藏式毛石墙体的构造特征及其受压性能试验

2022-02-12苟梦涵吴芝忠傅雷

重庆建筑 2022年1期

苟梦涵，吴芝忠，傅雷

（1西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010；2成都畅达通检测技术股份有限公司，四川成都 610041）

0 引言

藏式毛石建筑是我国藏区独具民族特色的一种建筑形式，是中华民族建筑史中不可或缺的一个重要组成部分［1］。保护藏式毛石建筑，对其进行分析、研究，是现阶段保护西藏文化的一个重要内容。这类建筑绿色环保，块材拆除后可以直接循环利用。毛石墙体作为该类建筑的主要承力构件，其构造特征及受力性能是影响藏式毛石砌体房屋安全性和使用性能的关键。鉴于此，本文在充分调研藏式毛石墙体构造特征的基础上，进行了传统藏式毛石墙体及BFRP格栅改良毛石墙体的受压性能试验。

1 藏式毛石墙体类型与构造特点

结合相关文献资料和实地考察，发现毛石墙体主要有黄泥填缝墙体、碎石填缝墙体、水泥砂浆填缝墙体、块石压片墙体、石木结合墙体等多种形式（图1）。传统藏式毛石墙体构造如图1所示，该类建筑毛石砌体有以下几个特点：（1）墙体较厚，外墙厚度在0.5～2m之间，最厚的外墙达到5.5 m。其目的是为了提高墙体的承载能力，同时，起到保温隔热的作用［2-4］；（2）就地取材，砌筑毛石墙体的石块不规则，砌筑时每一块体积较大块材四周都要用小片石垫砌，也就是说，砌体内的大块石头不能直接砌筑，必须使用小片石砌垫层和补缝隙［5］；（3）粘结材料主要以黄泥为主，黄泥在墙体中主要是为了使不同大小的毛石能够较为密实地堆砌起来，保证墙体的稳定性，也起到了填缝的作用，从墙体外观来看还能发现黄泥起到了分层整平的作用；（4）在墙体收分上，墙体依据建筑物的高度按一定比例收分，其目的在于提高石墙体承载能力，降低墙体重心，增强墙体稳定性，如图1c）所示。由于毛石块体不规则，砌筑时一般以外墙与内墙表面整齐、而内部尽量填实为主，增加墙厚与收分，提高承载能力和抵抗倾覆能力，使纵横墙无咬砌或咬砌较少。藏式传统建筑砌体主要是毛石砌体结构，研究藏式毛石墙体的构造特征是进一步掌握其力学性能的基础。

图1 藏式传统毛石墙体构造图

2 藏式毛石墙体受压试验

2.1 传统毛石墙体试件设计

砌筑3个该类型试件，选择具有代表性的墙体，按1:2比例缩尺，缩尺后试件尺寸长×宽×高为2m×1.6m×0.34m，为还原墙体特征，采用黄泥填缝，竖向收分比例为5%，聘请藏区具有多年墙体砌筑经验的工人按传统工艺砌筑。砌筑过程如图2所示。

图2 藏式毛石墙体砌筑过程图［6］

2.2 传统毛石墙体试验结果

砌筑完成后的墙体试件在标准条件下养护28天后，参照《砌体基本力学性能试验方法标准》（GB/T 50129—2011）［7］对石墙进行轴心受压试验，通过破坏形态分析其在竖向荷载下的受力机理。墙体在加载至极限荷载的20%时，墙体灰缝挤压密实，小型石块破碎，且随着荷载的增加，墙体出现微小裂缝。继续加载至极限荷载的30%时，石墙收分面中部的石块局部向外滑移，石块间相对位移增大。当加载至破坏荷载的40%时，墙体中部个别石砌块脆断，墙体有短裂缝形成。当加载至极限荷载的60%时，石墙底部石材开裂，继续加载，裂缝逐步加大，且有更多新的裂缝产生。当加载至极限荷载的90%时，裂缝迅速增大，沿石墙体厚度方向的面位移急剧增大，在石墙体纵向边缘东侧形成竖向贯通裂缝，进而形成多个小立柱，发生失稳倒塌，从而导致石墙体丧失承载力，达到最终破坏状态。墙体承压破坏全过程如图3所示。

图3 藏式毛石墙体承压破坏图

由试验现象可得，藏式毛石墙体在较大的压力下会发生不同程度的外闪与石墙纵向外滑移，此部位为石墙较薄弱部位。竖向裂缝最早出现在该墙体东侧边缘底部，随着荷载的逐渐增加，裂缝逐渐延伸，形成竖向通缝。由于毛石墙边缘处所受到的约束作用较小，故导致在竖向荷载作用下易产生更大的变形，最终形成多个小立柱，造成石墙体失稳破坏。

2.3 改良毛石墙体试件设计

针对藏式毛石墙体在竖向压力下易出现平面外变形过大，且两侧易形成竖向通缝，导致墙体外闪而失稳破坏的试验现象，选择在石墙内部加入抗拉强度较高的BFRP格栅来改良墙体，以增强石墙的整体性，抑制裂缝开展，提高承载力。试件设计依据《砌体基本力学性能试验方法标准》（GB/T 50129—2011）4.1.4条进行［7］，确定墙体试件尺寸宽×长×高为0.4m×0.8m×1.6m。墙体砌筑工艺均按西藏民居砌筑工艺进行。以黄泥填缝，收分比例5%，灰缝内添加单层BFRP格栅，砌筑3个该类型试件，砌筑过程如图4所示。砌筑完成后墙体试件在标准条件下养护28天后进行单轴轴心受压试验［8］。

2.4 改良毛石墙体试验结果

采用500T微机伺服长柱压力试验机进行加载。加载初期，发现黄泥压缩，砌体压实、空隙挤压变形；继续加载，石砌块开始受载，石块开裂；当加载至极限荷载的一半时，石块开裂声连续不断，石块开裂较多，墙体出现个别小型裂缝；即将加载至极限荷载时，裂缝迅速增大，有通缝产生；继续加载，墙体产生过大的轴向变形，同时，墙体的通缝也不断增大，越来越多的格栅发生断裂。说明格栅已经发挥了拉结的作用，进而提高了石墙抗压承载能力，抑制了裂缝开展并限制了墙体面外变形。石墙在达到极限抗压承载力以后继续加载，墙体轴向位移不断增大，承载力迅速减小，墙体在厚度方向上产生较大通缝，并有外闪的趋势，但未立即崩塌。改良墙体承压破坏过程如图5所示。

上述试验现象表明，在毛石墙体中加入BFRP格栅后，墙体抗压承载力大幅度提高（承载力提高了两倍多），使得石材的抗压性能得到了更充分发挥；加入格栅后，墙体在每个墙面展现出的破坏情况均不一致，这与石砌块相互垒砌有关。格栅能有效限制墙体通缝开展，降低石块滑移。这主要是由于在通缝的开展过程中，格栅起到了拉结抑制裂缝开展的作用，最后，格栅达到极限抗拉强度而断裂。这表明，在墙体压力作用下，格栅提供了有效的水平拉结作用，使墙体承载力提高，石块抗压性能得到较好发挥，从而明显地改善了藏式毛石墙体的受压性能。

3 试验分析

3.1 石墙体改良前后力学参数对比分析

强度是石墙体力学性能的重要参数之一，毛石墙强度指标主要是通过极限荷载反映。试验表明，墙体第一道裂缝出现时对应的荷载为开裂荷载，荷载继续增大，石墙体出现失稳破坏，或电液压伺服作动器显示器上的读数无法继续增加时，此刻荷载为极限荷载。本次试验实测试验结果如表1所示。毛石墙的开裂荷载为极限荷载的39.7%～58.5%，平均值为47.3%，普通砖砌体的比值在30%～46%之间。通过二者比较可见，该毛石墙体的开裂荷载与普通砖砌体的开裂荷载差别不大[6]。由图6荷载-位移曲线分析可得，添加BFRP格栅的石墙体，其竖向承载力先上升后下降，且开裂荷载高于未添加BFRP格栅的石墙体，即添加BFRP格栅后，石墙体出现裂缝的时间要比传统毛石墙体晚。对于同批砌筑的石墙体，添加BFRP格栅砌筑的受压试件的抗压承载力要明显高于传统毛石墙体。

砌体的另外一个重要力学参数是弹性模量，但受基材性能的影响，砌体弹性模量的受压变形为复杂的塑性变形，所以国内外关于弹性模量的取值不同。而毛石墙体的开裂荷载与普通砖砌体的开裂荷载差别不大，故采用《砌体结构设计规范》（GB 50003—2011）［9］，取应力应变曲线上各点的原点作曲线的切线，该切线的斜率，即原点的切线模量为毛石墙体弹性模量，参考式（1）进行计算，结果如表1所示。由实测试验结果可知，添加BFRP格栅后，毛石墙体抵抗变形能力较传统毛石墙体更强，且改良墙体的相对刚度也高于传统毛石墙体。

泊松比同样是反映力学性能的重要参数之一。泊松比主要是反映纵向变形与横向变形的量值，通过泊松比合理判断砌体变形特征和变形量，是石墙体安全鉴定和加固提高的有效依据。目前，主要以横向应变与纵向应变比值称为砌体的泊松比，由于毛石砌体各基材为各向异性材料，且砌体有一定的弹塑性性质，表明其泊松比为变量。根据试验资料统计分析，砌体的泊松比可按照式（2）计算，计算结果如表1所示。分析可得，添加BFRP格栅后，毛石墙体的协调变形能力与传统毛石墙体差别不大。这主要是因为竖向灰缝填充黄泥不密实，易形成受压，破坏短立柱，砌体基材力学性能未得到充分发挥。

表1 实测毛石墙改良前后力学参数对比分析表

3.2 位移-荷载曲线

实测位移-荷载曲线如图6所示，两类墙体曲线都呈现出先凸后凹趋势，墙体刚度由一开始缓慢增加，至急剧增加，再到逐渐下降，与普通砖砌体受压破坏位移-荷载曲线趋势有一定的相似性，说明毛石砌体的刚度变化趋势和其他砌体一样。由曲线峰值荷载可知，相对于其他类别的砌体，传统毛石墙体的承载力较低，石墙压实后很快就达到了石墙的极限承载力，最终形成多个短立柱，从而崩塌，石墙体呈脆性破坏。本次试验实测传统石墙体极限承载力为240kN。

同样，对改良后石墙体加载试验数据进行处理，绘制传统石墙体与改良后石墙体位移-荷载曲线图，如图6所示。发现加入格栅后，石墙的极限抗压承载力从209kN增加到501.4kN，增加了2.399倍，且竖向位移从24.1mm增加到32.5mm。石墙极限抗压承载力和抵抗变形能力大幅度提高的主要原因是加入了格栅，对石墙通缝的形成起到了很大的限制作用，提高了墙体整体性，约束了砌块横向变形，进而提高了石墙的极限抗压承载力。

图6 位移-荷载曲线图

3.3 石墙体中的BFRP格栅受力分析

从石墙加载过程中的裂缝开展发现，格栅加入墙体后，墙体呈现均布破坏或整体性破坏，这是因为格栅将每层石砌块链接为一个整体，使得砌体均衡受力，格栅断裂，墙体通缝加大，但石墙体没有垮塌，这说明格栅已经发挥了抑制裂缝开展的作用，提高了石墙的抗压承载能力。对通缝的形态进行分析，发现中间部位相对较大，在底部基本没有裂缝，顶部略有开展，这是因为石墙底部采用砂浆进行坐浆处理，底部的约束较强，顶部有钢梁，提供了一定的约束能力，而中部的约束最弱，故而加载后出现此现象。当通缝开展较小时，格栅已受拉绷紧；当加载至石墙极限承载力时，通缝开展较大，格栅受拉断裂。这充分表明，在石墙中加入格栅，能够在一定程度上限制墙体通缝的继续开展，且效果明显。

通过石墙体改良前后力学参数对比分析可明显发现，加入格栅后，墙体力学性能明显高于传统石砌体；墙体受压破坏过程中，限制通缝开裂，对比两类墙体可知，这类无咬砌或咬砌较少的墙体均已形成竖向通缝，失去继续承载的能力；加入格栅，使墙体约束了砌块件的滑移，增强了石墙体的整体性，提高了墙体极限承载力。