组砌方式对生土基砌体受压力学性能的影响

兰官奇，王毅红，牛东东，曾贵缘

(1.中国建筑西北设计研究有限公司，西安 710018; 2.长安大学建筑工程学院，西安 710061)

近年来，生土建筑的优点正在逐渐得到认可，应保留和传承这种独具特色的传统结构已有初步的共识[1].生土是我国乃至全世界应用最广泛、历史最悠久的传统建筑材料之一，其主要优势为易于就地取材、造价低廉、技术简单、绿色环保、保温与隔热性能优越、可降解再生、加工过程低耗能且无污染等.在全社会普遍关注环境污染、生态危机、能源危机的今天，如何使这种古老的建筑材料焕发出新的生命力，依然有大量工作要做[2-3].

目前，我国可供查阅的生土建筑相关文献大部分集中在生土材料改性研究[4-6]，而针对生土基砌体力学性能的试验研究较少.潘兴庆[7]参照砌体力学性能试验方法标准对传统土坯砌体进行了单轴抗压试验，分析了土坯砌体的破坏形态，得到了砌体抗压强度、弹性模量、泊松比等基本力学参数.阿肯江·托乎提等[8]采用同样的试验方法测试了传统土坯砌体的单轴抗压性能，分析了块材强度、泥浆强度和砌筑质量对土坯砌体抗压强度的影响，提出了土坯砌体抗压强度的计算公式，并建立了土坯砌体的损伤本构模型.王毅红等[9]通过对12个机制生土砖砌体进行单轴抗压试验，探讨了机制生土砖砌体变形模量和泊松比的取值方法.但由于我国尚未建立有关生土基砌体强度试验方法标准，以上研究均参照《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB 50129—2011T)[10]进行试验，砌体组砌方式各不相同，导致研究结果较为分散.生土基块材制作方式、尺寸各异，砌筑方式和工艺也不相同，与砖砌体类似，生土基砌体强度与其材料和块材强度有很大差异，相对统一又能普遍适用、操作性好的生土基砌体强度试验方法亟待建立.组砌方式是影响砌体力学性能的一个重要因素[11-12]，选择适当的砌体组砌方式是建立生土基砌体强度试验法所需解决的首要问题.

为了研究组砌方式对生土基砌体单轴抗压性能的影响，确定生土基砌体抗压强度试验标准试件组砌方式，本文选取2种传统土坯和2种新型生土砖砌筑砌体试件，通过单轴抗压试验分别对3种不同组砌方式砌体的抗压性能进行测试.从破坏形态、抗压强度、弹性模量、泊松比等方面分析了组砌方式对生土基砌体单轴抗压性能的影响.基于层次分析法对3种组砌方式的砌体破坏形态、适用性、操作性及数据稳定性进行对比，确定了生土基砌体抗压强度试验标准试件的组砌方式.

1 试验概况

1.1 材料

此次试验分别选取陕南地区黄土(简称陕南黄土)及陕西关中地区黄土(简称关中黄土)作为制作生土基块材的土料.根据《土工试验规程》(SL237—1999)[13]分别测定了2个地区土料的颗粒级配、液塑限、最优含水率和最大干密度，见表1.

表1 土的物理参数

1.2 块材制作

此次试验分别选取湿制土坯(SZ)、干打土坯(GD)、机械切割生土砖(SJ)、机械压制生土砖(GJ)4种不同的生土基块材砌筑砌体试件.其中湿制土坯采用陕南黄土制作，其他3种生土基块材均采用关中黄土制作.湿制土坯是将含水率为(24±2)%的土料在坯模内湿塑成型；干打土坯是将含水率接近最优含水率的土料填入坯模内人工夯筑成型；机械切割生土砖是将含水率为(24±2)%的土料填入大尺寸模具后采用机械切割成型；机械压制生土砖是将含水率接近最优含水率的土料填入磨具后采用机械冲压成型.干打土坯和机械切割生土砖均采用天然土料制备，未加入掺合料；湿制土坯中掺入质量比约为1%的稻草，稻草长度为7～10 cm；机械压制生土砖中掺入水泥纤维、生石灰、水玻璃等掺料[14].成型后的块材放置于实验室内养护28 d后测试其抗压及抗折强度，试验方法参考《砌墙砖试验方法》(GB/T 2542—2012)[15].4种块材的尺寸、密度、抗压强度及抗折强度见表2所示.

表2 块材的物理力学参数

1.3 砌筑泥浆及砂浆制备

针对4种生土基块材抗压强度的差异，此次试验分别选取2种块材粘结剂.湿制土坯砌体、干打土坯砌体及机械切割生土砖均采用泥浆砌筑.砌筑泥浆的含水率控制在(35±3)%，其中掺入质量比为1%的稻草(长度7～10 cm).机械压制生土砖采用设计强度为M15的专用砌筑砂浆砌筑[16].分别制作10个边长为100 mm的泥浆和砂浆立方体试块，与砌体在相同条件下养护28 d后测试其单轴抗压强度，测试方法参照我国《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70—2009)[17].测得砌筑泥浆与专用砂浆的平均抗压强度分别为1.95、14.14 MPa.

1.4 生土基砌体试件制作

受到气候条件、房屋的保温隔热需求以及墙体的承载能力等因素的影响，世界各地的生土基块材尺寸存在较大差异[7,18-19].因此，为了保证砌体组砌方式对不同尺寸砌块的适用性，本次试验分别选取叠砌、全顺和梅花丁3种组砌方式制作湿制土坯砌体、机械切割生土砖砌体以及机械压制生土砖砌体.由于干打土坯尺寸特殊，无法以梅花丁形式组砌，仅采用叠砌和全顺砌筑.组砌方式示意图如图1所示.此次所砌筑的各类砌体高厚比控制在3.1～3.7，灰缝厚度控制在10 mm左右.各类砌体试件的组砌方式、截面尺寸、高厚比见表3所示，每组3个试件，共33个试件.试件制作及养护均参照《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB 50129—2011T)[10]进行，图2为砌体成型试件.

表3 砌体试件主要参数

开始试验前，对各类砌体试件的表观情况进行测量检查.具体情况如下：由于湿制土坯平整度较差，该类砌体试件中水平灰缝厚度较大，平均厚度约为12 mm；其他3类生土基砌体，由于块材表面平整度相对较好，砌体试件水平灰缝厚度相对统一，均控制在10 mm左右；泥浆砌筑试件中，由于泥浆在养护过程中失水干缩，水平灰缝处出现细小竖向裂缝，但泥浆与块材交界面处未出现裂缝，粘结状况良好，同时，因泥浆和易性较差，竖向灰缝饱满度均较差；采用水泥砂浆砌筑的试件在水平灰缝处未出现裂缝，竖向灰缝饱满度也优于泥浆砌筑试件.

1.5 加载方案及加载装置

为确保加载板与试件顶部接触紧密，并防止找平材料中所含水分对试件强度造成影响，本次试验采用快硬石膏自流平的方式对砌体试件加载面进行找平处理，具体做法如下：加载前将木制模具套入试件顶部使模具高出试件顶面30 mm，并用塑料薄膜嵌入模具内部并确保薄膜与试件顶面贴合紧密，将配置好的快硬石膏浆料缓慢倒入模具中，浆料根据顶面的高低不平顺势流动，对其进行自动找平，如图3所示.待石膏初凝(初凝时间为5 min，抗压强度为15 MPa)，将成型石膏脱模并去除塑料薄膜后放置在试件顶面.找平层厚度控制在(15±2)mm.

砌体试件测点布置参照我国《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB 50129—2011T)[10].试验采用物理对中，分级均匀施加荷载的方法测定单轴抗压强度.正式加载前采用预估破坏荷载的10%，反复预压3次.正式加载后每级荷载为预估破坏荷载的10%，并在1 min均匀加完，恒荷1 min后施加下一级荷载.为获得力-位移曲线的下降段，当观察到试件裂缝不稳定发展时，改用位移控制，加载速率为1 mm/min，直至荷载下降至峰值荷载的80%停止试验.试验采用MAS-500伺服作动器施加竖向荷载，最大量程为500 kN，并用JAW-1000电液伺服结构试验系统控制，系统可以自动记录竖向位移和荷载.

2 结果分析

2.1 破坏形态

观察33个生土基砌体的单轴受压破坏形态，可将其分为以下3类.

局部破坏：竖向裂缝还未充分扩展，试件与垫板接触面或试件边角部位砌体被压碎，有效承压面积减小，试件破坏.此类破坏主要发生在叠砌湿制土坯试件和叠砌机械切割生土砖试件，试件表面裂缝较少，开裂荷载与破坏荷载接近，如图4(a)所示.

竖向裂缝贯穿破坏：在荷载作用下，试件出现平行于加载方向的竖向裂缝或斜向裂缝，其中部分裂缝逐渐向试件上下两端延伸、扩展，最终竖向裂缝贯穿整个试件，砌体被贯穿缝分割成若干小柱，试件破坏是由于小柱丧失稳定性或被压溃.此类破坏主要发生在全顺试件和梅花丁试件，试件表面裂缝较多，开裂荷载为破坏荷载的20%～50%，如图4(b)所示.

劈裂破坏：试件局部开裂后，裂缝迅速延伸扩展，破坏时裂缝尚未贯穿整个试件，试件中部砌块被竖向裂缝分割成若干小柱.此类破坏主要发生在叠砌干打土坯试件和叠砌机械压制生土砖试件，试件表面裂缝少而集中，开裂荷载约为破坏荷载的70%，如图4(c)所示.

2.2 抗压强度

不同组砌方式下生土基砌体抗压强度及其变异系数如表4所示.从表4可以看出，砌体组砌方式对4种生土基砌体的单轴抗压强度影响显著.各类生土基砌体中叠砌试件的抗压强度最高，全顺试件次之，梅花丁试件最低.分析其原因，可能是由于采用全顺及梅花丁形式砌筑的砌体中竖向灰缝无法完全填满，同时竖向灰缝内的泥浆或砂浆和砌块的粘结力也不能保证砌体的整体性.因此，搭接在竖向灰缝上方的砌块将在竖向灰缝处形成应力集中，加快了块材的开裂，最终引起砌体强度的降低.

从表4可以看出，由湿制土坯、干打土坯及机械切割生土砖砌筑的砌体中叠砌试件的抗压强度离散性明显高于其他组砌方式，而对于机械压制生土砖，其叠砌试件的抗压强度离散性却小于其他组砌方式.这是由于叠砌试件的抗压强度主要取决于砌体中强度较弱的块材，因此砌体强度的离散性一定程度上是块材强度离散性的体现.湿制土坯和干打土坯采用人工制作，难以保证统一的块材质量，其强度离散性较大；机械切割生土砖虽采用机械成型，但块材切割过程中对材料造成的损伤导致其强度离散性较大；机械压制生土砖采用机械冲压成型，块材质量统一，强度离散性较小.全顺试件和梅花丁试件由于在竖向灰缝处产生的应力集中，使砌体内块材在压、剪、拉多重应力下发生破坏，破坏荷载远小于块材强度，且相差不大，因此砌体抗压强度离散性较叠砌试件有所降低.

表4 抗压强度试验结果

2.3 弹性模量及泊松比

2.3.1 弹性模量

各类试件的弹性模量平均值及变异系数如表5所示.从表5可以看出，4种生土基砌体中叠砌试件的弹性模量最高，全顺试件次之，梅花丁试件最低.轴向荷载作用下砌体的竖向变形主要为块材和水平灰缝的竖向压缩变形.4种生土基砌体的叠砌试件与全顺试件的高度相同，竖向变形测量标距(1/3试件高度)内的块材厚度与水平灰缝厚度也相同，若不考虑竖向灰缝的影响，在相同应力作用下2类试件的竖向应变应相等.但由于全顺试件中的竖向灰缝削弱了砌体的整体性，导致在相同应力作用下全顺试件中块材及水平灰缝的变形均大于叠砌试件，因此全顺试件的弹性模量小于叠砌试件.而对于相同高厚比下的梅花丁试件，砌体中的竖向灰缝不仅较全顺试件有所增加，且砌体竖向变形测量标距内的块材厚度与水平灰缝厚度也相对较大，导致在相同应力作用下梅花丁试件的竖向应变均大于叠砌试件和全顺试件，因此弹性模量进一步降低.

表5 弹性模量及泊松比

2.3.2 泊松比

各类试件的泊松比平均值及变异系数如表5所示.从表5可以看出，4种生土基砌体中梅花丁试件的泊松比最大，全顺试件次之，叠砌试件最小.这是由于泥浆或砂浆与块材间的粘结力较弱，加之竖向灰缝处的饱满程度较差，在荷载作用下，带有竖向灰缝的试件产生了更大的横向变形.同时，叠砌试件多发生局部破坏和劈裂破坏，试件整体变形不充分，也导致了叠砌试件泊松比相对较小.对于梅花丁试件，砌体截面内有2条相互垂直的竖向灰缝，在相同应力作用下试件横向变形大于仅有1条竖向灰缝的全顺试件，但相同应力下梅花丁试件的竖向应变也大于全顺试件，因此2类试件的泊松比相差不大.

3 标准试件组砌方式的讨论

为了评价叠砌、全顺、梅花丁3种组砌方式作为生土基砌体强度标准试件组砌方式的优劣，本文采用层次分析法[20]分别从适用性、操作性、复演性、数据稳定性及破坏形态代表性5方面对3种组砌方式进行了综合评价，相应的层次分析模型如图5所示.

3.1 构造判断矩阵

在适用性方面，叠砌及全顺试件可以适用于任意尺寸的生土块材，适用性强，而梅花丁试件仅适用于长宽比为2的生土块材，其适用性相对较弱；在操作性方面，叠砌试件及全顺试件厚度小，在同样高厚比的情况下试件高度小，砌筑质量易控制且吊装难度小，而梅花丁试件厚度较大，且竖向灰缝较多，砌筑质量及试件吊装难度均较大；在数据稳定性方面，全顺试件弹性模量和泊松比的均值变异系数分别为6.4%和10.5%，抗压强度的均值变异系数为7.2%，总体稳定性较好；在试件破坏形态方面，单轴受压下砌体的破坏形态以能够反映出墙体破坏形态为宜，而叠砌试件由于没有竖向灰缝，砌体多为局部破坏或劈裂破坏，无法反映砌体在构件中的实际破坏形态，其他2类组砌方式的试件均为竖向裂缝贯穿破坏，破坏形态具有代表性；在复演性方面，由4种生土基块材砌筑的全顺试件及梅花丁试件破坏形态较为一致，复演性较好，叠砌试件在4种生土基砌体中呈现出不同的破坏形态，复演性较差.

根据上述因素，采用Satty提出的1～9比率标度方法[20]，构造判断矩阵.准则层相对于目标层的判断矩阵A为

相应地，判决矩阵B1、B2、B3、B4、B5，如下：

3.2 层次排序及一致性检验

采用方根法[20]对各判断矩阵的最大特征值及其对应的特征向量进行求解.计算结果见表6.

表6 判断矩阵特征向量及最大特征根计算结果

为了保证应用层次分析法分得到的结论合理，还需对构造的判断矩阵进行一致性检验.计算一致性指标CI与平均随机一致性指标RI的比值CR.若满足CR<0.10，即可确定判断矩阵具有满意一致性.

(1)

(2)

式中：λmax为判断矩阵的最大特征根；n为判断矩阵的阶数；对于1～9阶判断矩阵，平均随机一致性指标RI的值如表7所示.

表7 一致性指标取值

各判断矩阵的计算结果如表8所示.从表中可以看出，所求得一致性比率均小于0.1，因此判断矩阵A、B1、B2、B3、B4、B5满足一致性要求.

表8 判断矩阵一致性检验参数

3.3 最优组砌方式的确定

按照公式

(3)

计算各组砌方式的综合评价值Wi，如表9所示.

表9 3种组砌方式的综合评价值

从最终评价结果可知，全顺试件在试验数据稳定性和试件破坏形态代表性两方面展现出优势，其综合评价值最高，为0.377，因此，建议选用全顺作为测试生土基砌体单轴抗压强度的标准试件组砌方式.

4 结论

1)得到了不同组砌方式下生土基砌体单轴受压破坏形态.块材强度较低的叠砌试件由于块材被压溃，多发生局部破坏，而块材强度较高的叠砌试件易发生劈裂破坏；带有竖向灰缝的生土基砌体均为沿竖向灰缝裂缝的贯穿破坏

2)组砌方式对生土基砌体的单轴受压力学性能影响显著.4种生土基砌体的抗压强度、弹性模量和泊松比呈现相同的规律，抗压强度及弹性模量由大到小依次为叠砌、全顺、梅花丁，泊松比由大到小依次为梅花丁、全顺、叠砌.

3)建议采用全顺作为测定生土基砌体抗压强度标准试件的组砌方式.全顺组砌不仅可保证试验数据具有较好的稳定性，且砌筑质量易控制、试件重量小，可适用于各类尺寸的生土基块材.