論如何提高傳統(tǒng)夯土墻穩(wěn)定性以及加固措施

田鵬

摘 要：土制建筑是人類在發(fā)展過(guò)程中最早使用一種建筑材料，然而經(jīng)過(guò)上千年的人類智慧的積累和不同地區(qū)的特色，保留下來(lái)了許多具有文化價(jià)值的建筑遺產(chǎn)。然而由于土制的建筑經(jīng)過(guò)大自然的風(fēng)吹雨淋，個(gè)別地區(qū)又伴隨著地震的發(fā)生，這種建筑的壽命會(huì)嚴(yán)重縮短，所以提高傳統(tǒng)夯土墻的穩(wěn)定性及其加固措施便顯得非常的重要。本文討論的便是提高傳統(tǒng)夯土墻的防水性能和抗震加固方法。

關(guān)鍵詞：夯土墻；穩(wěn)定性；加固

前言

在人類的發(fā)展歷史上，土的使用最早可以達(dá)到公元前6000多年前的新石器時(shí)代，也正是因?yàn)槿祟悓?duì)土的使用，使得人類住處不需要再到處去尋找山洞或者搭建脆弱的木屋，人類注各種各樣的建筑物也應(yīng)運(yùn)而生。即便在建筑業(yè)發(fā)達(dá)的今天，世界上依舊有大約30%的人口居住在土制的建筑中。我國(guó)使用土制建筑已經(jīng)有幾千年的歷史了，現(xiàn)今我國(guó)使用土制建筑的人口大約有1億左右。在土木行業(yè)發(fā)達(dá)的今天，人有很多人選擇去居住土制建筑的原因是土制建筑能夠適應(yīng)不同的氣候，不論是北方寒冷的地方、赤道附近炎熱的地方或者冬冷夏熱的地方，還是濕度大或者干旱的地方，土制建筑都可以完好的站立在那里。但是土制建筑業(yè)有其明顯的缺點(diǎn)，例如剝落、裂紋、開裂、掏蝕凹進(jìn)、坍塌、蓬松剝落。這些缺點(diǎn)的整治方法即傳統(tǒng)夯土墻的維修、抗震加固等一直是工程結(jié)構(gòu)人員所面臨的難題。本篇文章討論的便是如何提高傳統(tǒng)夯土墻穩(wěn)定性以及加固措施。

一、“人工快速鈣化”加固保護(hù)技術(shù)

南方在傳統(tǒng)夯土墻加固保護(hù)這一方面主要是以夯土墻的耐水性為中心，其次以“保持原貌，修舊如舊”為加固的夯土墻的基本規(guī)范。在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行了一段時(shí)間的實(shí)地考察后，根據(jù)考察所得到的結(jié)果數(shù)據(jù)可知夯土墻暴露在大自然的條件下，其表面會(huì)經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成“鈣化”?！扳}化”這種情況在所有的夯土墻上都會(huì)多多少少存在，但是可能由于夯土的材料、種類、特性等原因，或者是與夯土墻所在地區(qū)的環(huán)境氣候、建造時(shí)間、使用維護(hù)等自然原因有關(guān)，夯土墻的“鈣化”程度差距很大。但是我們?yōu)槭裁匆懻摵煌翂Φ摹扳}化”程度呢？因?yàn)楹煌翂Ρ砻妗扳}化”后，會(huì)形成一種防水的物質(zhì)，而“鈣化”程度越高，其防水效果越好。若這種物質(zhì)能夠?qū)⒄麄€(gè)夯土墻全部表面覆蓋住，那么這個(gè)夯土墻便再也不怕雨水的澆灌了。那么造成夯土墻“鈣化”的具體原因是什么呢？人為是否可以操控？這些問(wèn)題的答案便給夯土墻的加固帶來(lái)的極大的方便。

根據(jù)自然的“鈣化”原理，我們研制出了一種“人工鈣化”方法。白灰和三合土是保護(hù)墻免受雨水侵害的通常手段，它們的主要成分都是石灰（CaO），是一種以氧化鈣為主要成分的一種無(wú)機(jī)膠凝材料，過(guò)去經(jīng)常使用石灰石或者貝殼等碳酸鈣含量比較高的物質(zhì)作為原料，再經(jīng)過(guò)900～1100℃煅燒形成[1]。

CaCO2 = CaO + CO2↑

石灰石一共有兩種，分別為生石灰和熟石灰，生石灰主要由CaO構(gòu)成，生石灰在潮濕的環(huán)境下或者遇到水就會(huì)變成熟石灰，熟石灰的主要成分是Ca（OH）2。

CaO + H2O = Ca（OH）2

熟石灰再經(jīng)過(guò)一些調(diào)制便會(huì)形成石灰漿、石灰膏、三合土等膠凝劑。Ca（OH）2是一種堿性物質(zhì)，當(dāng)與空氣中的CO2反應(yīng)后，會(huì)產(chǎn)生CaCO3和H2O，這個(gè)反應(yīng)也被稱作碳化反應(yīng)。

Ca（OH）2+ CO2 = CaCO3↓+ H2O

Ca（OH）2是一種固體物質(zhì)，其在水中的溶解度非常的低，而Ca（OH）2的兩種水合物 [ Ca（OH）2·2 H2O ] 和 [ Ca（OH）2·12 H2O ] 在水中的溶解度卻非常的大。所以我們利用Ca（OH）2溶解度低的特點(diǎn)，我們用已經(jīng)飽和的Ca（OH）2溶液噴涂在夯土墻的表面上，這樣溶液中的Ca（OH）2便可以與空氣中的CO2產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成沉淀的CaCO3，進(jìn)而在夯土墻的表面上形成一層“人工鈣化”防水膜。

二、鋼絲網(wǎng)泥漿加固夯土墻體

這種方法是為了提高夯土墻的整體強(qiáng)度的一種加固方法，鋼絲網(wǎng)加固能夠有效解決由于夯土墻外側(cè)受到某些因素后導(dǎo)致的脫落進(jìn)而導(dǎo)致墻體受力不均勻后坍塌的情況。具體措施我們將鋼絲網(wǎng)制作成梅花性狀，以S形狀穿插在墻體中，穿墻的鋼絲間距大約為800mm。鋼絲的四周也使用拉結(jié)筋與墻體強(qiáng)力連接，而且鋼絲網(wǎng)的最外側(cè)保護(hù)層的厚度距離必須上20mm以上，鋼絲網(wǎng)片與夯土墻之間的空隙也要大于4mm。夯土墻的加固材料使用焊接的鋼絲網(wǎng)，使用的鋼直徑通常為2.6mm，抗拉強(qiáng)度需要在711MPa以上，鋼絲網(wǎng)的橫縱間距都要保持在10mm左右[2]。

我們使用有限元法對(duì)以上的假設(shè)方案進(jìn)行強(qiáng)度分析。我們選用湖北省某古城房屋作為分析的模型，此夯墻體遇到的主要問(wèn)題有以下幾種：（1）墻體上有一條長(zhǎng)1.5m，寬5mm左右的裂縫；（2）墻體外部1.4m左右的部分有脫落，掏蝕度大約為10c。（3）距離地面300mm左右的地方存在墻體局部缺失[3]。

我們假定夯土墻和木質(zhì)材料的材質(zhì)都是均勻的，其受力變形也是線性的，而且墻體和木質(zhì)橫梁之間、房屋底部和地面之間都是固定的。單元類型我們選用8個(gè)節(jié)點(diǎn)的六面體單元，材料的參數(shù)見表1。

夯土墻的穩(wěn)定性分析我們使用地震波作為破壞條件，計(jì)算參數(shù)中水平地震影響系數(shù)為0.04，特征周期為0.4秒，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。經(jīng)過(guò)計(jì)算，夯土墻的承重結(jié)構(gòu)在地震的作用下，位移大小為15.2mm，超過(guò)了規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求；橫向最大應(yīng)力值為0.164MPa，縱向最大應(yīng)力值為0.138MPa，超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)的0.08MPa，所以加固前受到地震作用后，墻體很容易受到破壞，最終導(dǎo)致坍塌。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的夯土墻在經(jīng)過(guò)計(jì)算后，最大位移變化值為4.24mm，小于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，能夠承受地震的破壞。經(jīng)過(guò)加固前后的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，加固后的墻體橫向位移變形為加固前的15.32%，縱向變形為加固前的3.24%，加固效果明顯。在夯土墻所承受的應(yīng)力方面，加固后的最大剪切應(yīng)力為0.03MPa，小于規(guī)定的0.08MPa標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值。經(jīng)過(guò)加固前后的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，加固后的橫向剪切應(yīng)力為加固前的12.65%，縱向?yàn)榧庸糖暗?2.01%，加固效果明顯。

三、結(jié)語(yǔ)

本文分別介紹了兩種傳統(tǒng)夯土墻的加固措施，一種是以“鈣化”為理論指導(dǎo)的“人工鈣化”法，主要作用是能夠使傳統(tǒng)夯土墻免受雨水的侵蝕并盡可能的保留了其原有外貌。另一種是通過(guò)有限元分析計(jì)算出假設(shè)的加固方法的加固效果，通過(guò)對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)的對(duì)比，此加固方法效果非常顯著，主要作用是能夠有限提高傳統(tǒng)夯土建筑的抗震能力，有效減少由于房屋坍塌而造成的人員、財(cái)產(chǎn)等損失。

參考文獻(xiàn)

[1]吳任平，葉坤杰，關(guān)瑞明.南方傳統(tǒng)生土建筑夯土墻的水穩(wěn)定性及其加固保護(hù)技術(shù)[J].華中建筑，2016，34（10）：59-62.

[2]任克彬.夯土墻墻體穩(wěn)定性分析及加固措施[A].中國(guó)民族建筑研究會(huì).中國(guó)民族建筑研究會(huì)第十七屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文特輯[C].中國(guó)民族建筑研究會(huì)：，2014：3.

[3]任克彬，田冰峰，喬明燦.夯土墻墻體穩(wěn)定性分析及加固措施[J].中華民居（下旬刊），2014（04）：319-320.

（作者單位：西安建筑科技大學(xué)）