生土基材料和生土砖砌体单轴受压本构关系研究及应用

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1、分类号:TU36110710-2014028002博士学位论文生土基材料和生土砖砌体单轴受压本构关系研究及应用仲继清导师姓名职称王毅红教授申请学位类别工学博士学科专业名称结构工程论文提交日期2018年4月17日论文答辩日期2018年6月5日学位授予单位长安大学StudyandApplicationonConstitutiveRelationshipforEarthmaterialandMechanicalCompressedearthBrickMasonryADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorCandidate：ZhongJ

2、iqingSupervisor：Prof.WangYihongChang’anUniversity,Xi’an,China摘要生土结构作为传统村落民居的一个重要组成部分，在世界各地留存广泛，其凭借节能环保、经济能耗低、热工性能优越等优点受到世界各国土木工程领域学者的关注。但生土结构相关规程标准和计算理论的缺失，不仅导致已建生土建筑抗震性能差，而且严重阻碍了新时代生土建筑的发展。准确获取生土材料的强度、掌握生土材料及其构件的应力-应变特性是建立生土结构相关标准和计算理论的基础。在国家“十二五”科技支撑计划课题（2014BAL06B04）支持下，为探索生土材料及其构件的力学特

3、性、提高传统土坯结构房屋的抗震性能，本文做了如下工作：（1）研究生土基材料的轴心受压力学性能。对130个生土基块材进行单轴抗压试验，分别考虑了制样方法、试件形状、加载速率、养护时间、土料选取对生土基材料受压力学性能的影响，得到生土基块材的特征点参数和应力-应变曲线。通过对所得曲线进行分析，发现生土基材料受压应力-应变曲线存在初始下凹段，该重要特点有别于混凝土和烧结普通砖等材料，是单轴受压状态下生土基材料的应力-应变重要特性。（2）建立生土基材料本构关系。基于试验所得应力-应变曲线，并总结国内外现有生土基材料本构关系的不足之处，按分段函数的形式提出生土基材料的统一本构模型。

4、该模型克服了已有本构方程存在的缺陷，能够真实的反映出生土材料的单轴受压应力-应变特性，而且通过参数变化可适用于各类生土基材料。（3）解决机制生土砖的粘结问题。机制生土砖力学性能好、表面光滑且具有较强的吸水性，与传统泥浆和普通砂浆无法产生有效粘结。采用纤维素醚、胶粉及粉煤灰作为掺料对普通砂浆进行改性，并通过拉伸粘结试验测试各类改性砂浆的力学性能，获得了一种可与机制生土砖产生有效粘结的专用砌筑砂浆，并且所研制的专用砂浆获得国家专利的授权。（4）研究机制生土砖砌体的基本力学性能。分别对采用所发明的砂浆砌筑的机制生土砖砌体进行了单轴抗压试验和沿通缝抗剪试验，考虑砂浆种类及强度等级

5、、砌筑方式、生土砖表面隔水剂等对砌体抗压性能和沿通缝抗剪性能的影响，结合破坏形态对受压砌体和受剪砌体的破坏机理进行分析。基于机制生土砖块材本构关系的特点建立了机I制生土砖砌体的单轴受压损伤本构模型，该本构模型可较好的描述机制生土砖砌体单轴受压应力-应变曲线各阶段的特点，为墙体的理论计算和数值模拟提供依据。（5）研究机制生土砖墙体的抗震性能。通过对7片墙体进行低周反复荷载作用下的拟静力试验，研究机制生土砖墙体在地震作用下的破坏形态、滞回曲线和骨架曲线、水平承载力和变形能力、耗能能力以及刚度退化等抗震性能。研究结果表明：机制生土砖墙体主要发生剪压和剪摩破坏，其承载能力远远高于

6、传统土坯墙体。同时，基于本文提出的砌体本构关系和《砌体结构设计规范》（GB50003-2011）中公式对墙体的抗剪承载力进行了计算，计算结果与试验数据吻合较好，进一步说明本文所提出的砌体本构关系可用于机制生土砖墙体的理论计算。本文依次从块材、砌体、墙体三个层面对生土基材料及生土构件的力学性能进行了研究。揭示了生土基材料的受压应力-应变特性，提出了生土基材料统一本构模型，解决了机制生土砖的粘结问题，讨论了机制生土砖砌体的破坏机理，建立了机制生土砖砌体的单轴受压损伤本构模型。为探索生土材料及生土结构的力学特性提供了思路，研究结果获得国家发明专利的授权，完成了国家“十二五”科技

7、支撑计划课题的约束性指标，为合理的使用生土材料和科学的建造生土结构房屋奠定了基础。关键词：生土基材料；本构关系；专用砂浆；机制生土砖砌体；单轴受压损伤本构模型；生土墙体抗震性能本论文得到以下项目的资助：国家十二五科技支撑计划课题（2014BAL06B04）“传统村落保护规划与技术传承关键技术研究”IIAbstractEarthstructureiswidespreadallovertheworldasanimportantpartoftraditionaldwellings,itattractstheattentionofre