李子奇，李蒙恩

（1．蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2．蘭州交通大學 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

夯土是世界上最古老的建筑技術(shù)之一，生土建筑傳統(tǒng)在不同的地區(qū)持續(xù)了數(shù)千年。夯土施工因其低碳排放、經(jīng)濟可行性、更好的美學、熱性能和當?shù)夭牧系目捎眯远艿饺藗兊年P(guān)注。但未經(jīng)改良的生土材料強度低，抗震、抗災害能力較低，影響了生土材料的推廣與應用，需要對生土材料適當?shù)馗牧?，使其可以用于?chuàng)建安全、高效、持久的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

天然纖維長期以來一直被用于傳統(tǒng)（非水泥穩(wěn)定）夯土施工，纖維的存在通過控制裂縫開口和改善載荷分布來提高混凝土開裂后的力學性能。

本文以改善土料的性能為切入點，以甘肅蘭州地區(qū)的黃土為土料，在生土中摻入水泥、聚丙烯纖維，研究這2種材料改性生土的改性機理和效果，并通過研究摻5%水泥和1.5%、1.8%、2.1%聚丙烯纖維的3種墻體，確定聚丙烯纖維的合理摻量。進行擬靜力試驗，研究摻入水泥、聚丙烯纖維改性夯土墻體的抗震性能。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥：祁連山水泥廠，P·O42.5水泥；聚丙烯纖維：直徑48 μm、長19 mm、抗拉強度400 MPa、彈性模量3500 MPa，市售；生土：甘肅蘭州地區(qū)的黃土；水：自來水。聚丙烯纖維和混合料如圖1所示。

1.2 試件制作

試驗的原型為蘭州農(nóng)村生土住宅承重夯土墻，墻體試件尺寸為1600 mm×1150mm×200 mm，試件編號及基本參數(shù)見表1。

表1 試件編號及基本參數(shù)

利用擊實試驗獲得的各種土料的最佳含水率灑水拌土均勻。水泥在夯筑前與黃土拌合均勻，并在30 min內(nèi)用完并夯筑成型，隨用隨拌防止水泥硬化。聚丙烯纖維應當與夯土充分拌合均勻后，再灑水拌合。夯筑前，測試并將含水率控制在最佳含水率的±1%以內(nèi)。搗固采用D9搗固機，按先兩邊后中間的順序進行搗固。每層夯擊次數(shù)不少于3次，夯擊至10 cm左右。搗固完成后，為了加強分層處的粘結(jié)，對表面進行鑿毛處理，深度在20～30 mm灑水濕潤，再空鋪第2層土，直至模板內(nèi)剩余位置搗實。夯筑流程及示意如圖2所示。

1．3 加載和測試方案

擬靜力試驗使用10 t電液伺服作動系統(tǒng)施加水平荷載，在加載過程中用位移控制，級差為0.5 mm，每級循環(huán)3次，加載速率為0.2 mm/s，使用反力架施加豎向荷載，加載時通過兩端的力傳感器控制豎向力。試驗裝置如圖3所示。

測試的主要項目包括墻體的水平位移、剪切變形和墻體平面外變形。測點編號及布置見圖4。位移計1、2、3分別測試墻體頂部、中部和底部的水平位移；位移計4測試基礎的滑移；位移計5、6測試墻體的剪切變形；位移計7、8測試墻體平面外變形。

2 試驗過程與破壞現(xiàn)象

為了便于在試驗中觀察裂縫，加載前在墻面涂石灰，各試件整體破壞形態(tài)見圖5。

由圖5可見：

（1）加載開始后，試件st在△=1.0 mm（△為加載位移）時，出現(xiàn)的第1條裂縫是位于試件角底部的水平裂縫；△=3.5 mm時，試件中部出現(xiàn)第2和第3條水平裂縫，試件右上角出現(xiàn)第4條不規(guī)則斜向下的裂縫；△=5.5mm時，試件角底部和中部水平裂縫擴展貫通變寬，試件角底部和中部形成第5條裂縫，同時底部墻趾處破壞；△=7.5 mm時，試件底部中間突然出現(xiàn)第6條豎向裂縫，向上與中部水平裂縫貫通，隨后繼續(xù)向上發(fā)展與上部第7條水平裂縫貫通，墻角嚴重脫落。

（2）試件sn與試件st的破壞過程基本相同，只是裂縫出現(xiàn)時加載位移稍大。在△=7.5mm時試件上部出現(xiàn)第6條水平裂縫，△=8.5 mm時，試件底部中間突然出現(xiàn)第7條豎向裂縫（見圖6），向上與中部水平裂縫貫通，在中部突然出現(xiàn)豎向和斜裂縫，與水平裂縫貫通后，試件馬上破壞，荷載下降至極限荷載的85%以下時，停止加載。

（3）加載開始后，試件xw1.5在△=2.5 mm時的第1條裂縫是位于試件角底部的水平裂縫；△=3.5 mm時，試件角底部水平裂縫貫通，貫通后再中部發(fā)展成斜裂縫，中部出現(xiàn)第3條不規(guī)則斜裂縫；△=5.5 mm時，試件中部出現(xiàn)第4條水平裂縫；△=7.5 mm時試件上部水平裂縫出現(xiàn)，作動器兩頭出現(xiàn)不規(guī)則的水平和豎向裂縫，底部水平裂縫擴展貫通變寬，裂縫最寬時達11mm；△=9.5mm時，試件角部出現(xiàn)斜裂縫并向上發(fā)展，與中部第4條水平裂縫貫通，底部水平裂縫處出現(xiàn)相對滑動△=11.5mm時，試件角部斜裂縫向上發(fā)展與上部的第7和第8條斜裂縫貫通，底部水平裂縫處出現(xiàn)相對滑動達12 mm，墻體傾斜，停止加載（見圖7）。

（4）加載開始后，試件xw1.8在△=3 mm時出現(xiàn)了第1條裂縫，是位于試件角底部的水平裂縫；△=3.5 mm時，試件角底部水平裂縫向中部貫通后，底部水平全部貫通；△=5.5 mm時，試件中部出現(xiàn)第3和第4條水平裂縫；△=7.5 mm時，試件上部出現(xiàn)第5和第6條水平裂縫，作動器處出現(xiàn)不規(guī)則的水平和豎向裂縫，底部和中部水平裂縫擴展貫通變寬；△=8.5 mm時，試件中下部第6條斜裂縫向上發(fā)展與中部第4條水平裂縫貫通；△=10 mm時，第7條斜裂縫向上發(fā)展與上部第6條水平裂縫貫通，底部和中部水平裂縫擴展貫通變寬，裂縫最寬時達13 mm，裂縫處形成塑性鉸（見圖8），在反復的加載過程中，裂縫處墻體反復抬升下落，有少量土塊剝落；△=12 mm時，試件中部豎向裂縫向上發(fā)展，與第4和第6條水平裂縫貫通，荷載下降至極限荷載的85%以下時，停止加載。

（5）試件xw1.8與試件xw2.1的破壞過程基本相同，中部出現(xiàn)水平裂縫后沒有貫通，發(fā)展成第5條斜裂縫?！?8.5 mm時，底部水平裂縫擴展貫通變寬，裂縫最寬時達13 mm，裂縫處形成塑性鉸在反復的加載過程中，裂縫處墻體反復抬升下落，有少量土塊剝落；在△=11.5 mm時，試件上部出現(xiàn)第6條斜裂縫，與第1和第4條水平裂縫貫通；△=12.5 mm時，出現(xiàn)第7條豎向裂縫，向上與第4條水平裂縫和第6條斜裂縫貫通；△=14 mm時，試件沒有出現(xiàn)新的裂縫，墻體在塑性鉸處有少量土塊剝落。荷載下降至極限荷載的85%以下時，停止加載。

夯土墻的破壞過程是沿夯筑分層處水平裂縫發(fā)展導致墻體出現(xiàn)滑移，墻角局部受壓破壞，最后試件底部豎向和斜向裂縫向上發(fā)展與上部水平裂縫貫通后試件破壞。夯土墻體破壞特點為墻體先受壓彎破壞，之后整體受剪破壞。夯土墻在水平接縫處的處理是夯筑的重點和難點，也是影響墻體破壞特征和抗震能力的重要因素，單一的處理方法效果較差，可以考慮“V”型分層夯筑，鑿毛處理，分層間加設拉筋等手段進行綜合處理。

分層處的水平裂縫最先出現(xiàn)在試件角底部，隨后在試件的中上部逐漸出現(xiàn)。試件角底部和中部水平裂縫擴展、貫通、變寬，同時底部墻趾處破壞，墻角嚴重脫落。試件st、sn底部水平裂縫處出現(xiàn)相對滑動。試件xw1.5、xw1.8、xw2.1的破壞過程基本類似，但在水平貫通裂縫處形成塑性鉸，在反復的加載過程中，墻體在裂縫處反復抬升、下落，有少量土塊剝落，主裂縫貫通后未出現(xiàn)大塊土體崩落的現(xiàn)象，依然具有一定的承載能力。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 水平荷載-位移曲線與骨架曲線

各試件的水平荷載-位移滯回曲線如圖9所示。各試件不同狀態(tài)時的荷載和位移見表2。

表2 各試件不同狀態(tài)時的荷載和位移

由圖9可知，試件st、sn、xw1.5、xw1.8、xw2.1的滯回曲線均存在一定的捏攏現(xiàn)象，是由于沿底部水平貫通裂縫的滑移造成的。試件st、sn的曲線面積較小，試件延性和耗能能力較差，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征，達到極限荷載后，墻體承載能力迅速下降。對比表2數(shù)據(jù)，試件sn的開裂荷載和屈服位移與試件st相比提高有限，但極限荷載提高了約一倍，說明摻入5%水泥能夠較顯著的提高墻體的強度，但抗裂性依舊較差。xw1.5試件正向推時沒有出現(xiàn)塑性平臺和下降段是因為墻體加載后期出現(xiàn)墻體傾斜，停止正向加載，改為負向加載。

試件xw1.5、xw1.8、xw2.1的開裂荷載分別為試件sn的1.85、2.57、2.67倍，極限荷載分別為試件sn的1.61、2.31、1.58倍，延性系數(shù)分別為試件sn的1.13、1.23、1.31倍，試件xw1.5、xw1.8、xw2.1到達極限荷載之后有一定長度的塑性平臺，滯回環(huán)飽滿且呈梭形，表現(xiàn)出更強的耗能能力。

各試件的骨架曲線如圖10所示。

由圖10可知，加筋之后試件的骨架曲線走勢基本相同，加載初期試件xw1.8曲線初始剛度最大，其極限荷載也最大，達58 kN，試件xw1.5和xw2.1曲線的初始剛度和極限荷載基本一致，試件xw2.1到達極限荷載之后的塑性平臺較長，延性較好。

由此可知，纖維的最佳摻量為1.8%～2.1%，可較好地提高墻體的抗裂性、強度和延性，顯著改善墻體的脆性破壞特征，在地震中即使試件破壞是也能夠保持較完整形態(tài)繼續(xù)工作，有利于抗震。

3.2 剛度退化（見圖11）

由圖11可見，5組試件的剛度退化趨勢和走向大致相同，試件xw1.5、xw1.8、xw2.1的剛度在加載的初始階段退化迅速，試件st，sn的剛度隨加載過程的退化減緩現(xiàn)象不明顯，近似于直線下降，說明摻入纖維對墻體剛度退化的改善較為明顯。這是由于聚丙烯纖維的拉結(jié)作用仍然具有一定剛度來抵抗地震力。尤其在4 mm位移后減緩趨勢隨著位移的增大而變得明顯，

試件sn、xw1.5、xw1.8、xw2.1的剛度退化曲線始終在試件st的上方，試件xw1.8的剛度最大，試件xw2.1的剛度退化在試件加載前期與試件xw1.8基本一致，3mm位移后剛度退化較快，這是由于土料拌合不均勻使墻體中存在空隙和初始裂縫造成的。建議在土料中摻入質(zhì)量占比為1.8%～2.1%的聚丙烯纖維。

3.3 能量耗散

各試件不同狀態(tài)時的阻尼系數(shù)如表3所示。

表3 各試件不同狀態(tài)時的阻尼系數(shù)

由表3可知，試件st的不同狀態(tài)時的阻尼系數(shù)最小，這是由于裂縫出現(xiàn)后迅速貫通且裂縫間的摩擦小，耗能能力較差。試件xw2.1的耗能能力最好，在試件出現(xiàn)裂縫后，隨著墻體位移增大，裂縫逐漸延伸變寬變長，纖維的拉結(jié)作用使得試件破壞時也能夠保持較完整的形態(tài)繼續(xù)工作，因此耗能增大。

4 結(jié)論

（1）夯土墻的破壞過程是沿夯筑分層處水平裂縫發(fā)展導致墻體出現(xiàn)滑移，墻角局部受壓破壞，最終發(fā)展出水平裂縫間的斜裂縫導致了試件的破壞。夯土墻體的破壞特點為墻體先受壓彎破壞，之后整體受剪破壞。

（2）未經(jīng)改良的素夯土試件強度較低，摻加5%水泥的夯土試件強度提高了近一倍，但都表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征，延性系數(shù)均小于2，在主裂縫發(fā)展貫通后試件就會破壞，抗震性能較差。

（3）通過擬靜力試驗可以得出，纖維的最佳質(zhì)量摻量為1.8%～2.1%，可較好提高墻體的抗裂性、強度和延性，顯著的改善了墻體的脆性破壞特征，并且對墻體剛度退化的改善效果較好，增強了墻體的塑性變形性能，提高了墻體的抗震能力，在地震中即使試件破壞也能夠保持較完整的形態(tài)繼續(xù)工作，有利于抗震。

（4）夯土墻在水平接縫處的處理是夯筑的重點和難點，也是影響墻體破壞特征和抗震能力的重要因素，單一的處理方法效果較差，可以考慮采用“V”型分層夯筑，鑿毛處理，分層間加設拉筋等手段進行綜合處理。