內(nèi)置草繩增強承重夯土墻體抗震性能試驗研究1

虞廬松 宋書豪 李子奇 王 力 李健寧

1）蘭州交通大學(xué), 土木工程學(xué)院, 蘭州 730070

2）蘭州交通大學(xué), 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室, 蘭州 730070

引言

夯土建筑是指用生土作為建筑材料，利用模板將其層層夯實而成的建筑，是人類智慧的結(jié)晶。從古代至上世紀(jì)中葉，夯土建筑因其取材方便、施工簡單、造價低廉、保溫隔熱性能優(yōu)越等諸多優(yōu)點在世界范圍內(nèi)被廣泛使用（盧家成等，2020）。然而，伴隨鋼材、混凝土等新型建筑材料的出現(xiàn)，夯土建筑逐漸淡出城鎮(zhèn)，僅少量存在于偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村（周鐵鋼等，2013；王毅紅等，2015）。隨著環(huán)境污染問題的日益加劇，我國在2021 年發(fā)表了《國務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》。意見強調(diào)，使發(fā)展建立在高效利用資源、嚴(yán)格保護(hù)生態(tài)環(huán)境、有效控制溫室氣體排放的基礎(chǔ)上。夯土建筑的推廣使用，可有效減少房屋建筑對生態(tài)環(huán)境的污染破壞，有利于推動綠色發(fā)展，實現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”。

盡管夯土建筑優(yōu)點頗多，但由于土體本身的抗拉強度較低，夯土建筑的抗震性能在側(cè)向阻力、位移能力、能量耗散和延性性能方面都較差（王毅紅等，2015；Arslan 等，2017；Karanikoloudis 等，2018），并且我國生土資源豐富，各地生土材料的力學(xué)性能參數(shù)難以制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)夯土房屋的設(shè)計建造主要依靠個人經(jīng)驗，在承受地震作用時有可能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致人員傷亡和財產(chǎn)損失（王蘭民等，2011；李志華等，2016）。因此，提高夯土建筑的抗震性能是其推廣和發(fā)展過程中急需解決的問題。

近年來，眾多學(xué)者對生土材料開展了研究，且主要集中在材料、結(jié)構(gòu)2 個層面。國內(nèi)學(xué)者劉蕾等（2021）、藺廣涵等（2018）、法國等（2019）以及國外學(xué)者Prabakar 等（2002）、Jové-Sandoval 等（2018）通過單摻和復(fù)摻的方式對夯土材料進(jìn)行物理改性和化學(xué)改性，來提高土體抗剪、抗壓強度，以此增強夯土建筑的抗震性能；張又超等（2015）、徐舜華等（2011）、Miccoli 等（2017）、王赟等（2021）、張琰鑫等（2012）通過在夯土墻表面布置鋼絲網(wǎng)、竹條、聚酯織物條、構(gòu)造柱等，以此在結(jié)構(gòu)層面對墻體進(jìn)行加固，增強其抗震性能。根據(jù)已有研究（劉強等，2018）及JGJ 161-2008《鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）村建筑抗震技術(shù)規(guī)程》（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2008）可知，在承受地震作用時，多數(shù)墻體由于底部和中部夯筑分層處的水平貫通裂縫而呈現(xiàn)脆性破壞。

綜上所述，基于綠色發(fā)展理念，為解決夯筑分層處易破壞的問題，提高夯土房屋的抗震性能，本文提出一種內(nèi)置草繩增強的新式夯土墻，并對其抗震性能進(jìn)行試驗研究，以期為夯土房屋的抗震設(shè)計及應(yīng)用推廣提供參考依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試驗以甘肅農(nóng)村常見夯土墻為研究對象，墻面原型尺寸為4 800 mm×3 400 mm×600 mm，采用1∶3 縮尺比例制作夯土墻試件。以草繩含量及埋置高度為參數(shù)，共制作4 片夯土墻試件，編號分別為W1～W4，其中草繩高度分別設(shè)置于墻體各夯筑分層處上方。試件具體方案如表1 所示，以W4 試件為例，墻體外形及尺寸如圖1 所示。

圖1 W4 試件尺寸（單位：毫米）Fig.1 W4 specimen size（Unit：mm）

表1 試件方案設(shè)計表Table 1 Sample scheme design table

1.2 試件制作

采用鋼筋混凝土底梁作為試驗?zāi)Ｐ突A(chǔ)形式，為防止試驗過程中墻底與基礎(chǔ)頂面發(fā)生滑移，故在基礎(chǔ)中間開槽。槽口長、寬、高分別與墻體尺寸一致。在凹槽中預(yù)留兩排直徑為12 mm，深度為100 mm 的孔洞，夯筑前采用環(huán)氧樹脂將草繩錨固于此孔洞中。墻體試件根據(jù)《村鎮(zhèn)生土結(jié)構(gòu)建筑抗震技術(shù)手冊》（陳忠范等，2012）夯筑而成，如圖2 所示。

圖2 夯土墻試件Fig.2 Rammed soil wall specimens

1.3 加載方案

為模擬實際房屋中豎向荷載作用，采用分配梁以及對拉螺紋鋼筋對墻體施加豎向荷載。原型墻體頂部所承受豎向荷載為505.98 kN，根據(jù)縮尺比例關(guān)系對各試件施加豎向荷載56 kN，等效壓力為0.15 MPa。

加載制度參考JGJ/T 101-2015《建筑抗震試驗規(guī)程》（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2015）。水平加載采用等幅位移控制，每級相差1 mm，往復(fù)循環(huán)3 次，加載速率0.1 mm/s，直至試件有倒塌趨勢或者承載力下降至85%以下，試驗結(jié)束。試驗裝置及加載示意圖如圖3 所示。

圖3 試驗裝置及加載制度Fig.3 Test device and loading diagram

2 試驗過程及現(xiàn)象

圖4 給出了各試件的最終破壞形態(tài)。W1 試件位移加載至3 mm 之前，墻體以局部不規(guī)則干縮裂縫為主；加載至3.5 mm，墻體底部第一夯筑分層處右側(cè)出現(xiàn)長約150 mm、寬2 mm 的水平裂縫；加載至5 mm，墻體中部第二夯筑分層處右側(cè)出現(xiàn)長約100 mm、寬2 mm 的水平裂縫，并與初期不規(guī)則裂縫相交，形成細(xì)小的交叉裂縫，墻體底部左右兩側(cè)水平裂縫延伸，變寬，有貫通趨勢，此時墻體出現(xiàn)一條較長的斜裂縫；加載至9 mm，斜裂縫并未繼續(xù)發(fā)展，而墻體底部水平裂縫已貫通，最大寬度達(dá)到20 mm，最終墻體在底部水平裂縫處出現(xiàn)滑移并伴有被抬起現(xiàn)象，加載結(jié)束。

圖4 各試件破壞圖Fig.4 Failure diagram of each specimen

W2 試件加載至5 mm 前試驗現(xiàn)象與W1 類似，墻體以局部不規(guī)則裂縫和底部第一夯筑分層處水平裂縫為主；加載至5 mm，墻體底部水平裂縫長度延伸至800 mm 左右，但寬度未變，此時墻體中有草繩受力繃緊的聲音，在中部第二夯筑分層（內(nèi)置草繩的上方）左右兩側(cè)各出現(xiàn)長200 mm、寬2 mm 的水平裂縫；加載至10 mm，底部水平裂縫逐漸貫通，但受草繩的拉結(jié)作用，墻體并未產(chǎn)生滑移；加載至12 mm，中部水平裂縫貫通，部分墻皮脫落，且沿中部出現(xiàn)了滑移，加載結(jié)束。

W3 和W4 試件試驗現(xiàn)象基本一致，位移加載至10 mm 之前，墻體裂縫與W2 類似，均在底部第一夯筑分層處和中部第二夯筑分層處出現(xiàn)水平裂縫；加載至10 mm，底部水平裂縫貫通的同時伴隨墻皮脫落，隨著位移增加，在草繩的拉結(jié)作用下，墻體出現(xiàn)自下而上的斜裂縫；加載至15 mm 時，墻體在水平裂縫和斜裂縫共同作用下被分割為若干大塊，破壞裂縫呈“V”字形，加載結(jié)束。破壞時墻體內(nèi)部草繩斷裂，如圖4（e）、圖4（f）所示。對比各試件破壞圖分析可知：

（1）墻體夯筑分層處水平貫通裂縫是其脆性破壞的主要原因，水平裂縫產(chǎn)生的主要原因是墻體底端彎矩作用而產(chǎn)生的上拔力，上拔力使墻體在其較為脆弱的夯筑分層處出現(xiàn)水平裂縫，導(dǎo)致墻體被水平裂縫分割為上下2 塊，造成破壞。

（2）內(nèi)置草繩后，墻體夯筑分層處得到有效拉結(jié)，使墻體整體性得到提高，避免了水平裂縫的擴大延伸，進(jìn)而墻體由水平裂縫破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟行绷芽p破壞。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 滯回性能

4 個試件的滯回曲線如圖5 所示。曲線正值為推，負(fù)值為拉。試件加載初期，各墻體荷載和位移近似呈線性關(guān)系，曲線圍成面積較?。贿_(dá)到峰值荷載時，滯環(huán)面積逐漸增大，表明墻體此時耗能較為顯著；峰值荷載后，相同位移往復(fù)3 次加載中，最大水平力依次降低，承載力呈退化趨勢。對比圖5 可知：

圖5 各試件滯回曲線Fig.5 Hysteresis curves of each specimen

（1）相較于W1 試件，內(nèi)置草繩的試件（W2～W4）滯回曲線更為飽滿，滯回環(huán)捏攏現(xiàn)象逐漸減弱。

（2）各內(nèi)置草繩試件滯回曲線的飽滿程度與草繩高度呈正相關(guān)性，且捏攏現(xiàn)象隨著草繩高度增加得到明顯改善。這是由于在加載過程中，草繩與墻體共同參與受力，從而增大夯筑分層處的粘結(jié)力，延緩其水平裂縫的延伸擴展，進(jìn)而使其滯回環(huán)更加飽滿。

3.2 骨架曲線

采用基于能量等效的理想彈塑性（EEEP）方法（ASTM，2007）定義結(jié)構(gòu)的屈服荷載、屈服位移、延性系數(shù)。水平力達(dá)到最大值時為峰值點，水平力下降至峰值的85%時為極限荷載，若試件破壞時未達(dá)到極限荷載，則取最后一次加載的最大值為極限荷載。

表2 為各墻體試件特征點處力學(xué)參數(shù)，骨架曲線如圖6 所示。結(jié)合圖6 和表2 可知：

圖6 各試件骨架曲線圖Fig.6 Skeleton curves of specimens

表2 各試件特征點處力學(xué)性能參數(shù)Table 2 Mechanical property parameters at characteristic points of each specimen

（1）內(nèi)置草繩的墻體試件（W2～W4）相較于無草繩的W1 試件承載能力、變形能力均有提升，其中W4 試件提升最大，其峰值荷載、極限荷載分別提升了108%和109.2%，峰值位移、極限位移分別提升了21.9%和35.6%；延性系數(shù)提高了1.45 倍。這表明內(nèi)置草繩增加了墻體的整體性，從而使其承載能力和變形能力得到了更好地發(fā)揮。

（2）內(nèi)置草繩的墻體試件承載能力、變形能力均表現(xiàn)為W4＞W(wǎng)3＞W(wǎng)2，其中W4 試件相較于W2 試件的峰值荷載、極限荷載分別提升了18.8%和56%，極限位移提升了16.1%，延性系數(shù)提升了15.3%。說明墻體承載能力和變形能力與草繩的高度呈正相關(guān)，這是因為隨著草繩高度的增加，在各夯筑分層處均有草繩穿過，解決了夯筑分層處黏結(jié)較弱的問題，墻體整體性得到大幅提高，因此墻體的峰值荷載和極限位移得到提升。

（3）W2 試件水平承載力和變形能力相較于W3、W4 試件提升較小，原因是草繩高度僅為1/4 墻高，無法對墻體中部第二夯筑分層處產(chǎn)生約束作用，導(dǎo)致其水平裂縫貫通，承載力達(dá)到峰值荷載后下降較快。W3 和W4 試件峰值荷載、極限荷載及對應(yīng)位移大小較為接近，在實際應(yīng)用中，建議內(nèi)置草繩高度大于1/2墻高。

3.3 耗能能力

墻體耗能能力通常使用加載過程中的等效黏滯阻尼系數(shù)來衡量。墻體的黏滯阻尼系數(shù)取決于其自身的開裂、破壞模式。通常把墻體出現(xiàn)第1 條裂縫時的阻尼系數(shù)定為開裂阻尼系數(shù)。各試驗墻體特征點處等效黏滯阻尼系數(shù)如表3 所示。

表3 特征點處等效黏滯阻尼系數(shù)Table 3 Equivalent viscous damping coefficient at characteristic points

由表3 可知：

（1）整個加載過程中，各試件等效黏滯阻尼系數(shù)逐漸增大；W1 試件從開裂至破壞時的阻尼系數(shù)差值最小，這是由于墻體裂縫出現(xiàn)以后貫通較為迅速且裂縫間的摩擦力較小，墻體耗能能力尚未得到充分發(fā)揮。

（2）墻體從開裂到破壞，各內(nèi)置草繩墻體試件（W2～W4）等效黏滯阻尼系數(shù)均高于無草繩的W1 試件，表明從墻體開裂至破壞的全過程中草繩均發(fā)揮了拉結(jié)作用，約束了墻體的變形，增大了各裂縫間的摩擦耗能作用，從而提高了墻體的耗能能力。

3.4 剛度退化

為反映試件在反復(fù)荷載作用下的剛度，以割線剛度來表示其有效剛度（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2015），為減少加載過程中其他因素的影響，以各階段第1 次循環(huán)的割線剛度為基準(zhǔn)。各試件的剛度退化曲線如圖7 所示。

圖7 各試件剛度退化曲線Fig.7 Stiffness degradation curves of specimens

由圖7 可知：

（1）各內(nèi)置草繩的試件（W2～W4）初始剛度接近（差值在0.5 以內(nèi)）且均大于無草繩的W1 試件，表明內(nèi)置草繩可拉結(jié)墻體，提升墻體整體剛度，但草繩高度的變化對墻體初始剛度影響不大。

（2）位移加載至4～10 mm 時，W3、W4 試件剛度接近，且大于W2 試件，說明草繩高度超過1/2 墻高時，能更加有效延緩墻體的剛度退化，這是因為隨著草繩高度的增加，墻體各夯筑分層處均能得到有效拉結(jié)。

4 結(jié)論

本文主要以草繩含量和草繩埋置深度為參數(shù)，對4 片采用分層夯筑的夯土墻體縮尺模型進(jìn)行了擬靜力試驗，得到了不同參數(shù)下墻體的破壞形態(tài)、承載能力、滯回性能等參數(shù)。通過對數(shù)據(jù)的分析比較，得到了內(nèi)置草繩夯土墻體在抗震性能方面的卓越性。主要結(jié)論如下：

（1）相較于無草繩夯土墻，含草繩的墻體中，草繩可提升夯層薄弱處的黏結(jié)作用，提高了墻體的整體性，有效避免了墻體夯筑分層處的破壞。實際應(yīng)用中，建議內(nèi)置草繩高度大于1/2 墻高。

（2）內(nèi)置草繩可提高分層夯筑墻體的承載能力和變形能力，且提升率與草繩高度呈正相關(guān)，相較于無草繩的墻體試件，其承載能力、變形能力分別提升75.2%～108.3%和16.8%～35.6%。

（3）對于采用分層夯筑的墻體，內(nèi)置草繩可使其耗能曲線更為飽滿，大幅提高墻體耗能能力；達(dá)到破壞荷載時，其等效黏滯阻尼系數(shù)范圍為0.16～0.23。

（4）內(nèi)置草繩可使分層夯筑墻體的初始剛度最大提升40%，且加載過程中其剛度始終高于無草繩的墻體。