古城墙安全性能及加固.doc

1、某古城墙安全评估及加固设计 作者简介：陈李锋，男，1984年10月出生，工学硕士学位，主要从事结构加固技术研究方面工作。陈李锋福建省建筑科学研究院 福建 福州 350018摘要：本文通过现场实测、现场试验及试验分析、理论计算以及有限元模型分析等方法就某古城墙安全进行评估，并依据其安全评估的结论有针对性的采取相应的加固措施，保证古城墙经加固后结构安全可靠。关键词：古城墙 安全评估 加固设计中图分类号：TU36文献标识码：BSafety Assessment and Strengthening Design of an Ancient City WallChen LifengAbstract: T

2、he safety assessment for an ancient city wall is carried out by the methods of field measurement, field test, experimental analysis, theoretical calculation, finite element analysis and calculation, etc, according to the result of the safety assessment, some reinforcement measures are adopted to ens

3、ure safety and reliable of the ancient city wall after reinforcement.Keywords：Ancient city wall, Safety assessment , Reinforcement design.1 引言近年来，我国经济、社会及文化都得到了很大的发展，古城墙也作为一种文化遗产越来越受到人们的重视，在城市建设的过程中，可以通过古城墙等文物建筑的保护修缮，更加深入地研究城市的历史、拓展城市的空间格局和城市的尺度，发展城市自身的特色。作为拥有古城墙的历史城市，城墙应作为城市的特色历史景观和具有历史意义的公共空间环境保护起

4、来。随着人们对历史文化遗产价值的认识，人们对古城墙的保护与关注渐渐增强。中国城市规划学会“历史文化名城保护学术委员会”的董鉴泓教授和阮仪三教授认为，中国历史文化名城保护旨在保护一种“被认为有特殊价值的城市的历史文化景观”。而古城墙正是具有特殊价值的城市文化景观，因此，对古城墙的加固修复及保护至关重要。2 工程概况该古城墙的城门，坐北朝南，建于明代，砖、石和土混合结构，建设单位拟在该城门上新建城楼。拱劵门洞下端城砖磨损严重，地面现为混凝土地面，城墙立面植物滋生严重，城墙顶后期搭建民房，有多处出现裂缝。城垛已毁，城墙上部城砖丢失较多。由于城市建设不断扩展，加上城门入口狭小拥挤，门洞口及其前面马路车

5、流量大，长期往来的机动车影响了城门拱劵砖砌结构，再加上历史年代较长，拱劵及门洞口墙体均有破损现象，局部破损已经后期修补，但修补处也或多或少的破坏了原有城门外部原貌。城墙北侧毁坏严重，再加上风吹日晒，城墙表面植物滋长，城墙原结构的强度和稳定性均受到很大的削弱。图1 城墙平面布置图3 城墙安全评估3.1 现场勘察主要情况该城墙顶部及北侧后期搭建民房，对城墙造成了一定程度的破坏。根据现场勘查揭示情况，该城墙城门拱劵及两侧城墙存在较严重的残损病害。主要残损病害可概括为如下几点：（1）城门拱劵及劵洞两侧侧墙严重裂损。城门拱劵出现2道垂直拱劵轴线的裂缝，裂缝贯穿门洞侧墙与砖拱劵，宽度极大，裂缝位置靠近城门

6、洞口南北两个临空面，与城墙顶部民房砖墙位置接近，疑为城墙受荷后外闪变形所致，严重影响城门拱劵临空面的侧向稳定性。城门洞口两侧墙体底部局部区域砖受压断裂，并形成通缝，墙体被裂缝分割成独立砖柱体，严重影响侧墙的承载能力，已不适于继续承载。局部墙体裂损或砌块缺失，城墙损伤处局部有经过后期重砌或抹灰处理，后期重砌砌块材料与原城砖存在显著差别。（2）城墙表面植物大量生长，植物根系深入城墙，致使外包砖墙灰缝涨裂，砂浆丧失强度、局部砖移位，造成外包砖墙整体性下降。清除表面植物后发现外包砖墙体局部有通缝等裂损现象，砖表面存在明显风化病害。（3）城门砖拱劵由两部分组成，两部分砖拱劵厚度不同，砖拱劵局部存在裂缝或

7、砖块缺失现象。（4）现场查勘揭示北立面砖墙的砖规格尺寸与其它部位存在显著区别，可能为后期修葺时补砌的墙体。该补砌墙体厚度约30cm，与原拱劵及门洞侧墙间存在通缝，未采取可靠的构造拉结措施形成整体，接缝处原拱劵存在缺失砖块现象。3.2 现场开挖抽查情况开挖检查揭示该城墙的构造为“筑土为城，包以砖石”。城墙顶部现状为混凝土地面，城墙内部填土现场可见其湿度极大，夹杂大量卵石，密实度较低，较松散。对填土取样进行颗粒分析结果见表1。由表1可见，由于城墙顶部防水构造被破坏，雨水渗入城墙土体，填土含水率极大，填土主要成分为卵石、砾石，土粘粒含量较少，其内摩擦角及粘聚力均较小，筑土城墙边坡稳定性较差。城墙南立

8、面外包砖墙，收分砌筑，砖墙上部为阶梯状，下部厚度为220mm，采用白灰砂浆砌筑，砂浆湿度极大，对砂浆强度进行现场贯入度检测，相关数据见表2。表 1 城墙填土颗粒分析表填土颗粒组成石砾石粗砂中砂细砂粉砂粉粒粗粉粒细粘粒粒径20.020.02.002.000.500.500.250.250.0750.0750.050.050.010.010.0050.005含量54.814.54.74.37.112.11.50.50.5表 2 砂浆贯入仪测量结果（mm）测区编号测点1测点2测点3测点4测点5测点6测点7md换算强度（MPa）A10.0512.8014.4714.707.5911.529.8611.

9、740.76B15.6717.3011.8015.1013.93/13.800.503.3 试验分析结果3.3.1砖的抗压强度试验及含水率试验结果在城墙顶部开挖点处取样对砖进行抗压强度试验及含水率测定。共取样三块城墙砖，其中1块为完整砖，其余2块为半残砖。三块砖分别编组为B1、B2、B3进行抗压强度试验及含水率试验。抗压试验试件系在原样品砖上切取立方体试件，表面用P.042.5水泥净浆补平，其中B2组抗压强度试件共3个，编号B2-1B2-3。采用岛津万能试验机进行试验加载，加载速度3mm/min。试验检测所用的仪器设备为：万能试验机，型号规格为UH-F500KNC，管理编号为(C)01-007

10、；钢直尺，型号规格为（0500）mm，管理编号为（C）02-763。试验结果列于表3。由表3可见，B1试件抗压强度较低，观其试验破坏面可见该砖块材料性质接近砖坯，可能未烧制完全。B2、B3两组试件抗压强度均大于4.0MPa。观其试验破坏面可见砖块材料质脆，内含跖石。由表4可见砖含水率均较大。表 3 砖试块抗压强度试验结果试件编号H（mm）B（mm）P（mm）R（MPa）12平均值12平均值B198989897979719.752.08B2-110010010010510510544.204.21B2-210710710792929256.255.17B2-394949499999944.804

11、.81B310410410410110110144.004.19备注R=1000XP/LB R-试件抗压强度试验值 P-破坏荷载L-试件受压面的长度 B-试件受压面的宽度表 4 砖试块含水率试验结果试件编组m0（kg）m（kg）W1（%）B10.9730.83316.8B21.4501.27513.7B31.6291.8038.8备注m0-试件在取样时的质量；m-试件的绝对干质量；W1试件的含水率3.3.2砂浆强度检测试验结果现场检测取两个测区进行砂浆贯入仪检测，其中取城墙开挖检查处为测区A，城墙砖拱脚处记为测区B，检测结果如下表3所示：参照贯入法检测砌筑砂浆抗压强度技术规程（JGJ/T36-

12、2001），检测数值中，应将每个测区贯入深度值中的1个较大值和1个较小值剔除，余下的贯入深度值可按下式取平均值：对于A区，md=11.74mm；对于B区，md=13.80mm。因此，根据贯入法检测砌筑砂浆抗压强度技术规程（JGJ/T36-2001）附录D水泥混合砂浆得到换算强度。除用砂浆贯入仪进行现场检测外，城墙开挖检查处即测区A处一完整砂浆样品被取出进行抗压强度试验，所取砂浆抗压面积为3.256x10-3m2，试验破坏荷载为0.97kN，经换算，其抗压强度约为0.298MPa。3.4 拱劵及侧墙内力分析根据现场实测数据，对长汀惠吉门古城墙进行了数值分析。该数值分析采用大型有限元软件ANSYS

13、对城门进行了建模计算，分析了在新建城楼荷载作用下，城门拱券的承载能力及稳定性，以及城门洞口两侧筑土城墙的稳定性。根据现场查勘情况可知，城墙是外部包砖内部筑土结构，砌筑城墙的材料都属颗粒状材料，此类材料受压屈服强度远大于受拉屈服强度，且材料受剪时颗粒会膨胀，因此，城墙土体的模型采用了Drucker-Prager本构模型，流动法则采用关联流动法则，即膨胀角和内摩擦角相等，按照经验值均取8°。3.4.1城墙纵断面受力分析根据x方向应力云图可知，x方向应力在拱顶处产生应力集中现象，拱顶处为压应力，最大应力为-1.00MPa。参照砌体结构设计规范（GB5003-2001）附录B表B.1.1进行

14、计算，根据表1可知，城墙砖抗压强度平均值可取为（4.21+5.19+4.18+4.19）/4MPa=4.438MPa，砂浆抗压强度取试验值为0.298MPa，该拱劵抗压强度设计值可近似取为： MPa =1.206MPa通过分析应力云图可知，拱劵及城墙洞口侧墙是受力薄弱环节，这与现场勘查发现的裂缝集中于拱劵及城墙洞口侧墙相吻合，故保持受力拱劵的整体性完整是必要的。同时通过该应力云图可知，在城墙门洞侧墙中部x方向应力很小，甚至出现正应力，因此，采取有效措施，防止该处侧向墙体鼓出是必要的。根据y方向应力云图及剪应力云图可知，y方向应力在拱脚处及城墙洞口侧墙处产生应力集中现象，其中侧墙底部应力达到最大

15、值为-3.5MPa；由图11即剪应力云图可知，剪应力在拱劵侧向及城墙洞口侧墙底部应力最大，最大值为1.00MPa，这与现场勘查裂缝集中于劵洞侧墙，特别是集中于墙脚部分相吻合。3.4.2 城墙横断面受力分析现取靠近拱劵的城楼柱位所在城墙横截面进行有限元应力云图分析，由y方向应力云图可知，y方向城墙截面均为压应力，由城墙顶部至底部应力大小逐渐递增，并于外包砖底部位置出现应力集中现象，最大应力为-2.23MPa；由x方向应力云图可知，x方向应力较小，特别是外包砖于城墙中上部可能出现拉应力，因此，必须采取有效措施防止城墙外包砖部分鼓闪；由剪应力云图可知，剪应力于外部砖底部出现应力集中。通过有限元软件分

16、析得知，拱劵及城墙洞口侧墙是受力薄弱环节，而拱劵及洞口侧墙的薄弱位置又集中于拱顶、拱脚与侧墙交接区域及侧墙墙脚位置；同时由城墙横截面应力云图分析可知，外包砖底部是应力集中区域，外包砖中上部可能出现拉应力，应采取有效措施防止城墙外闪。3.4.3城墙纵断面稳定性分析进行城墙横断面边坡稳定性分析时，城墙滑动面均无外包砖结构，因此，可假定整个断面为均质土坡；对于高度在10m以下的均质土坡，可采用俄国洛巴索夫稳定数图表法进行稳定分析，即依据极限平衡理论，采用摩擦圆法，按总应力分析的概念，导出土坡稳定的临界高度Hcr。图2 城墙横截面土坡稳定分析计算简图临界高度可按下式计算：式中：为临界高度，m；为土的粘

17、聚力，按经验值取12KPa；为土的重度，取19KN/m3；为稳定系数，查表得其值为0.19。因此，=12/（19*0.19）=3.32m，因此稳定安全系数K=/H=3.32/3.2=1.04，安全系数小于1.2，存在边坡不稳定的因素，必须采取必要措施防止边坡失稳，该措施可结合防止外包砖部分的鼓闪措施一起处理。3.5 安全评估结论通过现场勘查、试验分析、有限元软件计算及边坡稳定分析，可以得出如下几点结论：（1）城墙局部墙体裂损或砌块缺失，年久失修，城墙表面墙体植物滋生严重，砖墙表面大面积风化。（2）城门拱劵及洞口侧墙裂损严重，拱劵及侧墙均出现不适于继续承载的裂缝，劵洞两侧沿垂直于拱轴方向出现贯穿

18、裂缝，严重影响城门拱劵临空面的侧向稳定性。（3）通过计算分析，城墙、城门拱劵及侧墙承载能力基本满足要求，但局部出现应力集中或出现不利的拉应力，应及时采取必要措施进行加固修复，以保持整体结构的稳定性和完整性。（4）通过城墙横断面应力分析及边坡稳定性计算可知，外包砖存在鼓闪的趋势，同时边坡稳定性差，因此必须采用必要的措施防止外包砖鼓闪及边坡失稳。4 加固设计根据勘测分析可知，该古城墙的鼓闪、裂缝等现状主要是由以下几点原因引起的：一是基础土质松软，基础狭窄、受压下陷；二是砖墙体顶部渗水下灌，导致墙内筑土含水率增大，降低土的粘聚力，造成城墙土体不稳定；三是墙体单薄，砖土摆砌衔接不紧，局部存在空隙、不结

19、实现象；四是树根钻入墙内，使砖体错位、鼓闪、裂缝、脱落；五是年久失修，及人为的因素的影响，使城墙的原貌遭到严重破坏。针对这些病害，采取如下措施进行加固修复处理：4.1 地基基础根据城墙地基基础现状，对于北立面需要重砌砖墙部分，采用以下两种方法进行加固处理：一是清理原城墙毛石基础，探明土质情况，较好者采用原土打夯，以增强地基密实度；二是在地基现状不好的情况下，计算墙体荷载，设计条石基础。4.2 墙体（外包砖）部分（一）为防止雨水下灌古城墙基础，于城墙外包砖墙脚处设置排水沟槽或者增设防水层进行防水，避免雨水下灌入基础引起破坏；城墙顶部重新铺砌，并设置防水层，以防止雨水渗入城墙内部侵蚀墙体。（二）根

20、据现场勘查可知，城墙外包砖部分自地面至离地面高度1.8m处均经过后期重新勾缝处理，为防止雨水对城墙的侵蚀，对整个外包砖墙面均剔除松动砂浆，采用白灰砂浆重新勾缝处理。（三）局部需要重新砌筑的外包砖墙体与旧墙交接处采用搭砌法，即把需要重砌的墙体两侧旧有墙体拆成台阶形，用规格一致的城砖一层层搭砌，保持新老墙面灰缝一致，浑然一体，砌筑所用的城砖应按原城砖尺寸重新烧制。（四）局部风化严重的墙面、剥脱的残砖、虚洞等修复，首先剔挖墙面上的残砖、清理虚洞、裂缝立面的杂草、泥土；然后选用与墙体颜色相同的新砖，根据砖孔的大小进行整理，把洞内填入砂浆，把整理好的砖块塞进去，规格吻合，调制与墙面灰缝一致的白灰浆勾缝，

21、这样逐块修补。需修补的城砖暂按原城砖数量的15%考虑。（五）外包砖部分、劵洞侧墙及拱劵裂缝修补：1)填缝封闭(裂缝宽度<2mm)内部采用白灰砂浆、树脂砂浆填缝，外表面根据外观要求采用白灰砂浆勾缝，勾缝最好采用凹型缝。2)水泥聚合灌浆液灌浆(2mm<裂缝宽度<10mm)：可采用重力灌浆或压力灌浆。由于灌浆材料强度都大于砌体强度，因此只要灌浆方法和措施得当，经水泥聚合浆液灌浆修补的砌体强度都能满足要求。压力灌浆修补是一种用压力设备把水泥聚合浆液压入砌体的裂缝和空隙内，使裂缝和空隙粘合起来的修补方法。由于水泥聚合浆液的强度一般大于砌筑的砂浆强度，因此用灌浆修补的砌体承载力可以大幅提

22、高，可较好地恢复砌体结构的整体性。水泥聚合灌浆液是最常用的砌体灌浆液，是在纯水泥浆中掺入定量的胶质悬浮剂，达到提高浆液的粘结能力，改善浆液的可灌性，增强砌体强度的作用。胶质悬浮剂种类很多，常用的如：108胶（聚乙烯醇）、聚醋酸乙烯乳液（简称乳胶）及水玻璃（硅酸钠）等。本工程采用108胶水泥聚合浆液，其配比如下表所示：表5 108胶水泥聚合浆配合比浆别水泥2%聚乙烯醇溶液砂可灌裂缝宽度（mm）浆液10.70.21砂浆11.215压力灌浆补缝法的工艺流程为：裂缝表面处理埋设灌浆嘴(管)封缝密封检查配置浆液压力灌浆封口检查。具体施工说明详砖混结构加固与修复（03SG611）。3)水泥聚合浆液灌浆+加筋锚固(10mm<裂缝宽度<30mm)：每隔3皮砖剔凿一道长lm(裂缝两侧各05m)，深50mm的水平砖缝，埋入细钢筋一根，端部弯直钩并嵌入砖墙竖缝，进行水泥聚合浆液灌浆，然后用强度等级较高的灰浆嵌填严实。4)用挖镶法和插筋法沿裂缝周围局部进行拆砌补强(裂缝宽度>30mm)，配置钢筋，并采用整理好的砖块塞缝后灌浆修复裂缝。采用此法时，要求在安全支护的条件下进行。（六）为防止古城墙的鼓闪、劵洞处拱劵外闪，可采取锚固法进行加固。该法可结合城墙顶