毛石墻抗壓設計計算方法與抗震結構的優化

黃 源 胡 昕 徐 磊 強夢蕓 歐亞洲 陳俊杰

（中國建筑第八工程局有限公司，上海 200120）

0 引言

新常態下，礦山產業開始轉型升級，礦產資源開始減少，甚至枯竭，我國各地出現大量礦山廢棄地，導致當地的環境生態結構與功能退化，嚴重制約著區域經濟、社會、生態的可持續發展。南京湯山礦坑公園項目是住建部和國土資源部“城市雙修”試點工程，其前身是湯山山體最大的廢棄礦坑——龍泉采石場。經過20多年的開采，龍泉采石場現場遺留了大量的采石廢棄物，如何變廢為寶，將這些廢棄天然毛石重新加以利用，成為湯山礦坑公園開發過程中的一大難題。

毛石墻是用亂毛石或平毛石與水泥砂漿或混合砂漿砌筑而成。毛石墻的轉角可用平毛石或料石砌筑，毛石墻的厚度不應小于350mm。國內目前對毛石墻相關設計方法的研究很少，對其抗壓性能的分析及如何提高抗震性能的研究基本沒有。本文在國外相關研究[1]的基礎上，建立一種建筑毛石砌體設計強度的計算方法，以此增加EPC項目對毛石墻設計方面的掌控程度，同時，通過設計一種新型的優化的毛石墻抗震系統，來增加毛石墻作為外墻時的整體安全性，為類似的工程設計提供參考依據。

1 毛石墻砌筑施工形式

毛石是巖石經爆破后所得形狀不規則、未經加工的石塊，也稱亂石，一般塊頭較大(300mm以上）。毛石主要用于砌筑建筑物的基礎、填方、勒角、墻身、擋土墻、堤岸及護坡，還可以用來澆筑片石混凝土。圖1為國內目前常見的幾種毛石墻砌筑施工形式，分為干石砌體、砂漿無墊層砌體和粗石砌體。干石砌體采用的毛石要求較高，形狀規整，通常需要另外采購專門的毛石，造價高昂；砂漿無墊層砌體對毛石形狀的需求稍微降低，但仍需人工現場打鑿；粗石砌體采用砂漿進行縫隙填充，對毛石材料本身的要求較低。

圖1 常見的毛石墻砌筑施工工藝形式

2 毛石墻抗壓性能理論研究

2.1 現有設計方法驗證

國內目前鮮有對毛石墻抗壓強度的理論研究，通過對國外文獻的查詢，發現類似的碎石砌體抗壓強度計算公式如下[2]：

式中：

R u——整個砌體抗壓強度，kgf/cm2；

R1——填料（碎石）的抗壓強度，kgf/cm2；

R2——砂漿的抗壓強度（立方強度），kgf/cm2；

A——根據以下公式確定的砌體結構系數：

式（1）中γ是根據碎石和砂漿強度不同而考慮的系數，根據以下公式確定：

表1為A·Shishkin教授的強度試驗結果分析，公式（1）～（3）在毛石強度和砂漿強度都較高時失效。因此，當根據公式（1）進行計算時，如果毛石的強度或者砂漿強度較高時，從安全性考慮，最好假設將其強度降低來考慮。

表1 強度試驗結果分析

從表1可以看出，試驗數據與根據公式（1）～（3）計算的理論數據的最大偏差達到21.8%。同時，設計值并沒有考慮強度儲備及施工影響。因此，毛石砌體的抗壓強度僅取決于毛石和砂漿強度的設計公式，不能準確反映所研究的相關性，無法對設計產生指導意義。

2.2 修正設計方法

為了增加計算公式的適用性，對其進行修正。結構材料的基本設計特性由結構可靠性的建議確定[3]。材料的設計軸向抗壓強度根據強度標準值確定，同時考慮材料的相應安全系數及其預期用途γn(Yn：)

由此可知，不考慮預期用途安全系數的材料安全系數確定如下：

根據至少0.95的可靠性條件指定標準材料強度值：

其中S是材料極限強度的均方偏差。材料的設計強度是根據至少0.9986的可用性條件指定的：

根據表1中試驗結果計算，該變異系數最大值為21.8%，平均值為11%。安全性材料系數在1.04～1.84的范圍內變化很大。考慮到試驗數據量小，強度分布參數范圍廣，毛石砌體的變化系數可能等于20%，安全系數取2.0。預期用途考慮操作條件等因素的單層結構，取0.8。

因此，建筑用毛石砌體的設計強度可根據以下優化后公式進行計算：

3 抗震性能創新的毛石墻

汪源等[4]對粗石砌體形式的毛石墻的抗震性能進行了研究，從其研究結果來看，毛石墻與傳統砌體結構的抗震性能類似，在低周往復荷載下都呈現出沿對角的剪切破壞，且滯回環易出現捏縮效應，構件耗能能力降低，大塊石砌筑的構件破壞突然，無明顯的塑性破壞階段[5]。本項目部分外墻為毛石砌筑而成，需要增加其整體抗震性能，從美觀角度考慮，由于毛石墻外部通常不進行任何粉飾，采用傳統的圈梁構造柱影響效果；從適用性上考慮，粗石砌體毛石墻的橫縫和豎縫都不是直的，鋼筋無法從縫內穿過?；谝陨蠋c考慮，決定采用型鋼內嵌的形式對毛石墻的抗震性能進行創新，圖2所示即為抗震性能創新的毛石墻的具體構造。

圖2 抗震性能創新的毛石墻構造示意圖

4 結束語

本文在對當前毛石墻砌體抗壓承載力計算方法的基礎上，提出一種基于可靠的的毛石墻抗壓強度設計計算方法，并針對毛石墻具體的施工工藝及做法提出了相關建議，后續可利用有限元軟件對粗石砌體毛石墻進行受力分析，驗證公式的準確性。本文還針對項目的特殊情況，設計研發了一種新型的優化的抗震毛石外墻，適用于需要考慮抗震的建筑物，增加毛石墻的整體剛度。