用于配筋砌塊擋土墻的開(kāi)槽砌塊灌孔砌體力學(xué)性能試驗(yàn)研究

許仲遠(yuǎn)， 黃 靚， 劉桂秋， 施楚賢

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410082)

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用于配筋砌塊擋土墻的開(kāi)槽砌塊灌孔砌體力學(xué)性能試驗(yàn)研究

許仲遠(yuǎn)， 黃 靚， 劉桂秋， 施楚賢

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410082)

擋土墻建設(shè)是高速公路建設(shè)中的重要組成部分，采用新型的配筋砌塊擋土墻將節(jié)省我國(guó)公路建設(shè)所消耗的各項(xiàng)人力、物力資源，并加快施工速度，節(jié)省公路施工成本。針對(duì)配筋砌塊擋土墻中廣泛使用的開(kāi)槽砌塊，通過(guò)9個(gè)抗壓試件、18個(gè)抗剪試件的靜力試驗(yàn)，了解開(kāi)槽砌塊灌孔砌體的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及破壞模式等力學(xué)性能，探討砌塊開(kāi)槽對(duì)灌孔砌體力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，與普通砌塊灌孔砌體相比，開(kāi)槽砌塊灌孔砌體的抗壓承載力與抗剪強(qiáng)度均有一定的提高，而抗剪強(qiáng)度的提高更明顯，其整體性更好，更適合在擋土墻中使用。

砌塊砌體； 灌孔砌體； 開(kāi)槽砌塊； 力學(xué)性能； 擋土墻

1 概述

擋土墻建設(shè)是公路建設(shè)中的重要組成部分，擋土墻的性能與質(zhì)量將會(huì)影響到公路的安全性與耐久性[1]。而目前我國(guó)公路工程建設(shè)中以傳統(tǒng)的重力式或衡重式毛石擋土墻為主。這類擋土墻主要靠墻身自重來(lái)保持穩(wěn)定，墻身斷面大、占地多，耗費(fèi)人力物力，不能充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，不能滿足抗震要求。且在現(xiàn)有的開(kāi)采技術(shù)與條件下，毛石的大量開(kāi)采對(duì)山體及植被造成了嚴(yán)重的破壞。并有大量事實(shí)證明，其開(kāi)采對(duì)場(chǎng)地人員及周邊居民的人身安全造成了極大的威脅，這不符合“兩型”公路對(duì)資源節(jié)約與環(huán)境友好的要求。

結(jié)合湖南地區(qū)實(shí)際情況，積極進(jìn)行新技術(shù)的研究與試驗(yàn)，改進(jìn)擋土墻形式及其施工方法，對(duì)建設(shè)“兩型”高速公路起著舉足輕重的作用。

配筋砌塊擋土墻是一種可用于公路建設(shè)的新型擋土墻，如圖1、圖2所示。這是一種采用配筋砌塊砌體形式的懸臂式擋墻，與重力式擋土墻相比，它占地面積小、安全性好，且易于運(yùn)輸與施工，是一種質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的擋土墻形式。而與現(xiàn)澆式懸臂類擋墻相比也有著顯著優(yōu)勢(shì)： ①節(jié)約鋼材，在保證力學(xué)性能的前提下，配筋砌體結(jié)構(gòu)的最小配筋率遠(yuǎn)小于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可節(jié)約30%～50%； ②節(jié)約模板，配筋砌塊砌體擋土墻的施工不需要模板； ③節(jié)約施工時(shí)間，其施工速度明顯快于現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[2]。

(a) 建設(shè)中(b) 建設(shè)后

圖2 配筋砌塊擋土墻Figure 2 Reinforced block retaining wall

配筋砌塊擋土墻因其受力情況更為復(fù)雜，對(duì)砌體的整體性要求更高，故在建造配筋砌塊擋土墻的過(guò)程中通常會(huì)在砌塊肋上開(kāi)槽，在砌塊之間形成橫向通孔，這樣便于布置水平鋼筋，同時(shí)有利于灌孔混凝土的橫向流動(dòng)，能夠保證灌孔的密實(shí)度與灌孔質(zhì)量，可進(jìn)一步提高配筋砌塊砌體擋土墻的整體性能。

國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者針對(duì)混凝土砌塊砌體的基本力學(xué)性能進(jìn)行了研究，國(guó)外自上世紀(jì)四十年代左右已開(kāi)始了對(duì)砌塊砌體的深入研究，取得了其基本力學(xué)性能的眾多研究成果[3][4]，國(guó)內(nèi)方面宋力、劉桂秋等也根據(jù)其所做的灌孔砌塊砌體試驗(yàn)，均提出了用于不同灌孔率、灌孔強(qiáng)度等多種情況下的灌孔砌體抗壓、抗剪性能計(jì)算方法[5,6]。

然而，對(duì)于配筋砌塊砌體擋土墻所廣泛采用的開(kāi)槽砌塊灌孔砌體，卻并沒(méi)有相關(guān)研究基礎(chǔ)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證配筋砌塊砌體的性能，開(kāi)槽砌塊灌孔砌體的力學(xué)性能有進(jìn)一步研究的價(jià)值。

本文通過(guò)3組9個(gè)抗壓試件、3組18個(gè)抗剪試件的靜力試驗(yàn)，了解開(kāi)槽砌塊灌孔砌體的基本力學(xué)性能及抗壓抗剪破壞模式，探討砌塊開(kāi)槽對(duì)配筋砌塊砌體擋土墻性能的影響，驗(yàn)證開(kāi)槽配筋砌塊砌體擋土墻的可靠性。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)用的開(kāi)槽砌塊的肋上有開(kāi)槽，詳細(xì)尺寸是： 390 mm×190 mm×190 mm，開(kāi)槽深度60 mm，如圖3所示。所用塊體的強(qiáng)度參照相關(guān)規(guī)范[9]的要求進(jìn)行測(cè)定，塊體的具體數(shù)值如表1中所述。試驗(yàn)中使用的各材料的強(qiáng)度測(cè)定采用相關(guān)規(guī)范內(nèi)的具體要求進(jìn)行，具體參數(shù)值見(jiàn)表1。

圖3 開(kāi)槽砌塊尺寸Figure 3 The size of slotted block

2.2 試件的設(shè)計(jì)與制作

試件的設(shè)計(jì)和制作均根據(jù)相關(guān)規(guī)范[7]內(nèi)的要求進(jìn)行，試驗(yàn)試件的具體尺寸見(jiàn)圖4、圖5。所有的試件均為全灌孔，灌孔砌體試件的詳細(xì)信息見(jiàn)表1，其中，KCA — 1～3、KCB — 1～3、KCC — 1～3為抗壓試件、KSA — 1～6、KSB — 1～6、KSC — 1～6為抗剪試件。試驗(yàn)所用加載裝置為10000 kN剛性壓力機(jī)，試驗(yàn)采用分級(jí)方法進(jìn)行荷載加載。

圖4 抗壓試件的詳細(xì)尺寸Figure 4 The size of compressive specimens

圖5 抗剪試件的詳細(xì)尺寸Figure 5 The size of shear specimens

表1 試件的具體詳細(xì)參數(shù)Table1 Strengthofthematerialsofspecimens試件編號(hào)砌塊種類塊體f1/MPa砂漿f2/MPa灌孔混凝土fcu,m/MPaKCA—1～3開(kāi)槽砌塊18.5811.4738.07KCB—1～3開(kāi)槽砌塊18.5811.4720.83KCC—1～3普通砌塊18.5811.4720.83KSA—1～6開(kāi)槽砌塊18.5811.4738.07KSB—1～6開(kāi)槽砌塊18.5811.4720.83KSC—1～6普通砌塊18.5811.4720.83

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗壓試驗(yàn)

3.1.1 試件破壞過(guò)程

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象以及試驗(yàn)結(jié)果，將開(kāi)槽砌體的整個(gè)受力到破壞的全程分解為3個(gè)破壞階段。

初裂階段：指從受壓試件開(kāi)始承壓到出現(xiàn)首條裂縫的過(guò)程，這一過(guò)程中將沿砌塊開(kāi)槽處出現(xiàn)第一批裂縫。此階段可認(rèn)為材料處于彈性階段。

裂縫發(fā)展階段：當(dāng)壓力繼續(xù)增大，裂縫將持續(xù)伸長(zhǎng)變寬，若壓力不再增加裂縫也會(huì)發(fā)展。此時(shí)砌體已臨近破壞，其壓力約為破壞荷載的60%～90%。

破壞階段：荷載已無(wú)法繼續(xù)增加，試件上的裂縫繼續(xù)變寬、變長(zhǎng)，并在試件最脆弱處迅速變寬并導(dǎo)致試件失穩(wěn)破壞，破壞時(shí)呈現(xiàn)出明顯的脆性特征，見(jiàn)圖6。此時(shí)砌體的強(qiáng)度稱為砌體的破壞強(qiáng)度。

(a)左側(cè)( b) 正面

(c) 右側(cè)(d) 背面

3.1.2 抗壓強(qiáng)度分析

從表2中數(shù)據(jù)可知: 開(kāi)槽砌塊灌孔砌體的開(kāi)裂荷載與極限荷載的比值較普通灌孔砌塊砌體的稍小，約為極限承載能力的50%，但其抗壓強(qiáng)度將會(huì)有一定的提高，且比規(guī)范值高9%～12%，說(shuō)明采用規(guī)范內(nèi)公式對(duì)開(kāi)槽灌孔砌塊砌體的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算是可行的。

表2 開(kāi)裂值fcr、試驗(yàn)值f0gm、規(guī)范值fgm及其比較Table2 Crackingvaluefc,testvaluef0vgm,standardvaluefvg,mandcomparison試件編號(hào)開(kāi)裂值fcr/MPa試驗(yàn)值f0gm/MPa規(guī)范值fgm/MPafcr/f0gmf0gm/fgmKCA—112.9628.6723.700.451.21KCA—213.2326.9123.700.491.14KCA—313.4924.0823.700.561.02平均值13.2326.5523.700.501.12變異系數(shù)0.09KCB—19.4818.5318.370.571.01KCB—211.0921.0418.370.581.15KCB—38.2620.7118.370.441.13平均值9.6120.0918.370.531.09變異系數(shù)0.07KCC—111.1219.2118.370.581.05KCC—211.2918.8318.370.601.03KCC—310.5016.3118.370.640.89平均值10.9718.1218.370.610.99變異系數(shù)————0.09

3.2 抗剪試驗(yàn)

3.2.1 試件破壞過(guò)程

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象可知，開(kāi)槽砌塊灌孔砌體有兩種破壞形態(tài)：?jiǎn)渭羝茐呐c雙剪破壞，如圖7所示，試驗(yàn)過(guò)程中灰縫砂漿與芯柱混凝土的破壞呈現(xiàn)出先后性，砌體受剪破壞并非瞬間發(fā)生，在豎向灰縫受力開(kāi)裂時(shí)，因芯柱混凝土并沒(méi)有到達(dá)抗剪承載力極限狀態(tài)，試件承載力仍在增加，呈現(xiàn)出一定的延性。砌體試件破壞時(shí)，除了上、下兩芯柱正截面受剪破壞外，

(a) 單剪破壞(b) 雙剪破壞

還會(huì)在開(kāi)裂灰縫和相應(yīng)一側(cè)的底部承壓面之間出現(xiàn)斜裂縫且其開(kāi)始位置大致處于砌塊開(kāi)槽處，這是與普通灌孔砌塊砌體不同的。

3.2.2 抗剪強(qiáng)度分析

表3 試驗(yàn)值f0vg,m規(guī)范值fvg,m及其比較Table3 Testvaluef0vg,m,standardvaluefvg,mandcomparison試件編號(hào)試驗(yàn)值f0vg,m/MPa規(guī)范值fvg,m/MPaf0vg,m/fvg,mKSA—13.411.692.02KSA—22.831.691.67KSA—32.771.691.64KSA—43.381.692.00KSA—53.251.691.92KSA—63.171.691.88均值3.141.691.86變異系數(shù)0.09KSB—11.751.361.29KSB—21.651.361.21KSB—32.111.361.55KSB—41.811.361.33KSB—52.231.361.64KSB—61.621.361.19均值1.861.361.37變異系數(shù)0.13KSC—11.151.360.85KSC—21.551.361.14KSC—31.831.361.35KSC—41.411.361.04KSC—51.671.361.23KSC—61.621.361.19均值1.541.361.13變異系數(shù)0.15

因開(kāi)槽砌塊灌孔砌體的抗剪強(qiáng)度比普通砌塊有明顯提升，這使得采用開(kāi)槽砌塊的配筋砌塊砌體的整體性更好，故更適合在配筋砌塊擋土墻中使用。

4 結(jié)論

本章根據(jù)9個(gè)抗壓試件與18個(gè)抗剪試件的靜力試驗(yàn)，深入研究了其破壞模式、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等基本力學(xué)性能，主要得到了如下研究成果：

① 砌塊開(kāi)槽會(huì)使灌孔砌體的抗壓開(kāi)裂荷載有所下降，但不會(huì)導(dǎo)致其提前破壞；

② 槽砌體的承載力較傳統(tǒng)砌體有一定程度的提高，相比規(guī)范可提高10%左右，適合應(yīng)用在配筋砌塊擋土墻中；

③ 開(kāi)槽砌塊灌孔砌體的受剪破壞過(guò)程中除常見(jiàn)的單剪破壞與雙剪破壞外，還會(huì)在試件上產(chǎn)生斜裂縫，這說(shuō)明砌塊開(kāi)槽將改變灌孔砌體的抗剪機(jī)理；

④ 開(kāi)槽砌塊灌孔砌體的抗剪強(qiáng)度較普通砌塊灌孔砌體可提高37%～86%，這主要是由于肋部開(kāi)槽后，不同匹的砌塊內(nèi)部的灌芯芯柱能夠協(xié)同工作一起承受剪力荷載。故其整體性更好，更適合在配筋砌塊擋土墻中使用。

[1] 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司. 公路擋土墻設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則[M ] . 北京: 人民交通出版社, 2008.

[2] 施楚賢.砌體結(jié)構(gòu),第三版[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012:160-180.

[3] Hamid A A, Drysdale R G. Suggested failure criteria for grouted concrete masonry under axial compression[C].ACI Journal Proceedings,1979, 76(10)..

[4] B．F．Boult．Concrete Masonry Prism Testing．ACI Structural Journal,1979,76(2):513-535.

[5] 宋力. 混凝土砌塊砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究與非線性有限元分析[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2005.

[6] 劉桂秋. 砌體結(jié)構(gòu)基本受力性能的研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2005.

[7] GB/T4111-1997,混凝土小型空心砌塊試驗(yàn)方法[S].

[8] GB50003-2011,砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Research on the Mechanical Properties of Grouted Slotted Block Masonry for Reinforced Block Retaining Wall

XU Zhongyuan, HUANG Liang, LIU Guiqiu, SHI Chuxian

(College of Civil Engineering，Hunan Univ，Changsha，Hunan 410082，China)

Retaining wall construction is an important part of highway construction, Using the new reinforced concrete block retaining wall will Save the human and material resources consumed by road construction, and speed up the construction speed, save highway construction investment. In this paper, 9 compressive specimens and 18 shear specimens were tested to investigate the compressive strength, shear strength and failure mode of the grouted slotted block masonry, to investigate the impact of slotted block on the Mechanical Properties of grouted block masonry. The results show that the compressive ultimate load and shear strength of the grouted slotted block masonry is both improved, and the improvement of shear strength is more apparent.

block masonry; grouted masonry; slotted block; mechanical properties; retaining walls

2015 — 05 — 19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378193)

許仲遠(yuǎn)(1990 — )，男，河南安陽(yáng)人，碩士，從事公路工程施工技術(shù)研究。通訊作者：黃 靚，E-mail:huangliangstudy@126.com

U 417.1+1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0033 — 03