毛石墻抗壓設(shè)計(jì)計(jì)算方法與抗震結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

黃 源 胡 昕 徐 磊 強(qiáng)夢(mèng)蕓 歐亞洲 陳俊杰

（中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200120）

0 引言

新常態(tài)下，礦山產(chǎn)業(yè)開始轉(zhuǎn)型升級(jí)，礦產(chǎn)資源開始減少，甚至枯竭，我國(guó)各地出現(xiàn)大量礦山廢棄地，導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能退化，嚴(yán)重制約著區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。南京湯山礦坑公園項(xiàng)目是住建部和國(guó)土資源部“城市雙修”試點(diǎn)工程，其前身是湯山山體最大的廢棄礦坑——龍泉采石場(chǎng)。經(jīng)過20多年的開采，龍泉采石場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)遺留了大量的采石廢棄物，如何變廢為寶，將這些廢棄天然毛石重新加以利用，成為湯山礦坑公園開發(fā)過程中的一大難題。

毛石墻是用亂毛石或平毛石與水泥砂漿或混合砂漿砌筑而成。毛石墻的轉(zhuǎn)角可用平毛石或料石砌筑，毛石墻的厚度不應(yīng)小于350mm。國(guó)內(nèi)目前對(duì)毛石墻相關(guān)設(shè)計(jì)方法的研究很少，對(duì)其抗壓性能的分析及如何提高抗震性能的研究基本沒有。本文在國(guó)外相關(guān)研究[1]的基礎(chǔ)上，建立一種建筑毛石砌體設(shè)計(jì)強(qiáng)度的計(jì)算方法，以此增加EPC項(xiàng)目對(duì)毛石墻設(shè)計(jì)方面的掌控程度，同時(shí)，通過設(shè)計(jì)一種新型的優(yōu)化的毛石墻抗震系統(tǒng)，來增加毛石墻作為外墻時(shí)的整體安全性，為類似的工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 毛石墻砌筑施工形式

毛石是巖石經(jīng)爆破后所得形狀不規(guī)則、未經(jīng)加工的石塊，也稱亂石，一般塊頭較大(300mm以上）。毛石主要用于砌筑建筑物的基礎(chǔ)、填方、勒角、墻身、擋土墻、堤岸及護(hù)坡，還可以用來澆筑片石混凝土。圖1為國(guó)內(nèi)目前常見的幾種毛石墻砌筑施工形式，分為干石砌體、砂漿無墊層砌體和粗石砌體。干石砌體采用的毛石要求較高，形狀規(guī)整，通常需要另外采購專門的毛石，造價(jià)高昂；砂漿無墊層砌體對(duì)毛石形狀的需求稍微降低，但仍需人工現(xiàn)場(chǎng)打鑿；粗石砌體采用砂漿進(jìn)行縫隙填充，對(duì)毛石材料本身的要求較低。

圖1 常見的毛石墻砌筑施工工藝形式

2 毛石墻抗壓性能理論研究

2.1 現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法驗(yàn)證

國(guó)內(nèi)目前鮮有對(duì)毛石墻抗壓強(qiáng)度的理論研究，通過對(duì)國(guó)外文獻(xiàn)的查詢，發(fā)現(xiàn)類似的碎石砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如下[2]：

式中：

R u——整個(gè)砌體抗壓強(qiáng)度，kgf/cm2；

R1——填料（碎石）的抗壓強(qiáng)度，kgf/cm2；

R2——砂漿的抗壓強(qiáng)度（立方強(qiáng)度），kgf/cm2；

A——根據(jù)以下公式確定的砌體結(jié)構(gòu)系數(shù)：

式（1）中γ是根據(jù)碎石和砂漿強(qiáng)度不同而考慮的系數(shù)，根據(jù)以下公式確定：

表1為A·Shishkin教授的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析，公式（1）～（3）在毛石強(qiáng)度和砂漿強(qiáng)度都較高時(shí)失效。因此，當(dāng)根據(jù)公式（1）進(jìn)行計(jì)算時(shí)，如果毛石的強(qiáng)度或者砂漿強(qiáng)度較高時(shí)，從安全性考慮，最好假設(shè)將其強(qiáng)度降低來考慮。

表1 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

從表1可以看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與根據(jù)公式（1）～（3）計(jì)算的理論數(shù)據(jù)的最大偏差達(dá)到21.8%。同時(shí)，設(shè)計(jì)值并沒有考慮強(qiáng)度儲(chǔ)備及施工影響。因此，毛石砌體的抗壓強(qiáng)度僅取決于毛石和砂漿強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式，不能準(zhǔn)確反映所研究的相關(guān)性，無法對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生指導(dǎo)意義。

2.2 修正設(shè)計(jì)方法

為了增加計(jì)算公式的適用性，對(duì)其進(jìn)行修正。結(jié)構(gòu)材料的基本設(shè)計(jì)特性由結(jié)構(gòu)可靠性的建議確定[3]。材料的設(shè)計(jì)軸向抗壓強(qiáng)度根據(jù)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定，同時(shí)考慮材料的相應(yīng)安全系數(shù)及其預(yù)期用途γn(Yn：)

由此可知，不考慮預(yù)期用途安全系數(shù)的材料安全系數(shù)確定如下：

根據(jù)至少0.95的可靠性條件指定標(biāo)準(zhǔn)材料強(qiáng)度值：

其中S是材料極限強(qiáng)度的均方偏差。材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度是根據(jù)至少0.9986的可用性條件指定的：

根據(jù)表1中試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算，該變異系數(shù)最大值為21.8%，平均值為11%。安全性材料系數(shù)在1.04～1.84的范圍內(nèi)變化很大?？紤]到試驗(yàn)數(shù)據(jù)量小，強(qiáng)度分布參數(shù)范圍廣，毛石砌體的變化系數(shù)可能等于20%，安全系數(shù)取2.0。預(yù)期用途考慮操作條件等因素的單層結(jié)構(gòu)，取0.8。

因此，建筑用毛石砌體的設(shè)計(jì)強(qiáng)度可根據(jù)以下優(yōu)化后公式進(jìn)行計(jì)算：

3 抗震性能創(chuàng)新的毛石墻

汪源等[4]對(duì)粗石砌體形式的毛石墻的抗震性能進(jìn)行了研究，從其研究結(jié)果來看，毛石墻與傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能類似，在低周往復(fù)荷載下都呈現(xiàn)出沿對(duì)角的剪切破壞，且滯回環(huán)易出現(xiàn)捏縮效應(yīng)，構(gòu)件耗能能力降低，大塊石砌筑的構(gòu)件破壞突然，無明顯的塑性破壞階段[5]。本項(xiàng)目部分外墻為毛石砌筑而成，需要增加其整體抗震性能，從美觀角度考慮，由于毛石墻外部通常不進(jìn)行任何粉飾，采用傳統(tǒng)的圈梁構(gòu)造柱影響效果；從適用性上考慮，粗石砌體毛石墻的橫縫和豎縫都不是直的，鋼筋無法從縫內(nèi)穿過。基于以上幾點(diǎn)考慮，決定采用型鋼內(nèi)嵌的形式對(duì)毛石墻的抗震性能進(jìn)行創(chuàng)新，圖2所示即為抗震性能創(chuàng)新的毛石墻的具體構(gòu)造。

圖2 抗震性能創(chuàng)新的毛石墻構(gòu)造示意圖

4 結(jié)束語

本文在對(duì)當(dāng)前毛石墻砌體抗壓承載力計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，提出一種基于可靠的的毛石墻抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并針對(duì)毛石墻具體的施工工藝及做法提出了相關(guān)建議，后續(xù)可利用有限元軟件對(duì)粗石砌體毛石墻進(jìn)行受力分析，驗(yàn)證公式的準(zhǔn)確性。本文還針對(duì)項(xiàng)目的特殊情況，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種新型的優(yōu)化的抗震毛石外墻，適用于需要考慮抗震的建筑物，增加毛石墻的整體剛度。