《Engineering Structures》：Shear capacity of unstabilised earth masonry walls: Experimental investigation of failure modes and comparison with analytical models
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：土砌体作为一种低排放建筑体系重新引起了人们的关注，但其在结构尺度上的面内抗剪性能仍未得到充分量化，难以满足设计需求。本研究通过试验与解析相结合的方法，对非稳定承重土砌体墙开展了系统研究，填补了这一空白。研究采用ESECMaSE型试验装置（欧洲砌体结构安全性与
：土砌体作为一种低排放建筑体系重新引起了人们的关注，但其在结构尺度上的面内抗剪性能仍未得到充分量化，难以满足设计需求。本研究通过试验与解析相结合的方法，对非稳定承重土砌体墙开展了系统研究，填补了这一空白。研究采用ESECMaSE型试验装置（欧洲砌体结构安全性与高效建造技术），在竖向预压与水平荷载的受控组合条件下完成了九片足尺抗剪墙体试验。配套材料试验在实验室气候条件下进行，使含水率效应能够在结果解释中被明确纳入考虑。所有试验均成功诱导出剪切破坏。根据竖向预压与砌块搭接长度的不同，墙体分别表现出摩擦型灰缝破坏、砌块受拉破坏及剪压破坏。试验结果建立了特征抗剪承载力包络线：承载力首先随正应力水平线性增长，其控制机制为灰缝滑移；随后达到由砌块抗拉强度控制的峰值；最后随受压砌体压溃的加剧而下降。含水率对受压与受拉强度的依赖效应被证明是合理解释试验结果的关键。将试验峰值荷载与主导破坏模式同基于力学的解析模型——Mann/Müller（1978）及其后续扩展模型——进行对比，二者总体吻合良好；在计入含水率效应后，试验值与计算值的平均比值为1.05。结果表明，针对传统砌体建立的力学抗剪设计方法原则上可推广至土砌体，前提是含水率敏感的材料性能参数得到充分考量。
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一、研究背景与问题
土砌体作为一种以低排放、循环利用、美观和经济为特征的建造技术，近年来受到越来越多的关注。然而，现行针对非稳定土砌体的设计标准对抗剪性能的规定极为有限。德国、秘鲁、澳大利亚、墨西哥及ASTM标准均未涉及受剪墙体的设计条款，新西兰标准虽提供了相关条文，但仅为一种简化且高度保守的Mohr-Coulomb型方法。与此同时，德国土砌体设计标准DIN 18940已允许建造至四层高的建筑，且抗压强度等级达5.0 MPa的砌块已实现商业化供应。这一现状凸显了土砌体结构潜力与设计规范之间的明显脱节。
传统砌体（如硅酸盐砖、黏土砖或混凝土砌块砌体）的抗剪性能已在大型国际研究计划中得到广泛研究，并形成了以Mann/Müller理论为核心的力学解析设计模型。该理论认为，抗剪承载力由四种不同的破坏机制控制，随竖向预压水平递增依次为：砌块倾覆破坏、摩擦型灰缝破坏、砌块受拉破坏和剪压破坏。该模型假定剪力仅通过水平灰缝传递，忽略竖缝中的应力，由此得到控制各破坏模式的砌块尺度特征应力状态。Simon/Graubner对模型进行了可变搭接长度扩展，J?ger/Sch?ps引入了塑性重分布机制，Kranzler则基于数值验证和最新试验发现对荷载与应力分析进行了进一步细化。基于上述发展，包括欧洲、加拿大、美国、澳大利亚在内的多数国际设计标准均采用了以摩擦和受拉破坏机制为主的抗剪验算方法，而德国国家附录则明确纳入了全部四种破坏模式。
然而，现有关于土砌体抗剪性能的试验研究主要局限于简单的对角受压试验，其结果多为摩擦型灰缝破坏，且研究重点集中于传统土坯结构的加固技术。其他研究则主要关注传统土砌体的抗震性能，强调动力荷载下的整体响应，而非基本的面内抗剪承载力及相应的破坏机制。迄今为止，尚无针对非稳定土砌体的系统性足尺抗剪试验发表，使Mann/Müller四种破坏模式无法得到系统评估。因此，本研究旨在填补这一基础性研究空白，通过遵循ESECMaSE程序的足尺土砌体墙试验，系统表征各主导剪切破坏模式下的承载力、裂缝形态与变形行为，并首次评估力学设计方法对土砌体的适用性。
二、研究内容与结论
研究人员开展了九片足尺承重土砌体墙的抗剪试验，试验遵循ESECMaSE程序，并辅以小尺度材料试验以提供一致的材料参数。墙体在力控制的恒定竖向荷载与单调递增的水平位移共同作用下进行测试。根据竖向预压水平和砌块搭接长度的不同，试验设计覆盖了三种目标破坏模式：低竖向荷载（N=30–130 kN）配合半砖搭接以诱发摩擦型灰缝破坏；中等竖向荷载（N=180–280 kN）配合半砖搭接以诱发砌块受拉破坏；高竖向荷载（N=280–380 kN）配合四分之一砖搭接以诱发剪压破坏。砌块倾覆破坏因与所用砌块几何条件不符而未予考虑。
试验结果表明，所有九片墙体均成功实现了剪切破坏。摩擦型灰缝破坏表现为贯穿墙体的阶梯形裂缝，荷载-变形曲线在达到峰值后出现平台段，表明存在由滑动摩擦提供的恒定残余承载力。砌块受拉破坏表现为垂直于砌块长轴方向的细微裂缝，在角部区域因应力集中而密度增大，峰值荷载仅能维持短暂时间后即发生突然倒塌。剪压破坏集中于主压应力最高的墙脚区域，水平灰缝压碎并解体，伴随平行于墙体纵轴的裂缝和端面剥落，破坏前可见损伤仅在接近峰值荷载时才出现，随后呈现脆性后峰值退化。
试验建立的抗剪承载力包络线呈现典型的先升后降趋势：承载力随正应力增加而增长，达到由砌块抗拉强度控制的峰值后随压溃机制主导而下降。低竖向预压墙体表现出更高的变形能力和残余抗剪承载力，而高预压墙体变形能力降低，破坏更为脆性。所有墙体的近倒塌位移均超过DIN EN 1998-1/NA对砌体规定的位移能力限值。
将试验峰值荷载与主导破坏模式同Mann/Müller及其扩展解析模型进行对比，结果表明二者总体吻合良好。在计入含水率效应后，试验值与计算值的平均比值为1.05，证实了力学抗剪设计方法原则上可推广至非稳定土砌体，前提是含水率敏感的材料性能参数得到充分考量。
三、关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：ESECMaSE型足尺墙体抗剪试验装置，可实现竖向荷载与水平位移的独立控制并调节弯矩分布；数字图像相关技术用于墙体表面全场应变与位移测量；DIN标准框架下的材料表征试验，涵盖砌块与砂浆的抗压强度、弹性模量、泊松比、直接抗拉强度及初始抗剪强度和摩擦系数；基于Mann/Müller理论及其扩展的解析模型用于试验设计与结果对比；含水率因子M用于将标准气候条件下的材料性能换算至实际实验室气候条件。
四、研究结果
4.1 材料特性
配套材料试验在平均七天内相对湿度35.5%的实验室气候下进行。与50% RH标准气候下的参考值相比，砂浆抗压强度提高8.5%，砌块提高17.6%，砌体提高13.5%。这些增幅与含水率因子预测的14.5%增幅高度吻合。实测砂浆初始抗剪强度为0.028 N/mm2，摩擦系数为0.97，动摩擦系数为0.77。
4.2 破坏模式与变形
九片墙体全部实现剪切破坏。W1–W3在最低竖向预压水平下发生摩擦型灰缝破坏，表现为阶梯形裂缝，荷载-变形曲线在峰值后出现平台段。W4–W6由砌块受拉破坏控制，表现为垂直于砌块长轴的细微裂缝，峰值荷载后迅速倒塌。W7–W9呈现剪压破坏特征，裂缝集中于主压应力最高的墙脚区域，灰缝压碎解体伴随纵向劈裂。低预压墙体表现出更高的变形能力和残余承载力，高预压墙体则呈现脆性破坏特征。
4.3 抗剪承载力
试验结果呈现典型的抗剪破坏包络线：承载力随正应力增加而增长，在W5（N=230 kN）达到峰值119.82 kN后随剪压破坏主导而下降。弯矩分布因子ψ对W1–W6计算抗剪承载力的影响不超过约1%，对W7–W9的影响约为8–14%。
五、讨论与结论
解析评估表明，Mann/Müller型力学框架能够合理预测非稳定土砌体墙的抗剪承载力与主导破坏模式。试验值与计算值的平均比值为1.05，证实了力学抗剪设计方法在充分考虑含水率敏感材料性能的前提下可推广至土砌体。这一发现为土砌体抗剪设计规范的完善提供了重要的试验与理论依据。
