竖向预应力夯土墙及其施工方法与流程

本发明属于土木工程生土建筑加固技术领域，特别涉及一种竖向预应力夯土墙及其施工方法。

背景技术：

传统夯土建筑具有造价低廉，建造工艺简单，保温隔热性能好等优点，是典型的绿色环保建筑。但由于传统夯土墙施工技术通常采用逐层夯实，造成分层处粘结力较低，破坏形式与砌体结构水平灰缝处受剪破坏情况类似。因此，夯土墙在水平地震力作用下由于分层处抗剪承载力不足而容易发生剪切破坏，如何提高层间抗剪性能成为夯土结构改良的一个重要方向。

为了提高墙体层间抗剪性能，通常采取在夯筑分层处设置水平抗剪连接件，但由于抗剪连接件与上下层夯土间咬合力较小，抗剪效果并不显著。依据库仑理论可知，当受力单元体的某一平面上的剪应力τ达到某一限值时，材料沿该平面发生滑移破坏。使材料沿平面滑移的最大剪应力τu可以通过作用在该平面上的正应力σ，按下式计算：

τ≤τu＝c-μσ

式中：σ为受剪面上的正应力(设受拉为正)，粘聚力c和内摩擦系数μ都是只与材料有关的参数。因此在剪压复合应力状态下，当层间上的正应力值越大，材料越不容易沿层间截面产生滑动。因此，提高夯土墙的正压力值(也即沿竖向方向的作用力)，可提高夯土墙在分层处的抗剪承载力。

技术实现要素：

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种竖向预应力夯土墙及其施工方法，本夯土墙可增强夯土层之间的抗剪强度、可提高墙体的抗剪承载力，从而能够有效的避免横向通缝的形成，进而可增强夯土墙的抗震性能；本夯土墙的施工方法简单、操作性强。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

竖向预应力夯土墙，其特征在于：包括墙基础、夯土主体和竖向预应力施加结构；

在墙基础上从一端至另一端方向设置有多组向上伸出的预埋螺栓，其中位于两端的两组预埋螺栓为构造柱连接用预埋螺栓，其余预埋螺栓为预应力件连接用预埋螺栓；

所述竖向预应力施加结构包括两个构造柱、多组预应力构件及压顶梁；两个构造柱支撑于墙基础上靠近两端的位置，且分别通过两组构造柱连接用预埋螺栓、与预埋螺栓配合的螺母与墙基础形成固定连接，在两个构造柱的上端部各设置有竖向设置的连接豁口；所述压顶梁设置两个构造柱之间的夯土墙顶部位置，在压顶梁的两端设有预留螺栓孔，通过穿装在两个构造柱的连接豁口与压顶梁对应端的预留螺栓孔内的连接螺栓、与连接螺栓配合的螺母使压顶梁与两端的构造柱固连为一体；预应力构件的组数与预应力连接用预埋螺栓的组数一致、且形成上下一一对应，每组预应力构件包括基础连接件、外套管和两端设有连接螺纹的预应力钢筋，基础连接件的中部设有开口朝下的u型凸起连接部，基础连接件通过对应位置的预应力连接用预埋螺栓、与预埋螺栓配合的螺母与墙基础形成固定连接，在基础连接件的u型凸起连接部上设有连接孔，预应力钢筋的下端部穿过对应基础连接件的连接孔、并通过与其连接的下部螺母，使预应力钢筋的下端部与对应基础连接件形成固定连接，预应力钢筋的上端穿过设置在压顶梁上的竖向通孔及设置在压顶梁上端的钢垫板，并通过与其连接的上部螺母，使预应力钢筋的上端部与压顶梁形成固定连接；所述外套管套设在对应预应力钢筋外，外套管的下端与基础连接件的上端接触，外套管的上端与压顶梁的下端留有间隙；

所述夯土主体夯筑于两端构造柱、位于下部的墙基础和位于上部的压顶梁之间形成的空间内，且使夯土主体整体处于竖向受压状态。

优选的：所述压顶梁为预制混凝土压顶梁，在压顶梁内部预埋有两根沿水平方向设置的连接钢筋，每根连接钢筋两端各安装有连接套管，连接套管内设有内螺纹，形成所述预留螺栓孔；在压顶梁的内部还预埋有多个沿竖向贯通的穿装管，穿装管的内孔形成所述竖向通孔。

优选的：在所述u形凸起部的上端与连接孔对正的位置焊接有与连接孔呈同轴设置的定位短套，定位短套插装于对应的外套管内，使外套管形成限位。

优选的：两个构造柱采用薄壁钢管制成，截面为正方形，构造柱内腔设有混凝土填充体，构造柱的底部焊接有与墙基础连接的端板。

优选的：所述预应力钢筋采用精轧螺纹钢筋。

竖向预应力夯土墙的施工方法，其特征在于，夯土墙采用上述的竖向预应力施加结构，其施工步骤如下：

s1施工准备阶段

c.提前准备构成竖向预应力施加结构的各构成件：依据所需夯筑墙体尺寸及拟施预应力大小，确定预应力钢筋的型号、数量、长度及安装位置；依据墙体尺寸，设计并制作构造柱；依据墙体尺寸及构造柱的尺寸，提前预制压顶梁；准备相应数量的基础连接件、外套管、钢垫板、连接螺栓、垫圈及螺母；

d.浇筑墙基础：在浇筑墙基础过程中，在两个构造柱及多组基础连接件预定安装位置处预埋螺栓，分别形成后续施工用的构造柱连接用预埋螺栓和预应力件连接用预埋螺栓；

s2夯筑阶段

c.通过多组预应力件连接用预埋螺栓及相锁紧连接的螺母将基础连接件一一固定在墙基础上设定的位置；通过两组构造柱连接用预埋螺栓及相锁紧连接的螺母将两个构造柱固定在墙基础上的两端位置；将多个外套管一一置于多个基础连接将的上端，并使多个外套管与多个基础连接件上的连接孔一一对正，在基础连接件上设置有定位短套的情况下，外套管的下端与对应位置的定位短套形成插装连接，以实现定位；

d.安装模板，待模板安装到位后，按照夯土墙施工工艺由下至上逐层夯筑夯土主体部分，直至设计高度值；在夯筑外套管周围土体时尽量采用人工夯筑，保证外套管始终保持竖直状态；

s3张拉预应力钢筋，产生竖向预应力

d.将多根预应力钢筋由上至下一一穿入多个外套管中，使预应力钢筋的下端部从基础连接件的连接孔穿出，并安装垫圈及下部螺母进行锚固连接；

e.在夯土主体的上端放置压顶梁，使多根竖向预应力钢筋的上端部从压顶梁上的多个竖向通孔穿出，形成上部外露段；待夯土主体彻底干透达到设定强度后，在每根预应力钢筋的上部外露段处安装钢垫板、垫圈及上部螺母，通过拧紧上部螺母对预应力钢筋进行向上张拉，张拉需对称进行，确保墙体受力过程均匀；

在张拉达到设定的竖向预应力时，张拉结束，待预应力钢筋内预应力稳定以后，在压顶梁的两端预留螺栓孔与两端构造柱上的连接豁口内安装连接螺栓，通过螺母锁紧，使压顶梁与两端的构造柱固连为整体，至此完成竖向预应力夯土墙的施工过程。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、本夯土墙是在夯土墙体内，沿墙体长度方向设置多道竖向预应力钢筋，预应力钢筋底端通过基础连接件与墙基础相连，预应力钢筋顶部贯穿压顶梁及钢垫板，并通过拧紧螺母对钢筋进行向上张拉。预应力钢筋为墙体提供了竖向预压力，使夯土墙处于竖向均匀受压状态，增强了夯土墙分层处的粘结力，提高了墙体的抗剪承载力，能够有效的避免横向通缝的形成，增强了夯土墙的抗震性能。同时压顶梁在预应力施加完成后与两侧构造柱通过螺栓连成整体，协调构造柱与墙体之间的变形，共同承担侧向位移，有助提高墙体的整体性。

2、本夯土墙施工方法由施工准备阶段、夯筑阶段和张拉产生竖向预应力三个工艺阶段构成，施工工艺简单、易于操作和控制。

附图说明

图1是本发明的整体效果图；

图2是图1去掉夯土主体部分的效果图；

图3是图2中基础连接件与预应力钢筋连接的局部示意图；

图4是图2中预应力钢筋与压顶梁连接的局部示意图；

图5是图2中压顶梁的端部与对应构造柱连接的局部示意图；

图6是本发明基础连接件的结构示意图；

图7是本发明构造柱的结构示意图；

图8是本发明压顶梁主体与两条连接钢筋配合的结构示意图。

图中：1、墙基础；2、夯土主体；3、竖向预应力施加结构；3-1、构造柱；3-1-1、连接豁口；3-2、预应力构件；3-2-1、基础连接件；3-2-1a、u型凸起连接部；3-2-1b、定位短套；3-2-2、外套管；3-2-3、预应力钢筋；3-2-4、下部螺母；3-2-5、钢垫片；3-2-6、上部螺母；3-3、压顶梁；3-3-1、连接钢筋；3-3-2、连接套管；3-4、连接螺栓；4、构造柱连接用预埋螺栓；5、预应力件连接用预埋螺栓。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1-8，竖向预应力夯土墙，发明点为：包括墙基础1、夯土主体2和竖向预应力施加结构3。

在墙基础上从一端至另一端方向设置有多组向上伸出的预埋螺栓，其中位于两端的两组预埋螺栓为构造柱连接用预埋螺栓4，其余预埋螺栓为预应力件连接用预埋螺栓5。

所述竖向预应力施加结构包括两个构造柱3-1、多组预应力构件3-2及压顶梁3-3。竖向预应力施加结构三个组成部分的具体结构及连接如下：

两个构造柱支撑于墙基础上靠近两端的位置、且分别通过两组构造柱连接用预埋螺栓、与预埋螺栓配合的螺母与墙基础形成固定连接，具体的，在构造柱的下端焊接端板，在端板上预留出与对应位置的构造柱连接用预埋螺栓配合的多个螺栓孔，多个螺栓孔与构造柱连接用预埋螺栓形成一一穿装连接，通过拧紧在构造柱连接用预埋螺栓上的螺母，使构造柱与墙基础形成固定连接。在两个构造柱的上端部各设置有竖向设置的连接豁口3-1-1。

所述压顶梁设置在两个构造柱之间的夯土墙顶部位置，具体的，压顶梁尺寸应覆盖墙体所有夯土主体部分且不能与构造柱发生重合，保证竖向预应力只对土体部分产生作用，而不会对构造柱造成影响。在压顶梁的两端设有预留螺栓孔，通过穿装在两个构造柱的连接豁口与压顶梁对应端的预留螺栓孔内的连接螺栓3-4、与连接螺栓配合的螺母使压顶梁与两端的构造柱固连为一体，共同承担水平侧移。

预应力构件的组数与预应力连接用预埋螺栓的组数一致、且形成上下一一对应。每组预应力构件包括基础连接件3-2-1、外套管3-2-2和两端设有连接螺纹的预应力钢筋3-2-3。基础连接件的中部设有开口朝下u型凸起连接部3-2-1a，基础连接件通过对应位置的预应力连接用预埋螺栓、与预埋螺栓配合的螺母与墙基础形成固定连接，具体的，在基础连接件的u型凸起连接部的两边部分上预留有螺栓孔，螺栓孔与对应位置的预应力连接用预埋螺栓形成一一穿装连接，通过拧紧在预应力连接用预埋螺栓上的螺母，使基础连接件与墙基础形成固定连接。在基础连接件的u型凸起连接部上设有连接孔，预应力钢筋的下端部穿过对应基础连接件的连接孔、并通过与其连接的下部螺母3-2-4，使预应力钢筋的下端部与对应基础连接件形成固定连接。预应力钢筋的上端穿过设置在压顶梁上的竖向通孔及设置在压顶梁上端的钢垫板3-2-5，并通过与其连接的上部螺母3-2-6，使预应力钢筋的上端部与压顶梁形成固定连接。所述外套管套设在对应预应力钢筋外，外套管的下端与基础连接件的上端接触，外套管的上端与压顶梁的下端留有间隙，即外套管的上端不能与压顶梁的下端顶死。

所述夯土主体夯筑于两端构造柱、位于下部的墙基础和位于上部的压顶梁之间形成的空间内，且使夯土主体整体处于竖向受压状态。

上述压顶梁可采用钢梁、混凝土浇筑梁等结构，在本发明中，所述压顶梁进一步优选为预制混凝土压顶梁，在压顶梁内部预埋有两根沿水平方向设置的连接钢筋3-3-1，每根连接钢筋两端各安装有连接套管3-3-2，连接套管内设有内螺纹，形成所述预留螺栓孔。在压顶梁的内部还预埋有多个沿竖向贯通的穿装管，穿装管在附图中未示出，穿装管的内孔形成所述竖向通孔。

上述基础连接件上，在所述u形凸起部的上端与连接孔对正的位置进一步焊接有与连接孔呈同轴设置的定位短套3-2-1b，定位短套插装于对应的外套管内，使外套管形成限位。这样，避免了在夯筑夯土主体时，还需要人工对正外套管与连接孔的位置、并扶正外套管，在易于保证外套管位置的情况下，同时节省了人工。

上述构造柱进一步优选结构为：两个构造柱采用薄壁钢管制成，截面为正方形，构造柱内腔设有混凝土填充体，构造柱的底部焊接有与墙基础连接的端板。

上述预应力钢筋进一步优选采用精轧螺纹钢筋，钢筋规格依据拟施加预应力大小及夯土墙体尺寸确定。

竖向预应力夯土墙的施工方法，发明点为：夯土墙采用上述竖向预应力施加结构，其施工步骤如下：

s1：施工准备阶段

a、提前准备构成竖向预应力施加结构的各构成件：依据所需夯筑墙体尺寸及拟施预应力大小，确定预应力钢筋的型号、数量、长度及安装位置。依据墙体尺寸，设计并制作构造柱，在构造柱采用上述薄壁方形钢管结构时，在构造柱下端的端板上预留出连接通孔。依据墙体尺寸及构造柱的尺寸，提前预制压顶梁，当压顶梁采用上述预制混凝土压顶梁结构时，依据墙体尺寸绑扎钢筋并浇筑混凝土，在梁内预埋两根通长连接钢筋，并在两根连接钢筋两端均安装连接套管，并在设定的预应力筋位置处沿竖向预埋穿装管。准备相应数量的基础连接件、外套管、钢垫板、连接螺栓、垫圈及螺母，其中基础连接件由多块钢板焊接而成，并在u形凸起部两边的平钢板上预留出连接通孔。

b、浇筑墙基础：在浇筑墙基础过程中，在两个构造柱及多组基础连接件预定安装位置处预埋螺栓，分别形成后续施工用的构造柱连接用预埋螺栓和预应力件连接用预埋螺栓。

s2：夯筑阶段

a、通过多组预应力件连接用预埋螺栓及相锁紧连接的螺母将基础连接件一一固定在墙基础上设定的位置；通过两组构造柱连接用预埋螺栓及相锁紧连接的螺母将两个构造柱固定在墙基础上的两端位置；将多个外套管一一置于多个基础连接将的上端，并使多个外套管与多个基础连接件上的连接孔一一对正，在基础连接件上设置有定位短套的情况下，外套管的下端与对应位置的定位短套形成插装连接，以实现定位。

b、安装模板，待模板安装到位后，按照夯土墙施工工艺由下至上逐层夯筑夯土主体部分，直至设计高度值，在夯筑外套管周围土体时尽量采用人工夯筑，保证外套管始终保持竖直状态。

s3：张拉预应力钢筋，产生竖向预应力

a、将多根预应力钢筋由上至下一一穿入多个外套管中，使预应力钢筋的下端部从基础连接件的连接孔穿出，并安装垫圈及下部螺母进行锚固连接。

b、在夯土主体的上端放置压顶梁，使多根竖向预应力钢筋的上端部从压顶梁上的多个竖向通孔穿出，形成上部外露段；待夯土主体彻底干透达到设定强度后，在每根预应力钢筋的上部外露段处安装钢垫板、垫圈及上部螺母，通过拧紧上部螺母对预应力钢筋进行向上张拉，张拉需对称进行，确保墙体受力过程均匀。

f.在张拉达到设定的竖向预应力时，张拉结束，待预应力钢筋内预应力稳定以后，在压顶梁的两端预留螺栓孔与两端构造柱上的连接豁口内安装连接螺栓，通过螺母锁紧，使压顶梁与两端的构造柱固连为整体，至此完成竖向预应力夯土墙的施工过程。

综上，采用上述方法夯筑而成的夯土墙具有如下特点：

1、通过对夯土墙施加竖向预应力，增强了夯土层之间的抗剪强度，提高了墙体整体性，改善了夯土墙的抗震性能。

2、能够抑制夯土表面因温湿度变化引起的收缩裂缝。

3、本发明的压顶梁既可起到均匀分配竖向预应力作用，又可在预应力施加完成后与两侧构造柱通过螺栓连成整体发挥连梁作用，从而协调构造柱与墙体之间变形，使其共同承担侧向位移，提高了墙体的整体性。

4、本发明通过基础连接件将预应力钢筋与墙基础相连，基础连接件将预应力钢筋锚固端与墙基础分隔开，为锚固提供了充足的施工空间，便于后张法施工，既提高了可操作性，简化了施工工艺，又提高了施工的安全性。