甘肅武都典型夯土民房承重墻體抗剪強度試驗研究①

徐舜華，王蘭民，王 強，袁中夏

（1.中國地震局地震預測研究所蘭州創新基地，甘肅 蘭州 730000；2.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

我國是遭受地震災害最為嚴重的國家之一，地震破壞大多數發生在農村地區，地震造成的死亡人員近60%為農村人口［1］。目前我國約有6.5億農村人口居住在地震烈度Ⅵ度的地震危險區［2］。由于農村經濟發展水平較低，防災意識不強，還存在大量抗震性能較差的生土類房屋。據調查，在2008年汶川8.0級地震中生土建筑農房多達80%倒塌或成為危房，是造成農村地區人員重大傷亡的直接原因［3］。

夯土墻體承重房屋是生土類民房的一個重要類型，其在西北地區，尤其甘肅省農村地區占有較大比例，并在將來一段時間仍然會大量存在。這些抗震性能差的農房的存在給人民生命財產造成了巨大的安全隱患［4－5］。甘肅省武都農村地區廣泛使用夯土墻體承重房屋，是甘肅省夯土民房的典型代表地區。在汶川8.0級地震中，這類生土房屋損害嚴重，也造成了相當數量人員的傷亡。

夯土民房墻體的抗震性能的試驗研究相對土坯墻體民房要少。王毅紅等［6］、譚冠平［7］、李德榮等［8］曾對西安、昆明和蘭州的夯土墻體進行過抗震強度試驗研究，提出了相應地區的夯土墻體抗震性能評價。依據試驗結果與經驗可知，由于各地區使用的夯土土料不盡相同，夯土墻體強度存在較大的差異性。本文在汶川8.0級地震的影響背景下，通過實驗對甘肅省隴南強震區廣泛使用的夯土民房墻體進行抗震性能研究，提出抗震能力評價和加固建議，以有效地提高其抗震強度，減少災害損失。

1 試驗設計

夯土墻體強度試驗使用土料均來自武都地區，為當地常用夯土土料，夯土中未添加任何摻合料，完全按照當地施工工藝夯筑墻體。參考當地夯土墻體的典型尺寸，試驗夯土墻體尺寸設計為1 600mm×900mm×300mm，按同樣的施工方法，同時夯筑2片墻體試件進行比較試驗。墻體夯筑完成后放置半年，充分晾干后才進行試驗。晾干后夯土墻體參數平均值見表1。

表1 夯土墻土工試驗結果

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device.

待墻體晾干后，吊裝在圖1所示裝置上，再利用千斤頂給墻體頂部施加一定大小的力（參考當地屋頂重量），力通過一塊鋼板施加到墻體頂部，用來模擬屋頂的重量。然后對夯土墻體模型施加水平低周水平往復荷載，進行偽靜力試驗，模擬墻體在實際結構的受力狀態下抵抗水平往復荷載作用的能力，同時利用墻體兩側安裝的位移傳感器測量墻體變形，圖2為加載示意圖。加載方式為力與位移混合控制，力控制為每級加載增量為4kN，每級低周往復實現3個循環，直至破壞。1號墻體上覆壓力為10 kN，2號為18kN。

圖2 夯土墻體試驗加載示意圖Fig.2 Loading test sketch of rammed earth wall.

2 試驗結果分析

2.1 墻體破壞過程與破壞形態

試驗發現兩片墻體試件從開始加載水平荷載直到破壞，均經歷了彈性、彈塑性和大變形破壞三個階段，都表現出了剪切破壞的形態特征，見圖3、圖4。圖中A、B表示墻體一側，數字代表裂縫出現順序。

圖3 1號夯土墻體破裂形態Fig.3 No.1rammed earth wall fracture morphology.

圖4 2號夯土墻體破裂形態Fig.4 No.2rammed earth wall fracture morphology.

從墻體試件破壞過程可以看出，前期夯土墻體主要是局部出現水平裂縫和少量斜裂縫，隨后，在往復荷載的作用下，在前期裂縫的基礎上裂縫不斷加寬、延伸，并且墻體沿裂縫開始出現微小滑移，最后階段前期裂縫沿水平和傾斜兩個方向貫通整個墻體，并且伴隨有新的與水平交叉的斜裂縫出現，當貫穿整個墻體時，墻體即達到極限狀態，最終墻體碎裂成幾個較大的塊體，失去承載力。

兩片墻體破壞過程非常相似，裂縫發展規模卻不盡相同。2號墻體前期出現的水平裂縫長度較短，并在往復荷載的作用過程中，裂縫加寬、延伸的長度也較1號墻體為短，發展速度更慢，這從裂縫出現的序號當中可以看出來。主要原因是施加在2號墻體的上覆荷載較1號墻體為大所致。

夯土墻體A面與B面裂縫的發生與發展基本是對稱的，這說明沿墻體厚度方向夯筑比較均勻，這對研究墻體的整體抗震性能是有利的。

2.2 墻體水平承載力

夯土墻體試件在水平荷載作用下開裂荷載和極限荷載見表2。從表中可以看出，因施加的豎向荷載不同，兩面墻體試件的開裂荷載與極限荷載隨著上覆荷載的增加得到了很大的提升。隨著豎向荷載從10kN增加到18kN，2號墻體的開裂荷載和極限荷載分別增長了217%和359%。

2.3 墻體變形能力

從1號墻體的骨架線（圖5（a））可以看出，在水平加載的正反兩個方向位移呈現不對稱分布，在第一次位移平臺后，在反向荷載達到10kN以上時（正向荷載大于4kN），位移開始出現急劇增長，墻體破壞后位移出現小幅回彈。

表2 墻體試件在水平荷載作用下開裂荷載和極限荷載

從2號墻體骨架線（圖5（b））可以看出，由于上覆荷載的增加，大致消除了墻體位移變形不對稱的狀況，第一次位移平臺出現以后，在正向荷載大于31.97kN時，位移出現急劇增長，并在墻體最終破壞時，未出現位移反彈現象，說明墻體完全貫通破壞。

從最終墻體破壞以后變形（表2）來看，在水平往復荷載的作用下，夯土墻體破壞時出現了較大的變形，其中2號墻體的極限頂點位移較1號墻體減小了30%，體現了豎向荷載的影響。

圖5 墻體骨架曲線Fig.5 Skeleton curves of rammed earth walls.

2.4 滯回曲線分析

從夯土墻體滯回曲線可以看出，由于破壞形態大致相同，2片墻體荷載－位移滯回曲線具有一些相同的特點。當水平荷載小于初裂荷載時，荷載－位移滯回曲線一個加載循環所形成的滯回環面積較小，說明墻體表現出明顯的彈性變形特性，此時墻體處于彈性階段；當施加荷載達到初裂荷載后，墻體出現第一條斜裂縫，墻體進入彈塑性工作階段，滯回曲線形成滯回環，面積逐步增大；隨著荷載的增加，新的斜裂縫不斷出現，原有裂縫不斷加寬、延伸，并伴隨有新裂縫出現，墻體剛度逐漸退化，水平荷載產生的主拉應力形成斜裂縫。

在墻體變形后期，墻體達到開裂荷載后，由滯回曲線上每級位移的兩次循環可以看出，后次循環的峰值均略小于前次循環，表現出墻體強度和剛度均略有退化。施工薄弱部位的水平裂縫發展并逐漸貫通，水平抗力則主要由水平裂縫處的剪摩阻力提供。由于墻體裂縫張合明顯，滯回環面積逐漸增大，直至不能形成閉合，最后墻體貫通、破壞。

從圖6（a）可以看出，1號夯土墻體達到其開裂荷載10kN后，滯回環面積開始逐漸擴大，當荷載達到15kN峰值以后，再繼續施加的水平往復荷載逐漸下降，同時滯回環面積繼續擴大，位移不斷增加，荷載卻開始下降。

圖6 墻體滯回曲線Fig.6 Hysteretic curves of rammed earth walls.

從圖6（b）可以看出，2號夯土墻體達到其開裂荷載31.97kN后，滯回環面積開始逐漸擴大，當荷載達到68.95kN峰值以后，再繼續施加的水平往復荷載逐漸下降，同時滯回環面積繼續擴大，位移不斷增加，荷載卻開始下降。

除了極限位移變形和水平開裂、破壞荷載不同外，1號墻體水平承載力具有明顯的不對稱性，而2號墻體在水平正反兩個方向的承載力則大致相同，可能為上覆壓力增加減小了這種不對稱性。

3 影響夯土墻體抗震性能因素分析與加固建議

3.1 抗震性能分析

影響夯土墻體強度的因素有很多，主要有材料、上覆壓力、施工質量等幾個方面。

（1）夯土墻材料的影響

夯土墻體材料直接影響墻體的承載能力。墻體材料的強度越高，墻體的承載力越大。作為甘肅省典型夯土民房的代表，武都農村地區的土料具有其區域特色，見表3。并且，在夯筑墻體過程中不加入任何摻合料，完全是素土墻體，含水量則隨著時間的延長降低到1%以下。本次試驗中，因涼干時間較正常民房層墻體短很多（當地夯土房屋經過幾十年甚至上百年的風干），含水量未能降低到1%以下，可能對墻體強度有一定影響。

表3 武都夯土房屋土料顆粒含量

（2）上覆壓力的影響

從2個墻體試件的試驗結果來看，上覆壓力對墻體抗剪承載力有較大影響，在一定范圍內，墻體豎向壓應力越大，抗剪承載力越高。本次試驗由于豎向壓力大的2號墻體試件水平抗剪強度明顯高于1號墻體試件。

（3）夯土墻體薄弱接縫位置

從墻體破壞形態來看，施工方法及施工質量對夯土墻體水平抗剪強度有非常顯著的影響。夯土層間接縫處及同一水平面上兩板垂向接縫處是夯土墻施工的薄弱環節，墻體試件最終破壞都是由于墻體兩板接縫處開裂、貫通造成的，最終整個墻體碎裂成塊狀。層間接縫處形態可見圖7，夯土墻體在汶川地震中的破壞形態見圖8。

夯土墻體抗剪強度實質是土的抗剪強度問題，可用土體抗剪強度庫倫－摩爾準則表示：

斜面上的抗剪強度可簡化為

式中［τ］為墻體水平截面的抗剪強度；c為粘聚力；σY為截面處所受的正壓應力；φ為內摩擦角。

在忽略夯土墻體試件薄弱接縫的條件下，利用公式（2）計算可得墻體抗剪強度，與試驗所得抗剪強度的比較見表4。計算中，c與φ值取自表1。

圖7 夯土墻體層間接觸形態Fig.7 Interlayer contacts of rammed earth wall.

圖8 汶川地震中武都夯土墻體碎裂倒塌Fig.8 Rammed earth wall collapsed fragmentation in Wudu during Wenchuan earthquake.

表4 夯土墻體抗剪強度比較

從表4中可以看出，開裂強度與極限強度總體上較忽略夯土墻體試件薄弱接縫的條件下計算所得墻體抗剪強度為小，說明在施工過程中產生的夯土層間接縫是夯土墻體的應力薄弱部位，是最容易發生破壞的位置。兩個墻體試件抗剪強度的理論計算值幾乎相同，是因為在忽略夯土墻體薄弱接縫的條件下，其抗剪強度理論上與夯土塊體相同，在達到一定強度后夯土墻體受上覆荷載的影響在減小。試驗中，2號墻體試件的極限強度超出了計算值，可能的原因是設計的上覆壓力值過大，導致墻體壓密所致。

3.2 加固建議

經過2008年汶川8.0級地震的浩劫，甘肅省隴南地區在政府重建資金的幫助下，大量遭到破壞的夯土民房得到了修繕或者重建為現澆磚房。在未來一段時間內，大量建造新的夯土民房機會較小。著眼于現存夯土民房的加固而不是通過改造施工工藝建房是比較務實的做法；同時還要考慮加固夯土民房的經濟性。

根據此加固改造思路，夯土材料不可改造，而該地區屋頂重量（上覆壓力）基本是一定的，通過增加構造柱則會產生較大的經濟負擔。這樣，加固的唯一途徑，就是通過加固夯土墻體的薄弱接縫處來增強墻體的水平承載力。

基于以上分析，本文建議利用具有一定強度的鐵絲網（對于經濟條件較好的家庭可使用熱鍍鋅鋼絲網，以加強網罩的耐腐蝕性）來雙面加固夯土墻體，鐵絲網價格便宜，市場上有各式各樣的成品。主要做法是，清除原有墻體表面抹泥，把鐵絲網緊緊貼于墻面，在均勻分布的點上用鐵釘（或者采用φ4低碳冷技鋼筋變成90°角）把鐵絲網固定到墻面上，鐵釘打入土墻深度不小于10cm，間距可采用80cm，呈梅花狀布置，表面用草泥進行抹面處理。這樣做的主要用意是利用鐵絲網把整個夯土墻體“捆”成一個整體，把墻體的強度轉換為鐵絲網＋墻體的強度，除了有效增加夯土墻體強度外，這樣做還有一個好處，在墻體碎裂時可以保證墻體不倒塌，能夠有效保護人員生命安全。需要注意的是，鐵釘不能太短，太短就不能把鐵絲網的強度施加到墻體上，鐵釘也不宜過長、過密，可能會破壞墻體的自身強度。

4 結論

（1）承重夯土墻在低周水平反復荷載作用下發生剪切破壞，破壞由水平剪力在墻體夯土層間水平和垂向接縫處形成的水平裂縫和斜裂縫控制，隨著裂縫的加寬、加長，斜裂縫與水平裂縫相交、貫通，墻體就達到了剪切破壞的極限狀態，最終碎裂成塊體，失去承載力，這是造成人員傷亡的最主要原因。

依據夯土墻體破壞接觸面的分析，以及通過夯土墻體抗剪強度計算比較，也可以得到夯土墻體應力薄弱部位為夯土層間接觸縫的結論。可以說，施工工藝（或者夯筑結構）決定了夯土墻體的破壞方式與破壞狀態。

（2）夯土墻體變形能力受豎向荷載影響較大。隨著上覆壓力的增加，墻體極限變形量在減小，增加了墻體的彈性。

（3）夯土墻體抗剪強度受豎向荷載影響較大。隨著上覆壓力的增加，墻體的開裂荷載、極限荷載得到了較大幅度的增長，有利于提高墻體抗震能力。

（4）夯土墻體的不對稱性會大大降低墻體的抗剪強度。

（5）使用具有一定強度的鐵絲網來加固現存夯土民房承重墻體，是一種針對夯土墻體薄弱部位的加固改造方法，對于經濟不發達的農村地區來講，也是一種方便、經濟、有效的加固方法。

［1］王蘭民，林學文.農村民房抗震理論與技術［M］.蘭州：甘肅科學技術出版社，2006.

［2］中國地震動參數區劃圖（GB18306－2001）［S］.北京：中國標準出版社，2001.

［3］任祥道.透過“5.12”汶川地震思考農房抗震［J］.四川建筑，2008，28（4）：6－7.

［4］石玉成，王蘭民，林學文.黃土生土建筑震害預測研究［J］.西北地震學報，2004，26（3）：206－211.

［5］王峻.黃土地區農村民房生土建筑土墻體材料抗震性能的試驗研究［J］.西北地震學報，2005，27（2）：158－162.

［6］王毅紅，蘇東君，劉伯權，等.生土結構房屋的承重夯土墻體抗震性能試驗研究［J］.西安建筑科技大學學報，2007，39（4）：451－456.

［7］譚冠平.云南農村民居典型土筑墻基本力學試驗研究［D］.昆明：昆明理工大學，2007.

［8］李德榮，黎海南，陳丙午.甘肅農村土墻承重平房抗震性能的試驗研究［J］.工程抗震，1987，（3）：14－19.