西安古城墻21號(hào)馬面裂縫成因分析及處理技術(shù)

范學(xué)寧，鄭愛武，曾凡奎，王 磊

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 陜西 西安 710021; 2.陜西省文化遺產(chǎn)研究院， 陜西 西安 710000)

西安古城墻21號(hào)馬面裂縫成因分析及處理技術(shù)

范學(xué)寧1，鄭愛武1，曾凡奎1，王 磊2

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 陜西 西安 710021; 2.陜西省文化遺產(chǎn)研究院， 陜西 西安 710000)

西安古城墻是全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，也是中國現(xiàn)存最完整的一座古代城垣建筑。近年來墻體裂縫增多，嚴(yán)重影響了城墻的整體性能，急需專業(yè)處理進(jìn)行維護(hù)。通過對(duì)城墻21號(hào)馬面裂縫的現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)，具體分析了其破壞因素與破壞機(jī)理，針對(duì)存在的問題提出了鋼管灌注樁與灰土擠密樁施工的加固方法，阻止了裂縫的擴(kuò)展，最大限度地保持城墻原有風(fēng)貌，對(duì)類似古建筑的保護(hù)有一定的借鑒意義。

西安古城墻；馬面；裂縫；成因分析；加固

西安古城墻是中國古代著名的城垣建筑，也是保存最完整的古城墻，至今已有600多年的歷史。它作為古代的防御設(shè)施飽受戰(zhàn)爭炮火的洗禮。近現(xiàn)代以來，經(jīng)歷了抗日戰(zhàn)爭、解放戰(zhàn)爭、文革等時(shí)期，人們?cè)诔菈ι贤诙慈⊥寥〈u，生活、居住、生產(chǎn)、修筑人防工事，對(duì)整個(gè)城墻產(chǎn)生了很大的影響；近30年來城墻作為西安的城市名片、著名的旅游觀光資源，接待了來自國內(nèi)外的游客，這些人類活動(dòng)不可避免的使城墻的工程環(huán)境愈加復(fù)雜，如孔洞的存在、管線的密布，觀光設(shè)施、設(shè)備的增加，大量人流、自行車、電瓶車流增加的負(fù)載等等，導(dǎo)致城墻發(fā)生變形及產(chǎn)生裂縫。資料顯示，近年來城墻裂縫問題日益突出，尤其是馬面裂縫最為嚴(yán)重，約占到了總裂縫的90%。裂縫的存在會(huì)影響墻體的穩(wěn)定性，甚至?xí)饓w倒塌[1]。文章選取了城墻21號(hào)馬面，對(duì)其裂縫現(xiàn)狀做一描述，通過現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和查閱資料，分析了裂縫的形成因素，應(yīng)采取的維修與處理措施，對(duì)避免裂縫的繼續(xù)產(chǎn)生和發(fā)展，以及對(duì)城墻的后期保護(hù)有著重大的意義。

1 21號(hào)馬面裂縫現(xiàn)狀

西安城墻21號(hào)馬面區(qū)段位于城墻南門東側(cè)，具體位置見圖1。周圍地形較平坦，屬于渭河盆地中的黃土臺(tái)塬與沖積平原之間的過渡地帶，地貌單元屬二級(jí)臺(tái)地Ⅱ- 2。21號(hào)馬面城墻病害主要外在表現(xiàn)為城墻海墁、馬面、墻體的沉陷及裂縫。主要裂縫測(cè)量、統(tǒng)計(jì)并作簡要描述如表1，具體裂縫如圖2、圖3所示。

圖1 西安21號(hào)馬面交通位置圖

圖2 Ⅲ號(hào)裂縫局部圖

調(diào)查還發(fā)現(xiàn)從海墁高度向下至4 m范圍內(nèi)的墻體，城磚風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重，磚縫蝕空，城磚表層剝蝕、脫落，形成嚴(yán)重凹凸不平的墻體表面，基本在整個(gè)21號(hào)馬面區(qū)段都有分布，主要由自上而下的滲水所致。城磚的風(fēng)化剝蝕見圖4、圖5。

圖3 IV號(hào)裂縫局部圖

2 裂縫成因分析

通過對(duì)21號(hào)馬面區(qū)段的城墻地基鉆探、文獻(xiàn)研究、資料分析以及周圍環(huán)境調(diào)查認(rèn)為裂縫形成有以下原因。

圖4 F1裂縫及墻面風(fēng)化剝蝕現(xiàn)象

圖5 F2裂縫及墻面風(fēng)化剝蝕現(xiàn)象

2.1 地質(zhì)環(huán)境影響

馬面下城墻根地面鉆孔揭露地下水，地下水位埋深在7.10 m～8.70 m，對(duì)應(yīng)地下水位高程為401.13 m～401.50 m，而該地段護(hù)城河實(shí)測(cè)水位標(biāo)高為401.48 m?？梢娮o(hù)城河水位與馬面區(qū)段的地下水位基本持平。西安市南門21號(hào)馬面周邊1980年—2015年的地下水位標(biāo)高變化趨勢(shì)見圖6。從圖6上可知，從20世紀(jì)80年代到本次勘察期間(2015年6月)，21號(hào)馬面區(qū)段地下水位變化幅度較大，其差值最高達(dá)到了4 m～6 m。地下水位下降會(huì)引起原地下水位以下土中的有效自重應(yīng)力增加，從而造成地表大面積附加下沉[2]；水位上升又會(huì)使原來地下水位和變動(dòng)后地下水位之間土的壓縮性增大，對(duì)于黏性填土，使土強(qiáng)度減小，從而使土壓力增大[3]。由于城墻所處地下水位長期波動(dòng)，導(dǎo)致其地基的不均勻沉降[4]，從而引起裂縫的產(chǎn)生。

根據(jù)本次勘察的21號(hào)馬面段墻體和地基情況，自海墁向下將城墻分為城磚①1層、灰土墊層①2、夯筑土①3、①4共4層；自地面下將城墻地基土層分為夯筑土①5、黃土②、黃土③、古土壤④、黃土⑤、粉質(zhì)黏土⑥層，如圖7所示。根據(jù)各地層的物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表,結(jié)合各地層土的持力性能，對(duì)其進(jìn)行原位測(cè)試可知海墁下夯筑土①3(約0.8 m～7.0 m深度內(nèi))為濕陷性黃土，密實(shí)度較差，均勻性差，抗剪強(qiáng)度低；城墻根地面下的夯筑土①5層含水率偏大，其雜填土的性質(zhì)較差、土質(zhì)雜亂、層厚變化大，抗剪強(qiáng)度低；城墻的地基下臥層黃土②、③層呈可塑—流塑狀態(tài)，含水率很大、中偏高壓縮性土，抗剪強(qiáng)度低。由此可見，不同土質(zhì)的含水率、孔隙比、液壓系數(shù)、壓縮模量等等都是不同的[5]，相對(duì)于城墻整體結(jié)構(gòu)來說，這些是一個(gè)具有較大差異的非均勻質(zhì)體結(jié)構(gòu)，在其不同材質(zhì)交接處和變截面處會(huì)形成集中應(yīng)力點(diǎn)[6]，在外荷載及其變形作用下，墻體必然會(huì)產(chǎn)生裂縫。

圖6 1980年—2015年地下水位標(biāo)高變化趨勢(shì)

圖7 城墻結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 排水系統(tǒng)影響

據(jù)歷史資料記載，在修建城墻時(shí)其是有完整規(guī)范的排水系統(tǒng)的。但是由于時(shí)間久遠(yuǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)找不到完好的散水結(jié)構(gòu)，僅有的少數(shù)也被淤泥雜質(zhì)等完全堵塞，而且排水不通。同時(shí)由于海墁存在裂縫，雨雪等滲漏浸入夯筑土，由于夯土之間含水率不同，浸水后土體結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生顯著沉降變形[7]，導(dǎo)致散水結(jié)構(gòu)不均勻沉降，散水坡度起伏造成積水并伴隨裂縫不斷發(fā)展而加??；負(fù)地形導(dǎo)致排水不暢；排供水管道可能的滲漏等造成夯土黏聚力和內(nèi)摩擦角減小[8]，土的重度增大，導(dǎo)致墻體側(cè)向擠壓力加大，與墻體外側(cè)的抗壓抗剪力幾乎接近，使墻體發(fā)生膨脹變形，隨著壓力的增長到達(dá)其極限應(yīng)力狀態(tài)時(shí)墻體發(fā)生裂縫。

2.3 孔洞和防空洞影響

在開挖探井過程中，發(fā)現(xiàn)了多處孔洞及防空洞等病害現(xiàn)象，見圖8。探井t2位于敵樓北側(cè)，挖探過程中，在7.3 m的深度發(fā)現(xiàn)防空洞洞口，防空洞內(nèi)未見箍磚。探井t5位于整個(gè)21號(hào)馬面的東南角，挖探過程中，在深度約1 m處有一孔洞，孔洞處散落松散塌落土，孔洞高約0.5 m，并向西北方向延伸約2 m。詳見圖9。

圖8 探井t2側(cè)壁的防空洞

圖9 探井t5側(cè)壁的孔洞

西安城墻歷經(jīng)了明清兩代戰(zhàn)火，又經(jīng)歷了抗日戰(zhàn)爭、解放戰(zhàn)爭等戰(zhàn)亂時(shí)期，特別是在文革時(shí)期，人們?cè)诔菈ι贤诙慈⊥寥〈u，修筑人防工事等，留下了許多孔洞和防空洞。這對(duì)城墻受力性能的影響特別大，根據(jù)地面建筑基地壓力擴(kuò)散定理可知，對(duì)地基開挖深度超過一定范圍必然會(huì)引起墻體變形和裂縫的產(chǎn)生[9]?？斩吹拇嬖冢瑹o法對(duì)上部建筑提供有效支撐，以至發(fā)生變形產(chǎn)生裂縫。

2.4 溫度變化影響

西安市區(qū)屬于暖溫帶半濕潤的季風(fēng)氣候區(qū)，年最高氣溫在40℃，年最低溫度在-12℃左右，年內(nèi)最大溫度差達(dá)到50℃。由于古城墻的磚塊和夯土屬于溫度的不良導(dǎo)體，溫度變化會(huì)引起材料的熱脹冷縮，而不同材質(zhì)經(jīng)溫度變化的收縮系數(shù)不同從而變形也不同，導(dǎo)致砌體內(nèi)部、砌體與墻體、墻體之間、砌體與上部構(gòu)件之間的變形不協(xié)調(diào)。當(dāng)變形受到外界限制時(shí)，構(gòu)件內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生較大剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，而夯土砌塊的抗拉應(yīng)力、抗剪應(yīng)力比較小，當(dāng)其拉應(yīng)力和剪應(yīng)力超過極限應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形和裂縫。冬季溫度較低時(shí)，砌體發(fā)生凍融，夏季溫度較高時(shí)又會(huì)體漲[10]。由此往復(fù)循環(huán)，會(huì)導(dǎo)致裂縫的不斷增長。

2.5 人類活動(dòng)影響

21號(hào)馬面段緊鄰南門，是旅游開發(fā)的重點(diǎn)地段，人流量較大，加之電瓶車和頻繁的旅游活動(dòng)等動(dòng)荷載長期集中在城墻海墁南側(cè)區(qū)域，而敵樓作為靜荷載長期加荷于馬面之上；同時(shí)21號(hào)馬面區(qū)段兩側(cè)緊鄰公路，車流量大，附近經(jīng)常舉行聚集性活動(dòng)。城墻內(nèi)外經(jīng)常會(huì)有建筑工程施工，對(duì)地面造成震動(dòng)，致使地基荷載增大等等因素，都會(huì)加劇裂縫的發(fā)展。

3 裂縫處理技術(shù)方案

綜上可知，海墁裂縫產(chǎn)生的主要原因是夯土層多為濕陷性黃土，土質(zhì)不密實(shí)、均勻性差，同時(shí)受地下水位變化影響，且夯土層土質(zhì)雜差異大；其次由于排水系統(tǒng)影響，海墁上本來存在裂縫，雨水下滲浸入夯筑土，使土體含水特征變化導(dǎo)致壓縮性減少，抗剪性能變差，并伴隨裂縫不斷發(fā)展而加劇。

3.1 加密夯筑土層

3.1.1 鋼管灌注樁施工

通過鋼管擠土在地基土中形成樁孔，并在其內(nèi)放置鋼筋籠、灌注混凝土以替代土體中的空氣和水分，從而使地基土固化復(fù)合成較高強(qiáng)度的土體[11]，能達(dá)到消除地基土的濕陷性，提高土體承載力以及抗?jié)B的作用[12-13]。并且鋼管灌注樁在施工中無噪音、無震動(dòng)，對(duì)周邊環(huán)境的影響和危害小。具體施工過程是：平整場(chǎng)地→泥漿制備→埋設(shè)護(hù)筒→鋪設(shè)工作平臺(tái)→安裝鉆機(jī)并定位→鉆進(jìn)成孔→清孔并檢查成孔質(zhì)量→下放鋼筋籠→灌注水下混凝土→拔出護(hù)筒→檢查質(zhì)量。具體排布和處理措施如下：

在21號(hào)馬面南側(cè)地面靜壓施工兩排鋼管灌注樁，以馬面底部夯土基礎(chǔ)邊緣為界，外擴(kuò)200 mm為第一排鋼管灌注樁樁心位置，樁體按等邊三角形布置，孔距400 mm，排距346 mm，共計(jì)504根，豎向長度12 m，實(shí)際樁長見加固剖面圖見圖10。采用Q235B熱軋無縫鋼管，外徑159 mm，壁厚4.5 mm，樁端加設(shè)一字形隔板，樁頂標(biāo)高-0.500，取條石基礎(chǔ)底部標(biāo)高±0.000。采用C30細(xì)石混凝土對(duì)鋼管管芯進(jìn)行澆注，鋼釬人工振搗，塌落度控制在15 cm左右，最大骨料直徑不大于25 mm。樁芯混凝土澆至距離樁頂600 mm時(shí)，在鋼管樁樁芯內(nèi)置直徑120鋼筋籠，鋼筋籠伸入承臺(tái)及錨入鋼管樁長度均應(yīng)大于500 mm，繼續(xù)澆注混凝土至樁頂。從內(nèi)到外的兩排樁與水平面夾角依次為75°、90°，采用靜壓機(jī)械施工。灌注樁平面圖見圖11。

圖10 鋼管灌注樁加固剖面圖

圖11 鋼管灌注樁搶險(xiǎn)加固平面圖

3.1.2 灰土擠密樁施工

針對(duì)城墻地基地下水位以上的濕陷性黃土、素填土和雜土等，根據(jù)城墻已有的加固經(jīng)驗(yàn)，采用灰土擠密樁加固[14]。在城墻地基基礎(chǔ)旁利用打樁機(jī)將鋼套管打入地基土層隨后拔出，形成樁孔，然后在樁孔中分層填入拌制均勻的石灰土，再經(jīng)夯實(shí)以對(duì)地基進(jìn)行加固，加固過程中要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，避免側(cè)向變形。灰土樁擠壓成孔時(shí)，樁孔位置的原有土體被側(cè)向擠壓，使土層密實(shí)度提高，壓縮性降低，以消除其土體的濕陷性[15]。具體加固范圍及工藝參數(shù)如下：

在產(chǎn)生裂縫、沉降、缺陷的東西方向長度范圍內(nèi)，整體加固夯筑土①3層，加固厚度約為現(xiàn)海墁下7 m。以馬面底部夯土基礎(chǔ)邊緣為界，外擴(kuò)1 100 mm處打灰砂樁，打樁范圍見搶險(xiǎn)加固平面圖12?；疑皹栋吹冗吶切尾贾?，孔距500 mm，排距433 mm，共計(jì)933根，樁徑150 mm，有效樁長12 m，樁頂標(biāo)高為-0.500。實(shí)際樁長見加固剖面圖見圖13。

圖12 灰砂樁搶險(xiǎn)加固平面圖

圖13 灰砂樁加固剖面圖

3.2 防排水處理

城墻海墁下宜鋪設(shè)1 m厚的3∶7灰土墊層作為隔水層。海墁砌筑城磚時(shí)，宜設(shè)計(jì)一定坡度以利排水，使雨水迅速排離海墁。城墻下地面也應(yīng)相應(yīng)采取防水措施，防止水從垂直方向進(jìn)入城墻基礎(chǔ)，環(huán)城公園草坪的維護(hù)應(yīng)注意對(duì)澆水量的控制；對(duì)于目前的供、排水系統(tǒng)與設(shè)施應(yīng)進(jìn)行定期的查漏、檢修和完善；對(duì)于因設(shè)計(jì)不合理而造成隱患的應(yīng)重新設(shè)計(jì)并改造，對(duì)于因環(huán)境復(fù)雜而使管線容易產(chǎn)生斷裂的地段，應(yīng)采取多種多重防水措施。

在施工期間，應(yīng)加強(qiáng)用水、雨水管理，做好海墁、馬面、周圍墻體及地面的防護(hù)、排水工作，防止水浸泡城墻夯筑土體和地基。不論采取何種加固措施，應(yīng)考慮施工的可行性，并符合文物系統(tǒng)的相關(guān)要求，且要盡可能減少對(duì)文物的二次損壞。

4 結(jié) 論

本文對(duì)西安古城墻21號(hào)馬面區(qū)段產(chǎn)生的裂縫成因進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)其地基的不均勻沉降以及防排水系統(tǒng)不足等原因采取了相應(yīng)的處理措施。通過采用鋼管灌注樁和灰土擠密樁等技術(shù)對(duì)此段地基進(jìn)行維修加固，同時(shí)對(duì)其防排水系統(tǒng)也做了相應(yīng)處理，阻止了裂縫的擴(kuò)展，提高了21號(hào)馬面區(qū)段的結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性，達(dá)到了對(duì)古城墻保護(hù)維修的目的。因?yàn)椴煌木S修加固技術(shù)都有其各自的適用性和局限性，同時(shí)由于城墻的重要性、特殊性，在維修加固方案的選擇時(shí)，都必須根據(jù)城墻的具體情況，對(duì)史藝價(jià)值、殘毀程度、使用要求、施工條件、加固費(fèi)用等因素進(jìn)行綜合考慮，方能取得良好的加固效果。

[1] 李金娜，左巖巖，路麗芳.古城墻的修繕與加固措施綜述[J].神州，2013(15)：49.

[2] 任艷軍.地下水對(duì)地基基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)的影響[J].建設(shè)科技，2015(3)：91-92.

[3] 倉基俊，關(guān)云飛，陳海軍，等.軟土地區(qū)淤泥質(zhì)土堆山工程的地基沉降與土體穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2012,10(1)：31-35.

[4] 和留憲，周明君，羅宏偉.陜西省咸陽市多年地下水位動(dòng)態(tài)影響因素分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2012,10(4)：160-164.

[5] 馬 杰，王劍波，王偉強(qiáng).淤泥地基處理中真空度和孔壓變化規(guī)律研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2012,10(2)：61-64.

[6] 彭旭錚.土體多尺度變形理論及計(jì)算分析[D].廣州：華南理工大學(xué)，2015.

[7] 尚川川.工程降水引發(fā)的地面沉降研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2010.

[8] 李毅男，張 權(quán)，李維朝.基于防排水措施的灰場(chǎng)深厚濕陷性黃土地基處理[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2012,10(1)：77-80.

[9] 曹 艷，王 苗，陳 貝，等.地鐵建設(shè)對(duì)古建筑的影響[J].黑龍江交通科技，2015,38(11)：167-169.

[10] 周業(yè)培.夏熱冬冷地區(qū)自然室溫環(huán)境下住宅墻體熱工性能研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[11] 劉波明，郭優(yōu)騰，李春生.復(fù)雜地質(zhì)條件鋼管立柱灌注樁施工技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2016，43(8):77-80.

[12] 鄒正盛，錢忠曉，孔 超，等.復(fù)雜地層雙動(dòng)鋼管護(hù)壁灌注樁施工技術(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013，35(S2)：1188-1191.

[13] 謝 攀，黃小許.預(yù)鉆孔靜壓微型鋼管灌注樁在橋基搶險(xiǎn)加固中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2012(8)：67-70.

[14] 馬 俊. 南京獅子山段損傷城墻的加固對(duì)策研究[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2011，23(4)：71-75.

[15] 翟麗云.濕陷性黃土地區(qū)灰土擠密樁施工技術(shù)[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2015(11)：126-127，130.

Causes Analysis and Reinforcement Techniques for 21 Horse Wall Cracks of Xi'an Ancient City Wall

FAN Xuening1, ZHENG Aiwu1, ZENG Fankui1, WANG Lei2

(1.CivilEngineering,Xi'anTechnologicalUniversity,Xi'an,Shaanxi710021,China;2.ShaanxiResearchInstituteofCulturalHeritage,Xi'an,Shaanxi710000,China)

Xi'an ancient city wall is a national key cultural relics protection units and most completely preserved ancient city wall of building in China. In recent years, the increase of wall cracks has seriously affected the whole performance of the wall, therefore professional maintenance is needed. The maintenance and reinforcement method of factors is given based on analyzing its present situation and damage mechanism. The reinforcement method of steel pipe piles and sand piles in order to stop the development of cracks and preserve most of its original architecture cultural style, which can provide reference to the ancient building’s protection.

Xi'an ancient city wall; horse wall; cracks; cause analysis; reinforcement

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.021

2017-01-10

2017-02-28

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014JM2-5079)；西安市2014年科技計(jì)劃項(xiàng)目(CXY1432(1))

范學(xué)寧(1993—)，女，陜西商洛人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥聊竟こ探ㄔ炫c管理。E-mail：466746045@qq.com

TU472

A

1672—1144(2017)03—0104—06