建筑工程干砌毛石墙体原貌加固技术及抗震性能研究_李鹏飞.pdf

石材2 0 2 3 年2 期 103 石 材S H I C A I施工安全建筑工程干砌毛石墙体原貌加固技术及抗震性能研究李鹏飞（山西建筑工程集团有限公司，山西 太原 0 3 0 0 0 0）作者简介：李鹏飞（19 8 6），男，山西汾阳人，工程师。研究方向为建筑工程施工管理干砌毛石墙体在实践应用中表现出整体性差、抗震性能不佳、抗剪性能不足等问题。为提高此类建筑物的抗震设计水平，需探索有效的加固技术，同时保留建筑物墙体原貌。可用的技术路径较为丰富，需借助试验对比加固性能，确定最佳技术方案。一、建筑工程干砌毛石墙体砌筑工艺及病害特征（一）砌筑工艺传统的建筑墙体砌筑工艺利用灰浆、水泥砂浆粘接砌体材料，形成墙体结构。干砌毛石墙体的特点为不使用粘接材料，将较为平整、规则的毛石作为砌体，利用石垫片控制砌体的标高，形成错缝搭接的形制。垫片不仅用于找平，还可填补墙体上的竖向缝隙。但毛石来自自然环境，未经过精细化的加工和切割，其平整度、规则性相对较差，导致干砌毛石墙体上出现较多的缝隙1。由于未使用砂浆、灰浆等塑性粘接和填缝材料，墙体结构的整体性相对较差。（二）病害特征1.墙体基础不牢，易变发生变形、倾斜。干砌毛石砌筑工艺主要应用于山区的民居，建房时就地取材，民居较为低矮，基本为单层结构，因而对地基要求较低，毛石可作为基础加固垫层。这种地基工艺存在稳固性不足的问题，下方基土可能会出现不均匀沉降，导致毛石基础松动，对墙体产生影响，易出现墙体变形、倾斜的现象。2.墙体缝隙逐步扩大，造成漏风、漏雨。干砌毛石墙体的横向、纵向缝隙随地基变化逐渐增大，导致房屋漏风、漏雨现象加剧。这一问题与墙体施工工艺密切相关。毛石的平整度与现代建材存在较大的差距，难以消除接茬部位的缝隙。在实地调研中发现，部分山区居民并未完全遵循传统的干砌毛石砌筑工艺，使用水泥砂浆对墙体进行了勾缝处理。3.整体性差，难以满足抗震要求。地震会导致墙体产生加速度，干砌毛石工艺在地基加固、粘接措施方面都存在缺陷，造成此类建筑物抗震性能较差。鉴于此，应对既有干砌毛石建筑物实施加固，提高其抗震性。二、干砌毛石墙体原貌加固技术及抗震性能试验（一）原貌加固技术原貌加固技术指不改变建筑物既有面貌，同时达到加固目的，干砌毛石建筑物原貌加固技术主要采用两类措施。1.墙体注浆加固。注浆加固是将现代化的灌浆材料注入干砌毛石的缝隙内，待其凝固之后将毛石胶结在一起，使原本松散的结构转变为具有较高强度的整体性结构，技术要点如下。（1）清除抹灰层及封边。为了提高干砌毛石房屋的舒适性和美观性，通常在其内墙涂抹麻刀灰，填充内墙的缝隙。在注浆加固之强需清除此类抹面材料，因为其耐久性较差，常出现开裂和脱落。清除方法为低压水淋洗，必要时可使用工具刮除。以优质水泥浆液涂抹室内墙体面层，防止注浆时漏浆2。另外，墙体内已经松动失效的石垫片亦可同步清理。DOI:10.14030/ki.scaa.2023.0064 104 STONE 2 0 2 3 No.2施工安全（2）插管注浆。插管的长度通常设计为30c m，可根据干砌毛石墙体的厚度适当延长。待墙体内部封边完成后，按照标高从下到上实施注浆。每一层设置若干个注浆孔（墙体缝隙），水平孔距为20c m 到30c m。制备注浆材料时应突出流动性，以便浆料完全填充缝隙。2.室内补强技术。除注浆加固外，还需针对室内面层设计补强措施。从抗震的角度看，室内补强的主要作用为提高干砌毛石墙体的抗拉性能，借助复合纤维、加筋材料等提升其整体性。砌体结构加固技术规范（G B 50702-2011）（以下简称规范）推荐了多种成熟的砌体加固施工工艺，包括钢筋混凝土面层加固法、外包型钢加固法、外加预应力撑杆加固法等。综合对比各类施工工艺对建筑物原貌的影响程度，研究中采用规范推荐的钢筋网水泥砂浆面层加固技术，该方法具有多种加固类型，涵盖受压加固、抗剪加固和抗震加固3。结合研究目的，采用抗震加固技术路径,以下介绍该方法的应用及实施要点。（1）设计抗震受剪承载力。该指标对砌体墙的抗震性能具有重要的影响，其验算方法如下。（1）式中表示干砌毛石墙体的抗震调整系数，通常取值为0.9。表示加固后的抗震受剪承载力，其计算方法参见规范中6.3.2的公式及参数。VM E表示墙体加固之前的抗震受剪承载力。V 代表考虑抗震性能的墙体剪力设计值。（2）抹灰找平及铺网抹面。整体施工方案将注浆加固与室内补强技术相结合，待注浆施工完成后，对室内墙体进行抹灰找平。由于干砌毛石的平整度、保护层的厚度控制在15m m 以上。（二）抗震性能试验1.设置对照组根据加固技术方案，设置四组试验墙体结构，互为对照，具体情况如下。试验组：不做任何加固措施，采用传统干砌毛石墙体砌筑工艺，记为试件1；试验组：只采用室内钢筋网水泥砂浆面层加固技术，不进行注浆加固，记为试件2；试验组：只进行墙体注浆加固，不采用钢筋网，记为试件3；试验组：综合运用墙体注浆加固和室内钢筋网面层加固，记为试件4。2.制备试件（1）试件结构尺寸。根据实地调研结果，选用此类建筑物的山墙作为各试件的几何模型，宽度为1.8 m，高度为1.4m，墙体厚度设计为0.44m，其中包括40m m 的抹灰层。四个试件的施工工艺存在一定的差异，最终形成的结构特点如表1所示。（2）试件施工材料控制。制作试件使用的施工材料包括干砌毛石、面层水泥砂浆、灌浆料以及钢筋。为了避免施工材料对抗震性能试验造成干扰，需采用统一的标准控制各类材料的质量。石材控制要求。检测石材的抗压强度、抗拉强度以及表面平均高差。抗拉强度需控制在2.1M Pa 到3.4M Pa 之间。抗压强度要求不低于75M Pa，同时不应高于110M Pa4。毛石表面的平整度采用凹凸深度进行描述和判断，需通过式（2）计算表面平均高差。（2）式中将模具的边长记为ml，测量区域的长和宽分别记为l 和b。将毛石装在模具中，向模具中充填砂表 1 各试件实测几何尺寸试件编号墙体宽度（m m）墙体高度（m m）墙体厚度（m m）高宽比试件118 0114944410.8 3试件218 0914084430.78试件318 0714094450.78试件418 1114104470.78规则性较差，无法直接在室内墙面上铺设钢筋网，故进行抹灰处理，利用铅垂线检测抹灰层的平整度。将预制好的钢筋网挂在抹灰层表面，然后进行抹面处理。抹灰找平和抹面施工采用相同标号的水泥砂浆，水泥砂浆的强度等级采用M 20，抹面石材2 0 2 3 年2 期 105 石 材S H I C A I施工安全砾，通过检测填充砂砾的平均厚度获取_h。对比值与规范要求，确定平整度是否达标。面层水泥砂浆。干砌毛石墙体内表面抹面施工统一采用M 20水泥砂浆，四组试件采用相同批次的砂浆，按照砂浆性能试验的技术方法进行检测。灌浆料。统一试验用灌浆料，重点突出浆料的强度等级和流动性。按照灌浆料设计方法制备标准试件，检测其强度等级。钢筋。室内面层钢筋网加固采用H R B 400型钢筋，试验之前对钢筋的屈服强度、抗拉强度、直径、屈强比等参数进行检测。钢筋分为两种规格，横纵向分别采用 6和 8 规格。3.开展抗震试验（1）试验装置。试验基础设施为反力墙、地梁。主要仪器包括M TS作动器、千斤顶、位移计等。将试件提前固定于地梁上，地梁的两端分别布置千斤顶，确保其在试验过程中不发生任何位移。作动器依靠反力墙提供支撑力，另一端作用于试件墙体，利用位移计检测墙体的位移量。（2）载荷加载方式。建筑物抗震性能试验需遵循国家规范，具体参见建筑抗震试验规程（JG J/T 101-2015），加载过程分为多个阶段。预加载。这一阶段的主要作用为检测试验装置、仪器设备是否正常，沿着水平方向施加载荷，最大作用力为1k N。正式加载。M TS作动器与试件上端相连，既可施加推力，又可施加拉力，从而有效模拟地震作用。每一次循环需包括推、拉两种模式，作用力逐级提升。干砌毛石墙体施工材料为天然块石，墙体整体性不同于钢筋混凝土结构，其在推拉过程中的屈服点难以判断。因此，实验载荷的级差判断依据为试件开裂时的位移量，为了便于区分，位移量按照四舍五入取整。每一个级别的载荷重复进行三次试验。一旦发现试件受力破坏并坍塌，或者M TS动作器受到的试件反作用力突然下降为峰值的8 5%,表明试件失效，应结束针对该试件的试验。试验过程检测。试验墙体裂缝检测方法。裂缝通常由小变大，为了便于观测，在墙体表面涂抹白色灰浆。按照边长10c m 设置黑色网格线，从而精准定位裂缝的生成位置。裂缝宽度检测使用数字化仪器，如JW-CK 102检测仪。试验墙体变形检测方法。载荷加载于试验墙体的上部，受高度影响，通常上部的变形大于中下部。沿着墙体与地面垂直的方向部署4个位移计（型号为D H 38 16），精确观测墙体上不同高度的位移情况，将其作为判断形变程度的量化依据。4.结果分析（1）试件1的抗震性能分析。设置试件1的主要目的为揭示普通干砌毛石墙体的抗震特性，从而与三种加固方案形成对照，确认加固方法是否提升了抗震性能。根据试验数据绘制了4种性能评价曲线，包括滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线和承载力退化曲线。在不采取任何加固措施的情况下，试件1的滞回曲线类似一个平行四边形结构，表明其整体性较差。骨架曲线与试件1在加载时的水平位移相关，该曲线的检测结果显示试件1的抗剪性能较差。刚度是墙体结构的重要性能指标，随着载荷的增加，墙体刚度逐步下降直至接近于0。当墙体刚度下降为4.2k N/m m 时，载荷达到最大值。承载力退化曲线用于描述试件1在试验过程中的抗震承载力退化情况，该指标的退化系数平均值为0.97，说明试件1在地震情况下不易出现抗震承载力退化的现象5。（2）加固试件的抗震性能分析 四个试验组的滞回曲线对比分析。通过对比四个试件的滞回曲线，发现试件2、试件3和试件4的包络面积均大于试件1，由此说明三种加固方法均能提高干砌毛石墙体在地震作用下的消能水平，有利于墙体抗震。其中试件4的包络面积最大，说明其抗震性能最强。四个试验组的骨架曲线对比分析。对比分析四种骨架曲线可知，试件2、试件3和试件4的初始刚度均强于试件1。四种墙体的极限变形性能出现了明显的分层，其变形能力按照从强到弱的顺序依次为试件 106 STONE 2 0 2 3 No.2施工安全4、试件3、试件2、试件1。该指标的提升有利于强化抗震性能。可见，试件4的加固方案效果最佳。四个试验组的刚度退化曲线对比分析。图1汇总了四种试件的刚度退化曲线，结合曲线及试验数据，发现与试件1相比，试件4的初始刚度比试件1高出2.51倍，试件2高出了2.52倍，试件3高出了2.64倍。表明三种加固方式均能有效提高干砌毛石墙体的刚度性能，并且提升幅度基本持平。刚度（k N/m m）位移（m m）图1 试件刚度退化曲线四个试验组的承载力退化曲线对比分析。通过四个试件的承载力退化曲线计算出相应的承载力退化系数，按照1、2、3、4的顺序，其值分别为0.97、0.8 8、0.96、0.99。说明试件4性能最佳，试件3与未加固的试件1基本持平。三、结语干砌毛石砌体施工工艺主要应用于民居，但其在抗震性能上表现欠佳。根据相关技术规范，选择以墙体缝隙注浆、内部面层设置钢筋网的方式进行加固，通过试验对比该加固方案与注浆加固、钢筋网面层加固的抗震表现。试验结果表明该加固方案优于另外两种，墙体的刚度、极限变形能力、承载力退化系数均得以提升。参 考 文 献1 朱远浩,周天,苏文庭,阙志斌.既有整毛石砌体墙的墙体加固 技术分析J.大众标准化,2 0 2 2（0 3）:7 9-8 1.2 孙宏伟,贾艳艳,王少杰,初开丹,王计栋.基于原貌保护的干 砌毛石墙体抗震加固试验研究J.工程抗震与加固改造,2 0 2 2,44（0 1）:16 0-16 9.3 孙宏伟,贾艳艳,王少杰,倪韦斌,殷志凯.现存干砌毛石墙抗 震性能试验与原貌保护策略J.工程抗震与加固改造,2 0 2 1,43 （0 2）:117-12 4.4 林拥军,周畅,杨敏润,肖恬煦,杨兵.强烈地震下农村砌体结构 墙体重要性与抗震评定J.建筑科学与工程学报,2 0 2 1,3 8 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