甘肅武都典型夯土民房承重墻體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究①

徐舜華，王蘭民，王 強(qiáng)，袁中夏

（1.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所蘭州創(chuàng)新基地，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

我國(guó)是遭受地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，地震破壞大多數(shù)發(fā)生在農(nóng)村地區(qū)，地震造成的死亡人員近60%為農(nóng)村人口［1］。目前我國(guó)約有6.5億農(nóng)村人口居住在地震烈度Ⅵ度的地震危險(xiǎn)區(qū)［2］。由于農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，防災(zāi)意識(shí)不強(qiáng)，還存在大量抗震性能較差的生土類房屋。據(jù)調(diào)查，在2008年汶川8.0級(jí)地震中生土建筑農(nóng)房多達(dá)80%倒塌或成為危房，是造成農(nóng)村地區(qū)人員重大傷亡的直接原因［3］。

夯土墻體承重房屋是生土類民房的一個(gè)重要類型，其在西北地區(qū)，尤其甘肅省農(nóng)村地區(qū)占有較大比例，并在將來(lái)一段時(shí)間仍然會(huì)大量存在。這些抗震性能差的農(nóng)房的存在給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的安全隱患［4－5］。甘肅省武都農(nóng)村地區(qū)廣泛使用夯土墻體承重房屋，是甘肅省夯土民房的典型代表地區(qū)。在汶川8.0級(jí)地震中，這類生土房屋損害嚴(yán)重，也造成了相當(dāng)數(shù)量人員的傷亡。

夯土民房墻體的抗震性能的試驗(yàn)研究相對(duì)土坯墻體民房要少。王毅紅等［6］、譚冠平［7］、李德榮等［8］曾對(duì)西安、昆明和蘭州的夯土墻體進(jìn)行過(guò)抗震強(qiáng)度試驗(yàn)研究，提出了相應(yīng)地區(qū)的夯土墻體抗震性能評(píng)價(jià)。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)可知，由于各地區(qū)使用的夯土土料不盡相同，夯土墻體強(qiáng)度存在較大的差異性。本文在汶川8.0級(jí)地震的影響背景下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)甘肅省隴南強(qiáng)震區(qū)廣泛使用的夯土民房墻體進(jìn)行抗震性能研究，提出抗震能力評(píng)價(jià)和加固建議，以有效地提高其抗震強(qiáng)度，減少災(zāi)害損失。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

夯土墻體強(qiáng)度試驗(yàn)使用土料均來(lái)自武都地區(qū)，為當(dāng)?shù)爻Ｓ煤煌镣亮希煌林形刺砑尤魏螕胶狭?，完全按照?dāng)?shù)厥┕すに嚭恢w。參考當(dāng)?shù)睾煌翂w的典型尺寸，試驗(yàn)夯土墻體尺寸設(shè)計(jì)為1 600mm×900mm×300mm，按同樣的施工方法，同時(shí)夯筑2片墻體試件進(jìn)行比較試驗(yàn)。墻體夯筑完成后放置半年，充分晾干后才進(jìn)行試驗(yàn)。晾干后夯土墻體參數(shù)平均值見表1。

表1 夯土墻土工試驗(yàn)結(jié)果

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device.

待墻體晾干后，吊裝在圖1所示裝置上，再利用千斤頂給墻體頂部施加一定大小的力（參考當(dāng)?shù)匚蓓斨亓浚νㄟ^(guò)一塊鋼板施加到墻體頂部，用來(lái)模擬屋頂?shù)闹亓俊Ｈ缓髮?duì)夯土墻體模型施加水平低周水平往復(fù)荷載，進(jìn)行偽靜力試驗(yàn)，模擬墻體在實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)下抵抗水平往復(fù)荷載作用的能力，同時(shí)利用墻體兩側(cè)安裝的位移傳感器測(cè)量墻體變形，圖2為加載示意圖。加載方式為力與位移混合控制，力控制為每級(jí)加載增量為4kN，每級(jí)低周往復(fù)實(shí)現(xiàn)3個(gè)循環(huán)，直至破壞。1號(hào)墻體上覆壓力為10 kN，2號(hào)為18kN。

圖2 夯土墻體試驗(yàn)加載示意圖Fig.2 Loading test sketch of rammed earth wall.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 墻體破壞過(guò)程與破壞形態(tài)

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩片墻體試件從開始加載水平荷載直到破壞，均經(jīng)歷了彈性、彈塑性和大變形破壞三個(gè)階段，都表現(xiàn)出了剪切破壞的形態(tài)特征，見圖3、圖4。圖中A、B表示墻體一側(cè)，數(shù)字代表裂縫出現(xiàn)順序。

圖3 1號(hào)夯土墻體破裂形態(tài)Fig.3 No.1rammed earth wall fracture morphology.

圖4 2號(hào)夯土墻體破裂形態(tài)Fig.4 No.2rammed earth wall fracture morphology.

從墻體試件破壞過(guò)程可以看出，前期夯土墻體主要是局部出現(xiàn)水平裂縫和少量斜裂縫，隨后，在往復(fù)荷載的作用下，在前期裂縫的基礎(chǔ)上裂縫不斷加寬、延伸，并且墻體沿裂縫開始出現(xiàn)微小滑移，最后階段前期裂縫沿水平和傾斜兩個(gè)方向貫通整個(gè)墻體，并且伴隨有新的與水平交叉的斜裂縫出現(xiàn)，當(dāng)貫穿整個(gè)墻體時(shí)，墻體即達(dá)到極限狀態(tài)，最終墻體碎裂成幾個(gè)較大的塊體，失去承載力。

兩片墻體破壞過(guò)程非常相似，裂縫發(fā)展規(guī)模卻不盡相同。2號(hào)墻體前期出現(xiàn)的水平裂縫長(zhǎng)度較短，并在往復(fù)荷載的作用過(guò)程中，裂縫加寬、延伸的長(zhǎng)度也較1號(hào)墻體為短，發(fā)展速度更慢，這從裂縫出現(xiàn)的序號(hào)當(dāng)中可以看出來(lái)。主要原因是施加在2號(hào)墻體的上覆荷載較1號(hào)墻體為大所致。

夯土墻體A面與B面裂縫的發(fā)生與發(fā)展基本是對(duì)稱的，這說(shuō)明沿墻體厚度方向夯筑比較均勻，這對(duì)研究墻體的整體抗震性能是有利的。

2.2 墻體水平承載力

夯土墻體試件在水平荷載作用下開裂荷載和極限荷載見表2。從表中可以看出，因施加的豎向荷載不同，兩面墻體試件的開裂荷載與極限荷載隨著上覆荷載的增加得到了很大的提升。隨著豎向荷載從10kN增加到18kN，2號(hào)墻體的開裂荷載和極限荷載分別增長(zhǎng)了217%和359%。

2.3 墻體變形能力

從1號(hào)墻體的骨架線（圖5（a））可以看出，在水平加載的正反兩個(gè)方向位移呈現(xiàn)不對(duì)稱分布，在第一次位移平臺(tái)后，在反向荷載達(dá)到10kN以上時(shí)（正向荷載大于4kN），位移開始出現(xiàn)急劇增長(zhǎng)，墻體破壞后位移出現(xiàn)小幅回彈。

表2 墻體試件在水平荷載作用下開裂荷載和極限荷載

從2號(hào)墻體骨架線（圖5（b））可以看出，由于上覆荷載的增加，大致消除了墻體位移變形不對(duì)稱的狀況，第一次位移平臺(tái)出現(xiàn)以后，在正向荷載大于31.97kN時(shí)，位移出現(xiàn)急劇增長(zhǎng)，并在墻體最終破壞時(shí)，未出現(xiàn)位移反彈現(xiàn)象，說(shuō)明墻體完全貫通破壞。

從最終墻體破壞以后變形（表2）來(lái)看，在水平往復(fù)荷載的作用下，夯土墻體破壞時(shí)出現(xiàn)了較大的變形，其中2號(hào)墻體的極限頂點(diǎn)位移較1號(hào)墻體減小了30%，體現(xiàn)了豎向荷載的影響。

圖5 墻體骨架曲線Fig.5 Skeleton curves of rammed earth walls.

2.4 滯回曲線分析

從夯土墻體滯回曲線可以看出，由于破壞形態(tài)大致相同，2片墻體荷載－位移滯回曲線具有一些相同的特點(diǎn)。當(dāng)水平荷載小于初裂荷載時(shí)，荷載－位移滯回曲線一個(gè)加載循環(huán)所形成的滯回環(huán)面積較小，說(shuō)明墻體表現(xiàn)出明顯的彈性變形特性，此時(shí)墻體處于彈性階段；當(dāng)施加荷載達(dá)到初裂荷載后，墻體出現(xiàn)第一條斜裂縫，墻體進(jìn)入彈塑性工作階段，滯回曲線形成滯回環(huán)，面積逐步增大；隨著荷載的增加，新的斜裂縫不斷出現(xiàn)，原有裂縫不斷加寬、延伸，并伴隨有新裂縫出現(xiàn)，墻體剛度逐漸退化，水平荷載產(chǎn)生的主拉應(yīng)力形成斜裂縫。

在墻體變形后期，墻體達(dá)到開裂荷載后，由滯回曲線上每級(jí)位移的兩次循環(huán)可以看出，后次循環(huán)的峰值均略小于前次循環(huán)，表現(xiàn)出墻體強(qiáng)度和剛度均略有退化。施工薄弱部位的水平裂縫發(fā)展并逐漸貫通，水平抗力則主要由水平裂縫處的剪摩阻力提供。由于墻體裂縫張合明顯，滯回環(huán)面積逐漸增大，直至不能形成閉合，最后墻體貫通、破壞。

從圖6（a）可以看出，1號(hào)夯土墻體達(dá)到其開裂荷載10kN后，滯回環(huán)面積開始逐漸擴(kuò)大，當(dāng)荷載達(dá)到15kN峰值以后，再繼續(xù)施加的水平往復(fù)荷載逐漸下降，同時(shí)滯回環(huán)面積繼續(xù)擴(kuò)大，位移不斷增加，荷載卻開始下降。

圖6 墻體滯回曲線Fig.6 Hysteretic curves of rammed earth walls.

從圖6（b）可以看出，2號(hào)夯土墻體達(dá)到其開裂荷載31.97kN后，滯回環(huán)面積開始逐漸擴(kuò)大，當(dāng)荷載達(dá)到68.95kN峰值以后，再繼續(xù)施加的水平往復(fù)荷載逐漸下降，同時(shí)滯回環(huán)面積繼續(xù)擴(kuò)大，位移不斷增加，荷載卻開始下降。

除了極限位移變形和水平開裂、破壞荷載不同外，1號(hào)墻體水平承載力具有明顯的不對(duì)稱性，而2號(hào)墻體在水平正反兩個(gè)方向的承載力則大致相同，可能為上覆壓力增加減小了這種不對(duì)稱性。

3 影響夯土墻體抗震性能因素分析與加固建議

3.1 抗震性能分析

影響夯土墻體強(qiáng)度的因素有很多，主要有材料、上覆壓力、施工質(zhì)量等幾個(gè)方面。

（1）夯土墻材料的影響

夯土墻體材料直接影響墻體的承載能力。墻體材料的強(qiáng)度越高，墻體的承載力越大。作為甘肅省典型夯土民房的代表，武都農(nóng)村地區(qū)的土料具有其區(qū)域特色，見表3。并且，在夯筑墻體過(guò)程中不加入任何摻合料，完全是素土墻體，含水量則隨著時(shí)間的延長(zhǎng)降低到1%以下。本次試驗(yàn)中，因涼干時(shí)間較正常民房層墻體短很多（當(dāng)?shù)睾煌练课萁?jīng)過(guò)幾十年甚至上百年的風(fēng)干），含水量未能降低到1%以下，可能對(duì)墻體強(qiáng)度有一定影響。

表3 武都夯土房屋土料顆粒含量

（2）上覆壓力的影響

從2個(gè)墻體試件的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，上覆壓力對(duì)墻體抗剪承載力有較大影響，在一定范圍內(nèi)，墻體豎向壓應(yīng)力越大，抗剪承載力越高。本次試驗(yàn)由于豎向壓力大的2號(hào)墻體試件水平抗剪強(qiáng)度明顯高于1號(hào)墻體試件。

（3）夯土墻體薄弱接縫位置

從墻體破壞形態(tài)來(lái)看，施工方法及施工質(zhì)量對(duì)夯土墻體水平抗剪強(qiáng)度有非常顯著的影響。夯土層間接縫處及同一水平面上兩板垂向接縫處是夯土墻施工的薄弱環(huán)節(jié)，墻體試件最終破壞都是由于墻體兩板接縫處開裂、貫通造成的，最終整個(gè)墻體碎裂成塊狀。層間接縫處形態(tài)可見圖7，夯土墻體在汶川地震中的破壞形態(tài)見圖8。

夯土墻體抗剪強(qiáng)度實(shí)質(zhì)是土的抗剪強(qiáng)度問(wèn)題，可用土體抗剪強(qiáng)度庫(kù)倫－摩爾準(zhǔn)則表示：

斜面上的抗剪強(qiáng)度可簡(jiǎn)化為

式中［τ］為墻體水平截面的抗剪強(qiáng)度；c為粘聚力；σY為截面處所受的正壓應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角。

在忽略夯土墻體試件薄弱接縫的條件下，利用公式（2）計(jì)算可得墻體抗剪強(qiáng)度，與試驗(yàn)所得抗剪強(qiáng)度的比較見表4。計(jì)算中，c與φ值取自表1。

圖7 夯土墻體層間接觸形態(tài)Fig.7 Interlayer contacts of rammed earth wall.

圖8 汶川地震中武都夯土墻體碎裂倒塌Fig.8 Rammed earth wall collapsed fragmentation in Wudu during Wenchuan earthquake.

表4 夯土墻體抗剪強(qiáng)度比較

從表4中可以看出，開裂強(qiáng)度與極限強(qiáng)度總體上較忽略夯土墻體試件薄弱接縫的條件下計(jì)算所得墻體抗剪強(qiáng)度為小，說(shuō)明在施工過(guò)程中產(chǎn)生的夯土層間接縫是夯土墻體的應(yīng)力薄弱部位，是最容易發(fā)生破壞的位置。兩個(gè)墻體試件抗剪強(qiáng)度的理論計(jì)算值幾乎相同，是因?yàn)樵诤雎院煌翂w薄弱接縫的條件下，其抗剪強(qiáng)度理論上與夯土塊體相同，在達(dá)到一定強(qiáng)度后夯土墻體受上覆荷載的影響在減小。試驗(yàn)中，2號(hào)墻體試件的極限強(qiáng)度超出了計(jì)算值，可能的原因是設(shè)計(jì)的上覆壓力值過(guò)大，導(dǎo)致墻體壓密所致。

3.2 加固建議

經(jīng)過(guò)2008年汶川8.0級(jí)地震的浩劫，甘肅省隴南地區(qū)在政府重建資金的幫助下，大量遭到破壞的夯土民房得到了修繕或者重建為現(xiàn)澆磚房。在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，大量建造新的夯土民房機(jī)會(huì)較小。著眼于現(xiàn)存夯土民房的加固而不是通過(guò)改造施工工藝建房是比較務(wù)實(shí)的做法；同時(shí)還要考慮加固夯土民房的經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)此加固改造思路，夯土材料不可改造，而該地區(qū)屋頂重量（上覆壓力）基本是一定的，通過(guò)增加構(gòu)造柱則會(huì)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。這樣，加固的唯一途徑，就是通過(guò)加固夯土墻體的薄弱接縫處來(lái)增強(qiáng)墻體的水平承載力。

基于以上分析，本文建議利用具有一定強(qiáng)度的鐵絲網(wǎng)（對(duì)于經(jīng)濟(jì)條件較好的家庭可使用熱鍍鋅鋼絲網(wǎng)，以加強(qiáng)網(wǎng)罩的耐腐蝕性）來(lái)雙面加固夯土墻體，鐵絲網(wǎng)價(jià)格便宜，市場(chǎng)上有各式各樣的成品。主要做法是，清除原有墻體表面抹泥，把鐵絲網(wǎng)緊緊貼于墻面，在均勻分布的點(diǎn)上用鐵釘（或者采用φ4低碳冷技鋼筋變成90°角）把鐵絲網(wǎng)固定到墻面上，鐵釘打入土墻深度不小于10cm，間距可采用80cm，呈梅花狀布置，表面用草泥進(jìn)行抹面處理。這樣做的主要用意是利用鐵絲網(wǎng)把整個(gè)夯土墻體“捆”成一個(gè)整體，把墻體的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為鐵絲網(wǎng)＋墻體的強(qiáng)度，除了有效增加夯土墻體強(qiáng)度外，這樣做還有一個(gè)好處，在墻體碎裂時(shí)可以保證墻體不倒塌，能夠有效保護(hù)人員生命安全。需要注意的是，鐵釘不能太短，太短就不能把鐵絲網(wǎng)的強(qiáng)度施加到墻體上，鐵釘也不宜過(guò)長(zhǎng)、過(guò)密，可能會(huì)破壞墻體的自身強(qiáng)度。

4 結(jié)論

（1）承重夯土墻在低周水平反復(fù)荷載作用下發(fā)生剪切破壞，破壞由水平剪力在墻體夯土層間水平和垂向接縫處形成的水平裂縫和斜裂縫控制，隨著裂縫的加寬、加長(zhǎng)，斜裂縫與水平裂縫相交、貫通，墻體就達(dá)到了剪切破壞的極限狀態(tài)，最終碎裂成塊體，失去承載力，這是造成人員傷亡的最主要原因。

依據(jù)夯土墻體破壞接觸面的分析，以及通過(guò)夯土墻體抗剪強(qiáng)度計(jì)算比較，也可以得到夯土墻體應(yīng)力薄弱部位為夯土層間接觸縫的結(jié)論?？梢哉f(shuō)，施工工藝（或者夯筑結(jié)構(gòu)）決定了夯土墻體的破壞方式與破壞狀態(tài)。

（2）夯土墻體變形能力受豎向荷載影響較大。隨著上覆壓力的增加，墻體極限變形量在減小，增加了墻體的彈性。

（3）夯土墻體抗剪強(qiáng)度受豎向荷載影響較大。隨著上覆壓力的增加，墻體的開裂荷載、極限荷載得到了較大幅度的增長(zhǎng)，有利于提高墻體抗震能力。

（4）夯土墻體的不對(duì)稱性會(huì)大大降低墻體的抗剪強(qiáng)度。

（5）使用具有一定強(qiáng)度的鐵絲網(wǎng)來(lái)加固現(xiàn)存夯土民房承重墻體，是一種針對(duì)夯土墻體薄弱部位的加固改造方法，對(duì)于經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū)來(lái)講，也是一種方便、經(jīng)濟(jì)、有效的加固方法。

［1］王蘭民，林學(xué)文.農(nóng)村民房抗震理論與技術(shù)［M］.蘭州：甘肅科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

［2］中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB18306－2001）［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［3］任祥道.透過(guò)“5.12”汶川地震思考農(nóng)房抗震［J］.四川建筑，2008，28（4）：6－7.

［4］石玉成，王蘭民，林學(xué)文.黃土生土建筑震害預(yù)測(cè)研究［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2004，26（3）：206－211.

［5］王峻.黃土地區(qū)農(nóng)村民房生土建筑土墻體材料抗震性能的試驗(yàn)研究［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2005，27（2）：158－162.

［6］王毅紅，蘇東君，劉伯權(quán)，等.生土結(jié)構(gòu)房屋的承重夯土墻體抗震性能試驗(yàn)研究［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39（4）：451－456.

［7］譚冠平.云南農(nóng)村民居典型土筑墻基本力學(xué)試驗(yàn)研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2007.

［8］李德榮，黎海南，陳丙午.甘肅農(nóng)村土墻承重平房抗震性能的試驗(yàn)研究［J］.工程抗震，1987，（3）：14－19.