内置草绳增强承重夯土墙体抗震性能试验研究1

虞庐松 宋书豪 李子奇 王 力 李健宁

1）兰州交通大学, 土木工程学院, 兰州 730070

2）兰州交通大学, 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室, 兰州 730070

引言

夯土建筑是指用生土作为建筑材料，利用模板将其层层夯实而成的建筑，是人类智慧的结晶。从古代至上世纪中叶，夯土建筑因其取材方便、施工简单、造价低廉、保温隔热性能优越等诸多优点在世界范围内被广泛使用（卢家成等，2020）。然而，伴随钢材、混凝土等新型建筑材料的出现，夯土建筑逐渐淡出城镇，仅少量存在于偏远乡村（周铁钢等，2013；王毅红等，2015）。随着环境污染问题的日益加剧，我国在2021 年发表了《国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》。意见强调，使发展建立在高效利用资源、严格保护生态环境、有效控制温室气体排放的基础上。夯土建筑的推广使用，可有效减少房屋建筑对生态环境的污染破坏，有利于推动绿色发展，实现“双碳目标”。

尽管夯土建筑优点颇多，但由于土体本身的抗拉强度较低，夯土建筑的抗震性能在侧向阻力、位移能力、能量耗散和延性性能方面都较差（王毅红等，2015；Arslan 等，2017；Karanikoloudis 等，2018），并且我国生土资源丰富，各地生土材料的力学性能参数难以制定统一标准，多数夯土房屋的设计建造主要依靠个人经验，在承受地震作用时有可能产生较为严重的破坏，导致人员伤亡和财产损失（王兰民等，2011；李志华等，2016）。因此，提高夯土建筑的抗震性能是其推广和发展过程中急需解决的问题。

近年来，众多学者对生土材料开展了研究，且主要集中在材料、结构2 个层面。国内学者刘蕾等（2021）、蔺广涵等（2018）、法国等（2019）以及国外学者Prabakar 等（2002）、Jové-Sandoval 等（2018）通过单掺和复掺的方式对夯土材料进行物理改性和化学改性，来提高土体抗剪、抗压强度，以此增强夯土建筑的抗震性能；张又超等（2015）、徐舜华等（2011）、Miccoli 等（2017）、王赟等（2021）、张琰鑫等（2012）通过在夯土墙表面布置钢丝网、竹条、聚酯织物条、构造柱等，以此在结构层面对墙体进行加固，增强其抗震性能。根据已有研究（刘强等，2018）及JGJ 161-2008《镇（乡）村建筑抗震技术规程》（中华人民共和国住房和城乡建设部，2008）可知，在承受地震作用时，多数墙体由于底部和中部夯筑分层处的水平贯通裂缝而呈现脆性破坏。

综上所述，基于绿色发展理念，为解决夯筑分层处易破坏的问题，提高夯土房屋的抗震性能，本文提出一种内置草绳增强的新式夯土墙，并对其抗震性能进行试验研究，以期为夯土房屋的抗震设计及应用推广提供参考依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验以甘肃农村常见夯土墙为研究对象，墙面原型尺寸为4 800 mm×3 400 mm×600 mm，采用1∶3 缩尺比例制作夯土墙试件。以草绳含量及埋置高度为参数，共制作4 片夯土墙试件，编号分别为W1～W4，其中草绳高度分别设置于墙体各夯筑分层处上方。试件具体方案如表1 所示，以W4 试件为例，墙体外形及尺寸如图1 所示。

图1 W4 试件尺寸（单位：毫米）Fig.1 W4 specimen size（Unit：mm）

表1 试件方案设计表Table 1 Sample scheme design table

1.2 试件制作

采用钢筋混凝土底梁作为试验模型基础形式，为防止试验过程中墙底与基础顶面发生滑移，故在基础中间开槽。槽口长、宽、高分别与墙体尺寸一致。在凹槽中预留两排直径为12 mm，深度为100 mm 的孔洞，夯筑前采用环氧树脂将草绳锚固于此孔洞中。墙体试件根据《村镇生土结构建筑抗震技术手册》（陈忠范等，2012）夯筑而成，如图2 所示。

图2 夯土墙试件Fig.2 Rammed soil wall specimens

1.3 加载方案

为模拟实际房屋中竖向荷载作用，采用分配梁以及对拉螺纹钢筋对墙体施加竖向荷载。原型墙体顶部所承受竖向荷载为505.98 kN，根据缩尺比例关系对各试件施加竖向荷载56 kN，等效压力为0.15 MPa。

加载制度参考JGJ/T 101-2015《建筑抗震试验规程》（中华人民共和国住房和城乡建设部，2015）。水平加载采用等幅位移控制，每级相差1 mm，往复循环3 次，加载速率0.1 mm/s，直至试件有倒塌趋势或者承载力下降至85%以下，试验结束。试验装置及加载示意图如图3 所示。

图3 试验装置及加载制度Fig.3 Test device and loading diagram

2 试验过程及现象

图4 给出了各试件的最终破坏形态。W1 试件位移加载至3 mm 之前，墙体以局部不规则干缩裂缝为主；加载至3.5 mm，墙体底部第一夯筑分层处右侧出现长约150 mm、宽2 mm 的水平裂缝；加载至5 mm，墙体中部第二夯筑分层处右侧出现长约100 mm、宽2 mm 的水平裂缝，并与初期不规则裂缝相交，形成细小的交叉裂缝，墙体底部左右两侧水平裂缝延伸，变宽，有贯通趋势，此时墙体出现一条较长的斜裂缝；加载至9 mm，斜裂缝并未继续发展，而墙体底部水平裂缝已贯通，最大宽度达到20 mm，最终墙体在底部水平裂缝处出现滑移并伴有被抬起现象，加载结束。

图4 各试件破坏图Fig.4 Failure diagram of each specimen

W2 试件加载至5 mm 前试验现象与W1 类似，墙体以局部不规则裂缝和底部第一夯筑分层处水平裂缝为主；加载至5 mm，墙体底部水平裂缝长度延伸至800 mm 左右，但宽度未变，此时墙体中有草绳受力绷紧的声音，在中部第二夯筑分层（内置草绳的上方）左右两侧各出现长200 mm、宽2 mm 的水平裂缝；加载至10 mm，底部水平裂缝逐渐贯通，但受草绳的拉结作用，墙体并未产生滑移；加载至12 mm，中部水平裂缝贯通，部分墙皮脱落，且沿中部出现了滑移，加载结束。

W3 和W4 试件试验现象基本一致，位移加载至10 mm 之前，墙体裂缝与W2 类似，均在底部第一夯筑分层处和中部第二夯筑分层处出现水平裂缝；加载至10 mm，底部水平裂缝贯通的同时伴随墙皮脱落，随着位移增加，在草绳的拉结作用下，墙体出现自下而上的斜裂缝；加载至15 mm 时，墙体在水平裂缝和斜裂缝共同作用下被分割为若干大块，破坏裂缝呈“V”字形，加载结束。破坏时墙体内部草绳断裂，如图4（e）、图4（f）所示。对比各试件破坏图分析可知：

（1）墙体夯筑分层处水平贯通裂缝是其脆性破坏的主要原因，水平裂缝产生的主要原因是墙体底端弯矩作用而产生的上拔力，上拔力使墙体在其较为脆弱的夯筑分层处出现水平裂缝，导致墙体被水平裂缝分割为上下2 块，造成破坏。

（2）内置草绳后，墙体夯筑分层处得到有效拉结，使墙体整体性得到提高，避免了水平裂缝的扩大延伸，进而墙体由水平裂缝破坏转变为剪切斜裂缝破坏。

3 试验结果分析

3.1 滞回性能

4 个试件的滞回曲线如图5 所示。曲线正值为推，负值为拉。试件加载初期，各墙体荷载和位移近似呈线性关系，曲线围成面积较小；达到峰值荷载时，滞环面积逐渐增大，表明墙体此时耗能较为显著；峰值荷载后，相同位移往复3 次加载中，最大水平力依次降低，承载力呈退化趋势。对比图5 可知：

图5 各试件滞回曲线Fig.5 Hysteresis curves of each specimen

（1）相较于W1 试件，内置草绳的试件（W2～W4）滞回曲线更为饱满，滞回环捏拢现象逐渐减弱。

（2）各内置草绳试件滞回曲线的饱满程度与草绳高度呈正相关性，且捏拢现象随着草绳高度增加得到明显改善。这是由于在加载过程中，草绳与墙体共同参与受力，从而增大夯筑分层处的粘结力，延缓其水平裂缝的延伸扩展，进而使其滞回环更加饱满。

3.2 骨架曲线

采用基于能量等效的理想弹塑性（EEEP）方法（ASTM，2007）定义结构的屈服荷载、屈服位移、延性系数。水平力达到最大值时为峰值点，水平力下降至峰值的85%时为极限荷载，若试件破坏时未达到极限荷载，则取最后一次加载的最大值为极限荷载。

表2 为各墙体试件特征点处力学参数，骨架曲线如图6 所示。结合图6 和表2 可知：

图6 各试件骨架曲线图Fig.6 Skeleton curves of specimens

表2 各试件特征点处力学性能参数Table 2 Mechanical property parameters at characteristic points of each specimen

（1）内置草绳的墙体试件（W2～W4）相较于无草绳的W1 试件承载能力、变形能力均有提升，其中W4 试件提升最大，其峰值荷载、极限荷载分别提升了108%和109.2%，峰值位移、极限位移分别提升了21.9%和35.6%；延性系数提高了1.45 倍。这表明内置草绳增加了墙体的整体性，从而使其承载能力和变形能力得到了更好地发挥。

（2）内置草绳的墙体试件承载能力、变形能力均表现为W4＞W3＞W2，其中W4 试件相较于W2 试件的峰值荷载、极限荷载分别提升了18.8%和56%，极限位移提升了16.1%，延性系数提升了15.3%。说明墙体承载能力和变形能力与草绳的高度呈正相关，这是因为随着草绳高度的增加，在各夯筑分层处均有草绳穿过，解决了夯筑分层处黏结较弱的问题，墙体整体性得到大幅提高，因此墙体的峰值荷载和极限位移得到提升。

（3）W2 试件水平承载力和变形能力相较于W3、W4 试件提升较小，原因是草绳高度仅为1/4 墙高，无法对墙体中部第二夯筑分层处产生约束作用，导致其水平裂缝贯通，承载力达到峰值荷载后下降较快。W3 和W4 试件峰值荷载、极限荷载及对应位移大小较为接近，在实际应用中，建议内置草绳高度大于1/2墙高。

3.3 耗能能力

墙体耗能能力通常使用加载过程中的等效黏滞阻尼系数来衡量。墙体的黏滞阻尼系数取决于其自身的开裂、破坏模式。通常把墙体出现第1 条裂缝时的阻尼系数定为开裂阻尼系数。各试验墙体特征点处等效黏滞阻尼系数如表3 所示。

表3 特征点处等效黏滞阻尼系数Table 3 Equivalent viscous damping coefficient at characteristic points

由表3 可知：

（1）整个加载过程中，各试件等效黏滞阻尼系数逐渐增大；W1 试件从开裂至破坏时的阻尼系数差值最小，这是由于墙体裂缝出现以后贯通较为迅速且裂缝间的摩擦力较小，墙体耗能能力尚未得到充分发挥。

（2）墙体从开裂到破坏，各内置草绳墙体试件（W2～W4）等效黏滞阻尼系数均高于无草绳的W1 试件，表明从墙体开裂至破坏的全过程中草绳均发挥了拉结作用，约束了墙体的变形，增大了各裂缝间的摩擦耗能作用，从而提高了墙体的耗能能力。

3.4 刚度退化

为反映试件在反复荷载作用下的刚度，以割线刚度来表示其有效刚度（中华人民共和国住房和城乡建设部，2015），为减少加载过程中其他因素的影响，以各阶段第1 次循环的割线刚度为基准。各试件的刚度退化曲线如图7 所示。

图7 各试件刚度退化曲线Fig.7 Stiffness degradation curves of specimens

由图7 可知：

（1）各内置草绳的试件（W2～W4）初始刚度接近（差值在0.5 以内）且均大于无草绳的W1 试件，表明内置草绳可拉结墙体，提升墙体整体刚度，但草绳高度的变化对墙体初始刚度影响不大。

（2）位移加载至4～10 mm 时，W3、W4 试件刚度接近，且大于W2 试件，说明草绳高度超过1/2 墙高时，能更加有效延缓墙体的刚度退化，这是因为随着草绳高度的增加，墙体各夯筑分层处均能得到有效拉结。

4 结论

本文主要以草绳含量和草绳埋置深度为参数，对4 片采用分层夯筑的夯土墙体缩尺模型进行了拟静力试验，得到了不同参数下墙体的破坏形态、承载能力、滞回性能等参数。通过对数据的分析比较，得到了内置草绳夯土墙体在抗震性能方面的卓越性。主要结论如下：

（1）相较于无草绳夯土墙，含草绳的墙体中，草绳可提升夯层薄弱处的黏结作用，提高了墙体的整体性，有效避免了墙体夯筑分层处的破坏。实际应用中，建议内置草绳高度大于1/2 墙高。

（2）内置草绳可提高分层夯筑墙体的承载能力和变形能力，且提升率与草绳高度呈正相关，相较于无草绳的墙体试件，其承载能力、变形能力分别提升75.2%～108.3%和16.8%～35.6%。

（3）对于采用分层夯筑的墙体，内置草绳可使其耗能曲线更为饱满，大幅提高墙体耗能能力；达到破坏荷载时，其等效黏滞阻尼系数范围为0.16～0.23。

（4）内置草绳可使分层夯筑墙体的初始刚度最大提升40%，且加载过程中其刚度始终高于无草绳的墙体。