新型夯土墻模板系統(tǒng)夯筑側(cè)位移敏感性因素分析

丁克勝，李耀祖，趙永強(qiáng)

（天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384）

在我國西部山區(qū)地域遼闊，山土資源豐富，但年降水量少，冬天寒冷，交通不便，使得山區(qū)農(nóng)村的住房建造困難重重，現(xiàn)在的房屋仍以生土夯實(shí)墻承重結(jié)構(gòu)為主，但房屋布局、內(nèi)外裝飾又要具有新時代特色.因此，要有新的建造技術(shù)相適應(yīng)[1]，在現(xiàn)有土質(zhì)改良研究的條件下，模板系統(tǒng)成為新的研發(fā)視角.本文以住建部國家科技支撐計劃課題“美麗鄉(xiāng)村綠色農(nóng)房建造關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”[2]為依托，以綠色農(nóng)房產(chǎn)業(yè)化為導(dǎo)向，結(jié)合當(dāng)前我國創(chuàng)建美麗鄉(xiāng)村的迫切需求，因地制宜，著力開展適合不同地區(qū)鄉(xiāng)村自主建房、無大型裝備施工的各類結(jié)構(gòu)體系及其建造工法關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)集成及優(yōu)化研究，形成適用于我國不同地區(qū)具有地域特色和自主知識產(chǎn)權(quán)的綠色農(nóng)房設(shè)計、建造技術(shù)體系及綠色新材料的應(yīng)用技術(shù)，帶動“綠色農(nóng)房建設(shè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈”的發(fā)展，為我國社會主義新農(nóng)村現(xiàn)代化住宅建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持[3-5].

基于綠色環(huán)保的宗旨，本文采用新型夯土墻模板系統(tǒng)，有利于農(nóng)村陳舊設(shè)施的改善，提高生產(chǎn)效率，降低施工成本，提高房屋的耐久性與實(shí)用性.通過建模分析，模板板塊長度、夯筑順序、密肋支設(shè)和鋪土厚度4種因素下模板的變形都會對整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響.因此，選擇最好、最合理的方案，就能節(jié)約時間和節(jié)約材料，使模板系統(tǒng)發(fā)揮到最優(yōu)[6-7].

1 有限元模型建立

1.1 幾何模型

通過利用有限元軟件ANSYS-LS-DYNA的實(shí)體建模功能，建立等比例夯土墻模板模型，分別以夯土墻模板塊長度尺寸120，150，180 cm建立模型計算.由面板和肋板組成的單塊板模型如圖1a所示，其寬度為20 cm，在模板外側(cè)設(shè)置三角支撐架，三角架的兩直角邊分別與地面和模板肋相連，用于抵抗夯實(shí)側(cè)壓力，如圖1b所示.在空間模型中，橫坐標(biāo)X為沿板塊長度方向，縱坐標(biāo)Y為沿板塊高度方向，豎坐標(biāo)Z為沿模板寬度方向，即變形方向，土體每一層入模、夯筑分別進(jìn)行模擬.具體模型如圖1所示.

考慮夯土墻夯實(shí)后的墻體密實(shí)程度，這對于模擬分層夯筑時的土體變化非常重要.夯土墻土體采用松散土進(jìn)行模擬，故選取ANSYS-LS-DYNA中193號材料DP模型進(jìn)行土體變形模擬，土料參數(shù)見表1.

表1 模擬夯土土體基本力學(xué)參數(shù)

選用普通竹膠模板作為模板面板模擬材料，端面板采用木模板作為模板模擬材料，水平肋、豎向密肋及外三腳架均采用普通Q235鋼材作為模擬材料，模擬夯錘采用普通雙頭鑄鐵鐵錘.構(gòu)件主要參數(shù)見表2.

表2 模型其他構(gòu)件參數(shù)

1.2 動力荷載的施加路徑與大小

夯土墻夯筑時模擬夯錘采用尺寸為15cm×15cm×15 cm的鐵質(zhì)錘夯筑土體，夯錘接觸土體的時間設(shè)定為0.2 s，每一個夯點(diǎn)每次夯筑2錘，夯錘每次夯擊時的作用高度為0.5 m，其中接觸荷載的大小采用位移荷載，加載方式為20 cm土層在夯錘的夯擊作用下下降的深度為2 cm，故而，當(dāng)土層厚度為100 cm時，土層下降深度為10 cm，依此類推.

以板塊長度150 cm為例，將整個土體上表面劃分成15 cm×20 cm區(qū)格，在每一區(qū)格內(nèi)施加夯錘沖擊位移荷載[8]；在每一個水平方向的區(qū)格內(nèi)，先沿夯土墻寬度方向從一段向另一端方向夯實(shí)土體，模擬時應(yīng)保證夯錘勻速、均勻，即每一區(qū)格夯筑一次，在夯錘夯實(shí)經(jīng)過一個土體表面后，沿所示路線繼續(xù)夯筑下一土體位置，具體路徑如圖2所示.

圖2 夯錘夯擊路徑

2 夯筑夯土墻模板系統(tǒng)側(cè)位移變形分析

為了分析夯土墻模板在夯錘沖擊力作用下模板側(cè)向位移的變化規(guī)律，選擇了板塊單塊長度、夯筑順序、密肋設(shè)置、土層厚度等4種可能對模板變形產(chǎn)生影響的因素，分別進(jìn)行有限元模擬并進(jìn)行對比.由于夯土墻模板夯筑時土體的水平方向相互作用較弱，所以豎向側(cè)位移和側(cè)應(yīng)力隨深度的變化較為復(fù)雜，而且隨著土層層數(shù)的增加，上下層之間也會產(chǎn)生較大的相互影響，故而在分析敏感性因素時，采用ANSYS-LSDYNA模擬整個豎向平面的側(cè)向位移作為評價指標(biāo).

2.1 模板板塊長度側(cè)位移影響

分別建立板塊長度1.2，1.5，1.8 m的3層模板支撐系統(tǒng)模型，所選節(jié)點(diǎn)各為模板中段（X=0.6，0.75，0.8 m），綜合比較3種不同長度板塊的側(cè)位移變形效果，夯錘動力荷載均為自左向右經(jīng)過土面（見圖3）.

由圖3可知，整體的變化趨勢為自頂端向底端側(cè)向位移逐漸減小，板塊豎向中段位置側(cè)向變形小于密肋約束處變形.其中，從圖3a中還可以看出，當(dāng)夯筑一半時，L=1.8m模板側(cè)向位移最大值為0.8 mm，L=1.5，1.2 m的側(cè)向位移最大值分別為1.5，1.4 mm，說明模板塊長度越長，最大側(cè)向位移值越??；此外，圖3b夯筑末時刻時，位移規(guī)律相同.所以在保證密肋和支撐間隔相同的情況下，增大單塊模板塊長度，不僅可以加快進(jìn)度，而且可有效限制側(cè)向位移.

圖3 不同長度模板板塊夯筑進(jìn)程側(cè)位移曲線

無論直接影響還是土體壓縮后變形趨勢的間接影響，都隨著深度的增加而逐漸減弱，即土體并不會一壓到底.從圖3也可以看出，無論板塊長度為哪一種，當(dāng)自頂面到30 cm以下時，影響均大幅減小，僅為最大值的20%～30%.故而說明土體變形只是在一定的作用半徑內(nèi)展開，在作用半徑內(nèi)的土體壓縮擠密性效果良好；當(dāng)超出作用半徑時，作用較弱，變形壓縮較小.由于土體變形是導(dǎo)致模板變形的最主要因素，繼而導(dǎo)致模板的側(cè)位移較??；此外，3種長度的板塊變形情況相似，表現(xiàn)為板塊長度對于模板的側(cè)位移影響非常微弱.這是因?yàn)橥馏w在夯筑過程中基本只會發(fā)生豎向壓密，很難沿長度方向擴(kuò)展，即說明土體壓密對于水平方向的影響較小，豎直方向較大；而且在夯錘作用過的頂面，其相鄰位置有夯錘作用時，則該頂面所受側(cè)壓力影響較小.

2.2 土體夯筑順序?qū)δ０鍌?cè)位移的影響

在現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)中，無論是澆筑梁還是澆筑板，澆筑順序都會對梁、板的強(qiáng)度產(chǎn)生影響.在夯土墻夯筑時，夯筑順序可能影響模板的工作性能，為了分析這一潛在的敏感性因素，選取3層高度模板系統(tǒng)，板塊長度為1.5 m，建立有限元模型，分析板塊X=0.75 m時（起始夯筑點(diǎn)所在豎向平面）節(jié)點(diǎn)側(cè)位移隨夯筑時間的變化曲線，如圖4所示.

由圖4可知：根據(jù)選取時刻的不同，土體對模板產(chǎn)生的側(cè)位移變化也有所不同；隨著時間的增加，土體的夯實(shí)性也在增大.因此，時間越長，土體對模板產(chǎn)生的側(cè)位移也隨著增大；自中間向兩端夯筑時，不同時刻下的側(cè)位移變化趨勢基本相同，沒有較為明顯的突變曲線；相反，自一端向另一端夯筑時，初始時刻側(cè)位移曲線相對穩(wěn)定，到中后期時刻側(cè)位移變化相對較大，曲線有明顯的變化趨勢.其中，兩種不同夯筑順序下模板側(cè)位移變化規(guī)律都是自頂端向底端逐漸減小.同一板塊上下兩端變形小，中部變形大.當(dāng)自中間向兩端夯筑土體時，該部分土體外側(cè)模板迅速產(chǎn)生較大側(cè)向變形；在初始時刻，最大值接近0.9 mm；隨著夯錘移動，該位置模板側(cè)向位移有小幅增大，但整個過程變化緩慢；在夯筑結(jié)束后，該位置最大位移數(shù)值接近1.3 mm.然而，自一端向另一端夯筑時，同樣的位置模板側(cè)向位移最大值接近1.5 mm.因此，同一位置、相同夯筑條件，二者側(cè)位移接近.

由此可知，從中間向兩端夯筑在不改變其他條件時，模板變形相對較小，即夯筑路徑對模板側(cè)位移產(chǎn)生了相對的影響，其影響程度不大.墻體在夯筑時對模板作用的主要因素是夯錘作用在頂面時所產(chǎn)生的夯擊力，當(dāng)作用位置距離選定模板位置較遠(yuǎn)時，作用不太明顯.

2.3 模板密肋支設(shè)對其側(cè)位移的影響

在廣大的西北農(nóng)村地區(qū)，夯土墻模板仍停留在版筑階段，無法使用新型密肋模板塊作為支撐單元，也不方便選擇外三腳架支撐，而是選擇較厚的木質(zhì)板作為面板，只在整個面板中心位置設(shè)立支撐.因此，選擇土層厚度為25 cm和單塊厚度5 cm，且高度為20 cm的松木模板所組成的夯土墻模板體系.該情況下模板的動力反應(yīng)狀況如圖5所示.

圖5 密肋支設(shè)模板深度方向側(cè)位移曲線

由圖5可知，根據(jù)時間段的不同，模板有密肋支撐與無密肋支撐位移曲線變化較為明顯，有密肋支撐曲線程Z字型趨勢，在模板塊中部側(cè)位移變化較大，經(jīng)過密肋支撐處則立即減小為負(fù)值.由于有密肋支撐起到了約束作用，從而減小了側(cè)向變形，變形量正負(fù)的變化充分證明了密肋支設(shè)約束側(cè)壓力的變形，其位移自頂端向底端減小.而無密肋支撐模板沿側(cè)向連續(xù)變形側(cè)位移逐漸增大，直到土體高度達(dá)到40 cm處時逐漸趨于減小，側(cè)位移值明顯偏大，其變形最大處均出現(xiàn)在上下兩塊模板的接縫處；在高度60～20 cm區(qū)域，位移始終較大，表現(xiàn)為明顯的向外脹開，此時，土體也會產(chǎn)生較大的鼓脹，并且隨著夯筑深度的增加，鼓脹會十分明顯.當(dāng)夯筑成型時產(chǎn)生明顯的下端寬、兩端窄現(xiàn)象，影響使用效果.

因此，有密肋支撐時模板側(cè)位移的變形趨勢相對穩(wěn)定，在應(yīng)用時能有效對其進(jìn)行控制；而無密肋支撐時變形較大，夯筑成型后，由于其自身原因不具備夯土墻整體穩(wěn)定性性能.

2.4 夯土層厚度對模板側(cè)位移的影響

在前面部分討論了模板自身和夯筑順序等因素對夯土墻模板系統(tǒng)的變形影響，了解到夯土墻模板結(jié)構(gòu)在構(gòu)成時，模板塊本身具有一定的高度，模擬時都采用高度為20 cm的單塊高度，而在夯土墻模板系統(tǒng)中土層的厚度統(tǒng)統(tǒng)選擇25 cm.由于土料鋪設(shè)的上下層縫隙和板塊的層間縫隙不重合，為了進(jìn)一步改善這種狀況，現(xiàn)將模擬土層厚度改為20 cm，此時的土層接縫會與模板塊縫隙重合.

現(xiàn)模擬在此狀態(tài)下的模板變形情況，模板板塊長度仍為1.5 m，夯筑動力不變.通過模板變形云圖可得雙縫重合時模板變形曲線，如圖6所示.

圖6 雙縫重合時模板變形曲線

由圖6可知，隨著時間段的不同，曲線所呈現(xiàn)的位移變化也不同；在初始時刻，位移變化較為穩(wěn)定；但在接近末時刻時，位移變化較為明顯.與前述夯土厚度為25 cm時（兩縫不重合）比較，模板系統(tǒng)側(cè)向位移最大值變化不大，曲線也表現(xiàn)出隨區(qū)格周期性增大減小的趨勢，不同之處在于當(dāng)采用20 cm厚度土層時，同樣在40 cm高度處，模板變形量比夯土厚度25 cm時接縫處變形大，比較其他分析處規(guī)律亦然.這一結(jié)果說明，當(dāng)“兩縫合一”時，會在接縫處產(chǎn)生較大的變形，屬于不利的夯土工況，這一結(jié)論也說明：當(dāng)考慮鋪設(shè)土層厚度時，從夯土墻強(qiáng)度方面考慮，不能使土層鋪設(shè)太厚，否則無法夯擊密實(shí)，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低.為了能更好地發(fā)揮和利用土與模板之間的優(yōu)、異，從模板變形角度考慮，應(yīng)盡量做到錯縫.

3 結(jié)論

通過對新型夯土墻模板系統(tǒng)在不同方案下側(cè)位移影響變形的數(shù)值模擬分析，得出如下結(jié)論.

（1）對于不同長度板塊構(gòu)成的模板系統(tǒng)，模板板塊越長，變形越小，密肋作用明顯，選擇合理長度的模板系統(tǒng)能更好地發(fā)揮結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性.

（2）夯錘自中間向兩端夯筑結(jié)果要好于自一端向另一端夯筑，但其影響程度微小；兩種夯筑順序?qū)δ０鍌?cè)位移變形較小，故在實(shí)際應(yīng)用中可不考慮.

（3）模板外側(cè)密肋支設(shè)可以有效地限制模板變形，無密肋支設(shè)模板系統(tǒng)側(cè)向位移較有密肋支設(shè)時變形增大5～10倍，故優(yōu)先考慮有密肋支設(shè).

（4）當(dāng)鋪設(shè)土層厚度與板塊厚度相同時，模板容易在接縫處形成較大裂縫，其側(cè)位移變形也為最大，因此在實(shí)際工程中，應(yīng)錯開土層鋪設(shè)接縫與模板接縫，降低裂縫重合時側(cè)向位移變形.