毛石墙抗压设计计算方法与抗震结构的优化

黄 源 胡 昕 徐 磊 强梦芸 欧亚洲 陈俊杰

（中国建筑第八工程局有限公司，上海 200120）

0 引言

新常态下，矿山产业开始转型升级，矿产资源开始减少，甚至枯竭，我国各地出现大量矿山废弃地，导致当地的环境生态结构与功能退化，严重制约着区域经济、社会、生态的可持续发展。南京汤山矿坑公园项目是住建部和国土资源部“城市双修”试点工程，其前身是汤山山体最大的废弃矿坑——龙泉采石场。经过20多年的开采，龙泉采石场现场遗留了大量的采石废弃物，如何变废为宝，将这些废弃天然毛石重新加以利用，成为汤山矿坑公园开发过程中的一大难题。

毛石墙是用乱毛石或平毛石与水泥砂浆或混合砂浆砌筑而成。毛石墙的转角可用平毛石或料石砌筑，毛石墙的厚度不应小于350mm。国内目前对毛石墙相关设计方法的研究很少，对其抗压性能的分析及如何提高抗震性能的研究基本没有。本文在国外相关研究[1]的基础上，建立一种建筑毛石砌体设计强度的计算方法，以此增加EPC项目对毛石墙设计方面的掌控程度，同时，通过设计一种新型的优化的毛石墙抗震系统，来增加毛石墙作为外墙时的整体安全性，为类似的工程设计提供参考依据。

1 毛石墙砌筑施工形式

毛石是岩石经爆破后所得形状不规则、未经加工的石块，也称乱石，一般块头较大(300mm以上）。毛石主要用于砌筑建筑物的基础、填方、勒角、墙身、挡土墙、堤岸及护坡，还可以用来浇筑片石混凝土。图1为国内目前常见的几种毛石墙砌筑施工形式，分为干石砌体、砂浆无垫层砌体和粗石砌体。干石砌体采用的毛石要求较高，形状规整，通常需要另外采购专门的毛石，造价高昂；砂浆无垫层砌体对毛石形状的需求稍微降低，但仍需人工现场打凿；粗石砌体采用砂浆进行缝隙填充，对毛石材料本身的要求较低。

图1 常见的毛石墙砌筑施工工艺形式

2 毛石墙抗压性能理论研究

2.1 现有设计方法验证

国内目前鲜有对毛石墙抗压强度的理论研究，通过对国外文献的查询，发现类似的碎石砌体抗压强度计算公式如下[2]：

式中：

R u——整个砌体抗压强度，kgf/cm2；

R1——填料（碎石）的抗压强度，kgf/cm2；

R2——砂浆的抗压强度（立方强度），kgf/cm2；

A——根据以下公式确定的砌体结构系数：

式（1）中γ是根据碎石和砂浆强度不同而考虑的系数，根据以下公式确定：

表1为A·Shishkin教授的强度试验结果分析，公式（1）～（3）在毛石强度和砂浆强度都较高时失效。因此，当根据公式（1）进行计算时，如果毛石的强度或者砂浆强度较高时，从安全性考虑，最好假设将其强度降低来考虑。

表1 强度试验结果分析

从表1可以看出，试验数据与根据公式（1）～（3）计算的理论数据的最大偏差达到21.8%。同时，设计值并没有考虑强度储备及施工影响。因此，毛石砌体的抗压强度仅取决于毛石和砂浆强度的设计公式，不能准确反映所研究的相关性，无法对设计产生指导意义。

2.2 修正设计方法

为了增加计算公式的适用性，对其进行修正。结构材料的基本设计特性由结构可靠性的建议确定[3]。材料的设计轴向抗压强度根据强度标准值确定，同时考虑材料的相应安全系数及其预期用途γn(Yn：)

由此可知，不考虑预期用途安全系数的材料安全系数确定如下：

根据至少0.95的可靠性条件指定标准材料强度值：

其中S是材料极限强度的均方偏差。材料的设计强度是根据至少0.9986的可用性条件指定的：

根据表1中试验结果计算，该变异系数最大值为21.8%，平均值为11%。安全性材料系数在1.04～1.84的范围内变化很大。考虑到试验数据量小，强度分布参数范围广，毛石砌体的变化系数可能等于20%，安全系数取2.0。预期用途考虑操作条件等因素的单层结构，取0.8。

因此，建筑用毛石砌体的设计强度可根据以下优化后公式进行计算：

3 抗震性能创新的毛石墙

汪源等[4]对粗石砌体形式的毛石墙的抗震性能进行了研究，从其研究结果来看，毛石墙与传统砌体结构的抗震性能类似，在低周往复荷载下都呈现出沿对角的剪切破坏，且滞回环易出现捏缩效应，构件耗能能力降低，大块石砌筑的构件破坏突然，无明显的塑性破坏阶段[5]。本项目部分外墙为毛石砌筑而成，需要增加其整体抗震性能，从美观角度考虑，由于毛石墙外部通常不进行任何粉饰，采用传统的圈梁构造柱影响效果；从适用性上考虑，粗石砌体毛石墙的横缝和竖缝都不是直的，钢筋无法从缝内穿过。基于以上几点考虑，决定采用型钢内嵌的形式对毛石墙的抗震性能进行创新，图2所示即为抗震性能创新的毛石墙的具体构造。

图2 抗震性能创新的毛石墙构造示意图

4 结束语

本文在对当前毛石墙砌体抗压承载力计算方法的基础上，提出一种基于可靠的的毛石墙抗压强度设计计算方法，并针对毛石墙具体的施工工艺及做法提出了相关建议，后续可利用有限元软件对粗石砌体毛石墙进行受力分析，验证公式的准确性。本文还针对项目的特殊情况，设计研发了一种新型的优化的抗震毛石外墙，适用于需要考虑抗震的建筑物，增加毛石墙的整体刚度。