金山嶺長城28～32號敵樓段建筑構(gòu)造初步探查及損傷原因分析

蔣慧慧 建研航規(guī)北工（北京）工程咨詢有限公司，北京 100013

金山嶺長城為明長城一部分，隸屬于薊鎮(zhèn)長城古北口路，地處極衛(wèi)之地，敵樓密集，距離最近的兩座敵樓相距不足50 米，絕大部分磚石敵樓和墻體保存相對完整，建筑形制保存完好。本項目敵樓的建筑分為二種：磚石結(jié)構(gòu)的敵樓，磚木結(jié)構(gòu)的敵樓，而城墻則為磚石結(jié)構(gòu)。

1 采用現(xiàn)代探查手段及儀器獲取資料

1.1 激光三維影像

1.2 無人機(jī)拍照

1.3 地質(zhì)雷達(dá)掃描（略）

1.4 墻磚強(qiáng)度試驗（略）

1.5 現(xiàn)場人工探（略）

敵樓結(jié)構(gòu)異常點示意

2 28～32 號敵樓及城墻建筑構(gòu)造概述

2.1 磚石結(jié)構(gòu)的敵樓

28 號和31 號敵樓，基礎(chǔ)為條石砌筑，條石高度約為400mm，砌筑高度依據(jù)山勢不同，內(nèi)部為夯土或碎石填充。上部為條磚砌筑，頂部為磚拱，墻體內(nèi)部和券拱部分中存土及碎石填充。頂層鋪房（缺失）。主要磚石結(jié)構(gòu)保存較為完整。門洞和箭窗多為券頂，31 號敵樓門洞有石券頂及門柱石。墻面有一定收分。

墻體及粘結(jié)材料現(xiàn)場檢測

2.2 磚木結(jié)構(gòu)的敵樓

29 號、30 和31 號敵樓，基礎(chǔ)為條石砌筑，條石高度約為400mm，砌筑高度依據(jù)山勢不同，內(nèi)部為夯土或碎石填充。地坪以上，主體仍為磚砌結(jié)構(gòu)，頂一般為平頂，木構(gòu)，敵樓內(nèi)部多設(shè)柱礎(chǔ)，四角部和墻體對稱部位也設(shè)木柱以支頂二層樓板?，F(xiàn)敵樓木結(jié)構(gòu)全部缺失，敵樓地面以上外圍護(hù)墻體損毀坍塌嚴(yán)重。門洞和箭窗多為券頂，門洞和箭窗內(nèi)側(cè)頂設(shè)過梁木條，木條全失，導(dǎo)致其上部皆有塌垮現(xiàn)象。墻面收分不顯。

各敵樓內(nèi)部地面敷設(shè)四～五層條磚，條磚上部為約10mm 厚灰土墊層，墊層上部為一層方磚墁地。敵樓地面墁磚多有損毀。

各敵樓間由城墻連接，城墻均為磚石結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為條石砌筑，條石高度約為400mm，砌筑高度依據(jù)山勢不同，上部為條磚砌筑，內(nèi)部依據(jù)山勢，或為山體本身輔以碎石及夯土填實，或為碎石及夯土填實。城墻頂部一般敷設(shè)三層條磚，條磚上部為約10mm 厚灰土墊層，墊層上部為一層方形墁磚。城墻總體在外側(cè)設(shè)置敵墻，南側(cè)為女墻，墻體每隔一段設(shè)置擋水磚。城墻總體高度約為4 米～6 米，厚度約6.5 米。敵墻及女墻略有收分，厚約480mm～600mm。

城磚主要為兩種規(guī)格，條磚為370×190×90mm，地面方磚為360×360×90mm，條石高度基本相同，長度無統(tǒng)一尺寸。

3 主要破損概述

通過現(xiàn)場對金山嶺長城28～32 號敵樓段實地勘測，總結(jié)問題如下：

①地基基礎(chǔ)：31 號敵樓地基基礎(chǔ)存在滑脫及沉降現(xiàn)象，其中以北側(cè)為主，表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重歪閃，砌體斷裂，最大裂縫寬度達(dá)到100mm。31 號-32 號敵樓段墻體部分基礎(chǔ)滑脫，表現(xiàn)為南側(cè)部分墻體垮塌。其余部分基礎(chǔ)條石存在小范圍脫落滑動現(xiàn)象；

②對結(jié)構(gòu)造成破壞主要荷載為風(fēng)荷載；

③外觀：根據(jù)現(xiàn)場勘查，敵樓上部結(jié)構(gòu)存在較多裂縫，主要分為結(jié)構(gòu)沉降開裂，剪切應(yīng)力破壞開裂，構(gòu)造裂縫三種；敵樓及長城墻體酥堿，風(fēng)化嚴(yán)重，表面凹陷程度已影響結(jié)構(gòu)安全性；磚石結(jié)構(gòu)敵樓拱頂均存在不同程度裂縫；

④本段所有敵樓頂部、地面及城墻墁磚均已喪失防水及排水功能；

⑤存在普遍植物性破壞；

⑥磚木結(jié)構(gòu)敵樓殘存圍護(hù)磚砌體普遍存在墻體松散、粘結(jié)材料失效現(xiàn)象。

4 主要損傷原因分析

金山嶺長城28～32 號敵樓段砌體主要破壞表現(xiàn)為：砌體風(fēng)化、酥堿、破碎、開裂；粘結(jié)材料主要表現(xiàn)為裂解。砌體結(jié)構(gòu)材料老化（衰退），抵抗自然界的風(fēng)化作用的能力降低。

初步分析其損傷原因，一是磚自身抗損傷的能力，二是外界造成損傷的因素。兩者概括起來有如下幾點：

4.1 砌體材料的流變

流變使砌體抗壓、抗剪能力降低，即使墻體上方荷載不增加，也會導(dǎo)致墻體裂損。在墻面出現(xiàn)部分的不連續(xù)豎向和斜向裂縫，類似于受壓和受剪的破壞現(xiàn)象。由于磚與磚間的膠結(jié)材料流變特征不同，時效各異，造成的裂縫現(xiàn)象比較復(fù)雜，有的切過磚體，有的又沿著砌縫。

4.2 溫度的交替變化

根據(jù)相關(guān)氣象統(tǒng)計資料，當(dāng)?shù)氐貐^(qū)氣溫日差大于10℃，年差不下于40℃。磚砌體白天在陽光的照射下，表層首先升溫，由于磚塊是熱的不良導(dǎo)體，熱向磚塊內(nèi)部傳遞得很慢，遂使內(nèi)外出現(xiàn)溫差，各部分膨脹不同，形成與表面平行的風(fēng)化裂隙。到了夜晚，白天吸收的太陽輻射熱繼續(xù)以緩慢速度向磚塊內(nèi)部傳遞，內(nèi)部仍在緩慢地升溫膨脹，而磚塊表層卻由于大氣溫差迅速散熱降溫、體積收縮，于是形成了與表面垂直的徑向裂隙。再加之不同的礦物有不同的體脹系數(shù)，不管是日溫或年溫的反復(fù)變化，會導(dǎo)致本來聯(lián)結(jié)緊密的燒結(jié)黏土彼此分離。溫度變化的速度與幅度對此風(fēng)化的強(qiáng)度同樣具有重要影響。因此，久而久之，這些風(fēng)化裂隙會日益擴(kuò)大、增多，最后裂解成碎塊。

4.3 水的凍結(jié)與融化

因材料老化、裂解、衰退等原因，造成砌體出現(xiàn)裂縫及粘結(jié)材料裂解，進(jìn)而對水體侵害防護(hù)能力降低。根據(jù)近年氣象資料，當(dāng)?shù)囟救諟卮蠖嘣?℃以下，當(dāng)氣溫低于0℃時，浸入磚塊孔狀結(jié)構(gòu)或裂隙的融雪水（或雨水）從液態(tài)的水變成固態(tài)的冰體積膨脹約9%，對孔壁產(chǎn)生壓力可達(dá)100MPa，導(dǎo)致孔壁脹裂，使原有裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，同時產(chǎn)生更多的新裂隙。當(dāng)溫度升高至冰點以上時，冰又融化成水，體積減小，擴(kuò)大的孔隙中又有水滲入，這種“冰劈作用”，會使砌體加快破壞，加速裂解。

4.4 干濕引起的可溶鹽的結(jié)晶與潮解

磚塊中的可溶鹽有原料中混雜的；燒成過程中形成的；由于毛細(xì)作用，地下水帶入的；污染空氣中進(jìn)入磚體的等。當(dāng)有水進(jìn)入磚體時，可溶鹽潮解，向磚體中微細(xì)的各個毛細(xì)管中擴(kuò)散。而水分因干燥蒸發(fā)后，這些可溶鹽隨水分移動到磚的表面，開始在毛細(xì)管中結(jié)晶，狹小的毛細(xì)管必受到結(jié)晶的壓力，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂隙，而這種溶解結(jié)晶，日積月累，使得磚砌體表面粉化。

4.5 物理風(fēng)化的同時，伴隨有化學(xué)作用

磚砌體的表面，與自然界中的雨雪水、地面水等通過溶解、水化、水解、碳酸化、氧化等方式發(fā)生化學(xué)作用，產(chǎn)生新的礦物。當(dāng)空氣中的水分凝結(jié)于磚體表面時，可溶解吸收空氣中游離的CO2、SO2、H2S 等，這些氣體溶于水中形成酸，對磚坯墻體有腐蝕作用。水與磚坯中的某些化合物反應(yīng)生成水合物。如：

這些反應(yīng)導(dǎo)致磚坯表面膨脹酥化，而Ca（OH）2還可以與地下水中的Na+、K+反應(yīng)生成NaOH、KOH，繼續(xù)對磚砌體起破壞作用。

綜上所述，金山嶺長城28～32 號敵樓段磚砌體的損傷主要由于砌體材料本身（磚及灰漿）的老化、溫度、水的凍融、干濕作用等綜合作用的結(jié)果。具體地講，材料的老化、溫度的交替變化、水的凍結(jié)與融化使磚砌體裂解成碎塊；干濕引起的可溶鹽的結(jié)晶與潮解以及自然界中的雨水、地面水等通過溶解、水化、水解、碳酸化、氧化等方式，使得磚砌體表面酥堿粉化。