进行有限元分析，采用实体模型solid65模拟墙体，使用Link8 模拟竹筋，并进行了单调荷载作用下的受力性能分析[20]。

模拟结果表明：通过模拟能够获取夯土结构实体的基本受力性能，进而为实体结构的加固、改造等提供有效的参考。

4　结语与展望

4.1现代夯土结构研究总结

现代夯土结构相比古代有了较快的发展，成立了专门的学科委员会，有了更先进的技术和设备；出现了夯土改性材料的开发和研究；有了先进夯土结构实验设备和计算机辅助模拟研究体系。

尽管取得了许多研究成果，但当前夯土结构研究体系逐步完善的同时仍存在着许多问题，具体可以分为以下几个方面：

(1)国内多数夯土结构建筑都位于西部和偏远山区，缺少高端技术的支持和统一管理。

(2)夯土结构体系实验研究仍处于初级阶段，仅能做到部分区域内的夯土材料、夯土结构构件、夯土缩尺模型的实验研究，还没有普及到全国所有地区。

(3)夯土结构体系计算机辅助方式研究也仅限于有限元方式研究，其他高科技计算机智能技术、自动化信息采集技术等应用还没有相关研究。

(4)国内夯土结构研究与国外相比还有一定的差距，比如夯土施工技术规范、夯土结构设计规范、夯土结构勘测规范等。

(5)夯土结构材料改性、结构体系加固、构造措施等方面的研究基本与国内其他形式结构加固相似，没有较为新颖的工艺或措施出现。

(6)夯土结构有限元模拟方面存在结构单元体的选择、本构关系曲线的定义、塑性阶段的非线性分析、各类夯土构件的耗能研究等尚不全面。

(7)有限元分析计算对于夯土结构构件的耗能计算还没有相应的研究。同时，有限元模拟中对于夯土改性材料的建模研究目前还没有。

(8)偏远山区的夯土结构存在许多实际性的震害问题没有实际的解决方案和应对措施，需要进一步研究。

4.2未来展望

通过对夯土结构的研究发现，夯土结构作为绿色、无污染建筑类型之一，有着很大的发展潜力,未来夯土结构建筑必将走向智能化、自动化和节能环保化。人们心目中的传统夯土建筑的耐久性差、抗震性能差、墙体易开裂等缺陷必将被改善。在倡导节能环保绿色建筑的今天，夯土结构建筑的研究必将进一步开展。

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Research status of domestic rammed earth structure

GUO Qiang-liang1,YANG Xin-lei2

(1.School of Civil Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China; 2.Tianjin Key Laboratory of Civil Buildings Protection and Reinforcement,Tianjin 300384,China)

Rammed earth structure has good insulation properties,low cost,simple construction process,green and non pollution,but there are also the defects of the low strength,poor durability and appearance.In recent years, rammed earth research mainly concentrated in three aspects,namely of rammed earth materials research on basic mechanical properties,rammed earth entity structure model research and rammed earth finite element simulation study.First of all,it introduces the research and development background of rammed earth construction,then the rammed earth construction experimental study and finite element simulation research status,achievements,characteristics and existing problems were summarized.Finally,the shortcomings and future development are prospected.

rammed earth structure;rammed earth materials;finite element analysis;seismic performance;reinforcement;freeze-thaw;green building

2016-03-16

国家科技支撑计划项目(2014BAL03B03)

郭强亮(1987—)，男，河北邯郸人，硕士研究生。

1674-7046(2016)04-0031-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.04.006

TU36

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