石砌体材料力学性能研究

申抚兵 韩汤益

摘 要：【目的】以湘粵古驿道石拱桥——万岁桥为背景，进行相关室内试验、数据拟合分析研究，为明确石砌体材料的力学性能，尤其是压剪力学性能，以及老旧石拱桥承载力的准确评估提供参考和依据。【方法】参考实桥选择当地普通石灰岩石，制作原石、砌缝砂浆、石砌体等三类试件，进行轴心抗压、压剪试验研究。通过数据比对、归纳总结、拟合分析等方式研究砌缝厚度、侧压力等参数对石砌体材料力学性能的影响规律。【结果】原石抗压性能存在一定的离散性，可能是所用的石材内部存在缝隙、节理等；砌缝厚度、侧压力对石砌体试件的抗压性能、抗剪强度有较大影响，砌缝厚度越小抗压强度越高，侧压力越大抗剪承载力越高。【结论】侧压力是影响石砌体抗剪强度的重要因素，两者呈正相关，且符合摩尔库-伦理论特征，其数学关系可以通过数据拟合的方式进行确定。

关键词：桥梁工程；石拱桥；石砌体；压剪性能；单轴抗压

中图分类号：U411      文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）05-0059-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.012

Study on Mechanical Properties of Stone Masonry Materials

— Taking the Stone Arch Bridge of Ancient Post Road in Hunan and Guangdong as an Example

SHEN Fubing HAN Tangyi

（Municipal Engineering Northwest Design and Research Institute Co.， Ltd.， Lanzhou 730000， China）

Abstract： [Purposes] Based on the stone arch bridge of Xiangyue Ancient Post Road—Wansui Bridge， relevant indoor tests and data fitting analysis were carried out to provide reference and basis for clarifying the mechanical properties of stone masonry materials， especially the compressive and shear mechanical properties， as well as the accurate evaluation of the bearing capacity of old stone arch bridges. [Methods] Referring to the actual bridge and selecting local ordinary limestone， three types of specimens were made， including raw stone， joint mortar， and stone masonry， and axial compressive and shear tests were conducted; Through data comparison， summary and fitting analysis， the influence of joint thickness， lateral pressure and other parameters on the Strength of materials performance of stone masonry is studied. [Findings] There is a certain degree of dispersion in the compressive performance of the raw stone， which may be due to the presence of gaps， joints， etc. inside the stone used; the thickness of masonry joints and lateral pressure has a significant impact on the compressive performance and shear strength of stone masonry specimens， which shows that the smaller the thickness of masonry joints， the higher the compressive strength， and the greater the lateral pressure， the higher the shear bearing capacity. [Conclusions] Lateral pressure is an important factor that affects the shear strength of stone masonry. The two have a positive linear relationship and comply with the characteristics of Mohr-Coulomb theory. Its mathematical relationship can be determined through data fitting.

Keywords： bridge engineering; stone arch bridge; masonry; compression shear performance; uniaxial compression

0 引言

湘粤古道连接湖南与广东二省，南起广东省韶关市乐昌市坪石镇水牛湾，北至湖南省郴州市郴州裕后街。其中湖南境内部分南起宜章县南关街三星桥，也称“九十里大道”和“骡马古道”。在这条古道上，分布有万岁桥、玉仙桥等大量石砌体拱桥。桥梁造型优美，反映了地方文化特色，是地方自然文化遗产的重要组成部分［1-3］。2011年1月24日公布的湖南省第九批省级文物保护单位名单中，湘粤古驿道的“万岁桥”“王仙桥”名列其中。由于上述古桥大多基于地方工匠的经验建造，缺少相关设计资料，且服役年限超过百年，承载力评定面临较大难题，给相关管理部门的运维管理带来了较大难题［4-6］。因此，有必要研究历史石拱桥的实际承载力，为该类桥梁的管养、保护、加固和维修提供参考和依据。

目前，国内石拱桥承载力主要依据《公路圬工桥涵设计规范》［7］进行评定，该文件仅列出了一般石砌体的部分物理力学参数，并没有具体到特定砌体结构上，只能作为参考。从结构体系来看，石砌拱桥的主要结构构件为主拱圈，由砌石与砌缝周期排布组成。砌石之间只能承受压力和剪力，具有明显的非匀质、各向异性特点。砌体材料性能，尤其是砌缝的界面力学性能对石拱桥的极限承载力及其破坏形态有较大影响［8］。因此，明确砌体材料的力学性能是准确评估石拱桥力学性能的前提。

目前，国内关于石砌体材料力学性能的研究还相对较少，尚未形成符合石拱桥实际受力特性的石砌体本构关系。但部分研究学者的成果可为该领域的研究提供参考和借鉴。汪劲丰等［9］对杭州某古石拱桥承载力进行了计算研究，提出采用多折线本构模型来描述砌缝界面剪应力—滑动位移关系，但研究中未考虑砌缝法向压力对抗剪强度的影响。刘士林等［10］开展了多组石料的材料试验，研究了石料的轴心受压、偏心受压和抗剪性能，为类似试验的研究提供了思路。上述研究中均未考虑砌缝法向压力对抗剪强度的影响，可能导致材料试验结果与实际情况不符。

鉴于此，本研究以湘粤古驿道石拱桥——万岁桥为例证，通过室内试验、数学归纳等方法重点研究石砌体材料各项力学性能，分析砌缝厚度等参数对力学性能的影响规律，提出考虑侧压力影响的石砌体材料抗剪强度计算公式，通过试验明确了相关参数，相关研究结果具有一定的参考意义。

1 工程概况

万岁桥，又名万寿桥，位于郴州北湖区石盖塘镇万寿桥村，是郴州城区裕后街南关上至宜章九十里大道上的一座重要桥梁。始建于公元前214年，历代均有修缮，1829年改建为石拱桥，主要采用当地普通石灰岩制作砌石。万岁桥系5孔等跨石拱桥，长约20 m，宽约5 m，采用青石砌筑，半圆形拱，桥券石横联砌置，桥面上铺砌2～3 m宽的石板。该桥是湘粤古道的标志性建筑，历代文献均有提及。

2 石砌体材料基本力学性能试验

为明确背景拱桥石砌体材料的基本力学性能以及法向侧压力作用下砌缝界面的抗剪强度，进而为桥梁承载力评估提供相关依据，本研究制作了原石、砌缝砂浆、石砌体三种试件，并基于所在单位的现有仪器设备进行了单轴压缩试验及不同法向压力下的剪切破坏试验。

2.1 原石、砌缝砂浆试验研究

2.1.1 原石单轴抗压试验。单轴抗压强度试验采用70 mm×70 mm×70 mm的标准立方体砌石，原石参考实桥选择当地普通石灰岩石制作，试件数量共6个。加载设备及现场加载情况如图1所示，加载结果见表1。试验结果表明，原石抗压性能存在一定的离散性，可能原因是由于所用的石材内部存在缝隙、节理等。

2.1.2 砌缝砂浆强度试验。砌缝砂浆采用70 mm×70 mm×70 mm的标准立方体试件，共两组，每组3个，参考《建筑砂浆基本性能试验方法》并基于实桥真实情况设計配合比，养护28 d，抗压强度计算公式见式（1）。

2.2 石砌体试验研究

石砌体试验研究重点关注其单轴抗压强度、抗剪强度以及法向侧压力对抗剪强度的影响规律。

2.2.1 石砌体单轴抗压试验。石砌体单轴抗压试件尺寸为150 mm（长）×100 mm（宽）×300 mm（高），由三块砌石、两道砌缝组成，考虑三种砌缝厚度（5 mm、10 mm、20 mm）。单轴抗压强度试验采用RYL600剪切流变仪进行，加载方案如图2所示，不同砌缝厚度试件的试验结果如图3所示。试验结果表明，砌缝厚度对砌体材料的抗压强度、弹性模量有较大影响，砌缝厚度越大，强度和弹性模量越低；反之，则越高。

2.2.2 石砌体压剪试验。选择砌缝厚度为10 mm（与万岁桥砌缝厚度一致）的石砌体试件进行压剪试验，加载试验方案如图4所示。试验过程中考虑8种不同侧压力（1.0 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa、3.5 MPa、4.0 MPa、4.5 MPa、5.0 MPa）进行剪切试验，加载速度控制在200 N/s。砌缝处的剪应力通过式（2）进行计算。

加载过程中，通过设备内嵌的高精度传感器反馈侧压力、加载剪力及变形数据，相关试件结果如图5所示。结果表明，剪应力—剪切位移曲线具有明显的两段线特征：①线弹性段。剪应力—剪切位移曲线线性增长至抗剪强度；②塑性阶段。该阶段剪应力稳定在一个数值且不随剪切位移发生变化，当剪切变形达到极限值时试件突然失效。此外，侧压力对石砌体试件的抗剪强度有较大影响，侧压力越大抗剪承载力越高。

抗剪强度随侧压力变化曲线如图6所示。由图6可知，石砌体构件抗剪强度与侧压力呈正相关，符合摩尔-库伦理论特征，可以通过式（3）进行表示。

式中：[c]为砌缝的黏聚力；[μ]为砌缝抗剪摩擦系数；[σn]为与砌缝垂直的法向正应力，受压为负，受拉为正。根据拟合结果，砌缝厚度为10 mm的石砌体试件黏聚力系数[c]为0.082 MPa，砌缝抗剪摩擦系数[μ]为0.473。

3 结论

本研究以湘粤古驿道石拱桥——万岁桥为背景，进行了相关室内试验、数据拟合分析，重点研究石砌体材料各项力学性能，分析了砌缝厚度等参数对力学性能的影响规律，提出了考虑侧压力影响的石砌体材料抗剪强度计算公式，并明确了相关参数，得出以下结论。

①石砌体材料的剪应力—剪切位移曲线具有明显的两段线特征：线弹性段和塑性阶段。前一阶段剪应力—剪切位移曲线线性增长至抗剪强度；后一阶段剪应力稳定在一个数值且不随剪切位移变化，当剪切变形达到极限值时试件突然失效。

②砌缝厚度对砌体材料的抗压强度、弹性模量有较大影响，砌缝厚度越大，强度和弹性模量越低；反之，则越高。

③ 侧压力对石砌体试件的抗剪强度有较大影响，侧压力越大抗剪承载力越高，两者呈正相关，且符合摩尔-库伦理论特征，可以通过数据拟合的方式进行确定。

参考文献：

［1］田云跃.湖南轻型石拱桥的变迁［J］. 湖南交通科技，1995， 21（1）： 23-25，33.

［2］卓维松，徐行军.石拱桥加固前后的动力特性对比分析［J］. 湖南工程学院学报（自然科学版），2022， 32（4）： 84-89.

［3］陈芳.石拱桥病害成因分析与处治方法［J］.交通世界， 2023 （15）： 165-168.

［4］齐鹏飞.基于AHP和FCE的在役石拱桥技术状况评估［D］.西安：长安大学， 2019.

［5］杨娜，滕东宇.藏式石砌體在剪-压复合作用下抗剪性能研究［J］.工程力学， 2020， 37（2）： 221-228.

［6］杨震轩，张航，毕伟.单箱多室箱梁桥腹板剪力分配分析［J］.城市道桥与防洪，2021（9）： 64-66.

［7］中华人民共和国交通部.公路圬工桥涵设计规范：JTG D61—2005［S］.北京：人民交通出版社， 2005.

［8］李亮.旧石拱桥设计荷载等级提升的承载力评定［J］.山西交通科技，2023（3）： 87-91.

［9］ 汪劲丰，林建平，徐荣桥.基于黏聚区域模型的石拱圈承载力分析方法研究［J］.计算力学学报， 2013， 30（6）： 841-848.

［10］刘士林，向中富.特大跨径石拱桥研究与实践［M］.北京：人民交通出版社， 2006.