胶木棒锚杆在唐皇城含光门土遗址锚杆锚固中的应用

戎　岩, 李玉虎, 曹　静,黄四平, 王文军, 傅　鹏, 杨　子

(1 陕西师范大学 材料科学与工程学院, 历史文化遗产保护教育部工程研究中心， 陕西 西安 710119；2 咸阳师范学院 经济与管理学院， 关中古代陵寝文化研究中心， 陕西 咸阳 712000)



胶木棒锚杆在唐皇城含光门土遗址锚杆锚固中的应用

戎岩1，2, 李玉虎1*, 曹静1,黄四平1, 王文军1, 傅鹏1, 杨子1

(1 陕西师范大学 材料科学与工程学院, 历史文化遗产保护教育部工程研究中心， 陕西 西安 710119；2 咸阳师范学院 经济与管理学院， 关中古代陵寝文化研究中心， 陕西 咸阳 712000)

摘要：针对唐皇城墙含光门土遗址出现的夯土脱落、变形裂隙、建筑工艺裂隙等病害现状，对该遗址的土体性能进行了测试分析，设计了适宜于半干旱、半湿润地区土遗址的胶木棒锚固锚杆。结果表明：对比其他土遗址类锚杆，采用均匀分布阻力棒的胶木棒锚杆具有抗腐蚀、强度大、韧性好等特点；此胶木棒锚杆性能优异，已成功应用于唐皇城墙含光门土遗址等重要文物的保护工程中。

关键词：胶木棒锚杆； 唐皇城含光门； 土遗址； 锚固

唐皇城墙含光门遗址位于明清西安城墙内，是为保护唐长安城皇城含光门遗址而建立的一座专题性博物馆。博物馆内主要展示隋唐含光门门道遗址、城墙断面遗址(包括隋唐、唐晚期至五代、宋、元、明、清及近现代的城墙土遗址)和隋唐长安城皇城过水涵洞遗址。该遗址历史悠久，具有很高的考古学和历史价值。但由于年代久远，土遗址出现了夯土层松动脱落、墙体裂隙，最终导致坍塌破坏。由于土壤自身物理、力学性质和建造工艺等因素[1]，决定了土遗址的脆弱性，故土遗址的加固保护需综合考虑较多因素[2]。锚杆锚固技术是原位加固土遗址的重要方法之一[3]，可以有效地提高土遗址的稳定性[4]。

在土遗址保护领域,常用的锚杆材料有木棒[5]、碳纤维楠竹[6]、楠竹加筋复合材料[7]等，锚杆形状多采用棒状设计。木质锚杆[8]，在干旱地区使用不易腐烂，经历几千年后仍然有较好的强度和支护作用[9]。但木质锚杆的含水量较高，随着环境的改变，木锚杆的收缩性必然大，会直接影响锚固质量和锚固效果。楠竹加筋复合锚杆[10]，其体积大、耐久性好、强度较高，适用于大体量的土遗址加固。但是楠竹材质仍然是木质的，其在半干旱或潮湿地区，其耐久性仍难以满足要求。碳纤维楠竹[11]，是在楠竹表面粘贴碳纤维布，以提高锚杆与锚固体之间的表面摩擦系数，增强锚固力，与其他非木质锚杆材料相比[12]，其强度较低，一般应用于小体量的土遗址加固，锚杆长度为0.7～1 m，多用在干旱地区。

对唐含光门东展厅及西展厅中存在较大变形裂隙及有坍塌趋势的土遗址进行勘察，结合该地区土质特性，本文设计和加工适用于半干旱、半湿润地区的土遗址加固的锚杆，并应兼具刚性、韧性及兼容性[13]，通过陕西师范大学土遗址模拟坑的锚固实验，遴选出最适宜的锚杆长度和锚固材料。

1遗址裂隙病害调研

唐皇城墙含光门土遗址中，在东展厅的门道遗址中存在许多的微观裂隙和宏观的大裂隙，其中在中东门道隔墙上存在着许多较大的变形裂隙，这些裂隙(如图1)可能造成墙体的坍塌。

1.1城墙门道遗址濒危夯土块

在城墙悬空带周围，特别是悬空带的上部，存在大量的濒危夯土块(图2、图3)，这些土块底部悬空，仅靠与墙体的一点黏结力相连，在重力作用下或者外界周围车辆运动震动的影响下，极易从墙体上脱落，导致中东门道遗址隔墙西上部分整体垮塌，造成无法弥补的损失[2]。

1.2城墙门道遗址贯通南北大裂缝

从南侧观察，大裂缝底部东西宽2.8 m，顶部东西宽2.6 m，呈梯形(近似长方形)。在整个墙体中，有一条贯穿南北的建筑裂缝(图4)，裂缝从墙顶延伸到墙底，使整个墙体分为东西两部分，各部分的宽度底部基本为1.5 m，并向上倾斜，上部分宽度基本为1.3 m。其中西侧墙体，由于中部的地基凹进，形成的上部悬空，在重力作用下，有向西倾倒的趋势，需要用锚杆加固[14]。

1.3南北大裂缝内滋生害虫

为探明遗址裂隙内容状况，选用专业内窥镜仪器，将内窥镜探头伸入城墙门道遗址大裂缝的南侧，以便窥探裂缝内部的保存状况，为制定合理的保护计划及工程实施，提供更为科学而翔实的信息。

通过内窥镜拍摄到的遗址裂缝内部状况(见图5)，不难看出，城墙门道遗址缝隙内部存在蜘蛛大面积结网现象，螨虫滋生较为严重，遗址表面粉化现象较严重甚至脱落。

综上，该遗址发生层状松动的成因较为复杂。其成因主要是由于盐害酥粉导致，由于可溶盐溶解与重结晶发生体积变化，且由于夯土层之间组成及理化性质差异，不同时代的城墙土体之间的成分不同，土体的化学组成与热力学常数、黏结强度等物理性质和化学性质存在差异，夯土层与层之间黏结力相对较弱，在外界环境变化时，不能协同变化，黏结力与密实度较小的层间极易发生土体酥粉，导致此处墙体机械性能下降[15]，在重力的作用下，局部墙体便会发生剥落和崩裂。另外，潮湿环境让古墙体滋生了大量菌类，而寄生其中的螨虫以食有这些菌类为生，在历经千年的变化中，它们在墙体的土层中筑巢、繁衍生息，从而对土遗址造成了机械性破坏，加剧夯土层间的粉化，使其松动脱落。而城门以及城墙内外两侧紧邻公路，车流量大，同时城墙上经常举行大型活动，这些震动也是造成城墙裂缝发育及发展的影响因素之一[16]。

2胶木棒锚杆设计及性能测试

2.1胶木棒锚杆设计

为克服现有锚杆耐久性差、强度较低、不适用于各种长度遗址土体的锚固等缺陷，本工作设计了一种适宜于半干旱、半湿润地区的胶木棒土遗址加固锚杆[17]。

该胶木棒锚固锚杆(如图6)包括多个连接螺杆1、多节胶木杆2、多个阻力棒3和胶木螺母4。其中：各胶木杆2一端端面均安装有连接螺杆1，各胶木杆另一端端面中心均有与连接螺杆1配合的盲孔，使用时，根据所需锚杆长度，将各节胶木杆2通过连接螺杆首尾连接，形成了加固锚杆。在加固锚杆的圆周表面分布两组贯通该加固锚杆杆身的阻力棒安装孔，分别用于安装第一组阻力棒3和第二组阻力棒5。多个阻力棒分为两组，安装在该阻力棒安装孔内，并使各阻力棒的两端露出加固锚杆的圆周表面。各阻力棒安装孔的中心线与加固锚杆的中心线垂直相交，使安装后的各阻力棒的安装角α=90°。两组阻力棒安装孔分别位于加固锚杆杆身不同的圆周上，使第一组阻力棒3的中心和第二组阻力棒5的中心分别处于加固锚杆圆周表面上不同象限内，第一组阻力棒3的中心线和各第二组阻力棒5的中心线之间的夹角β为90°。胶木螺母4套装在所述加固锚杆上，位于该加固锚杆的尾端。当所述加固锚杆装入土遗址内，使该胶木螺母4的端面与土遗址的表面贴合，以增加对土遗址的支撑面积。

每组阻力棒均沿加固锚杆轴向排布，每组阻力棒中相邻的两个阻力棒之间的中心距L2=200。胶木螺母4为圆形，中心为螺纹孔，使用时，套装在加固遗址土体外端的连接螺杆1上。各胶木杆表面均抛光打磨，并在胶木杆、阻力棒、连接螺杆和胶木螺母的外表面均涂覆有植筋胶，形成了厚度为2 mm的植筋胶层。胶木杆、阻力棒和胶木螺母三者的原材料均为环氧树脂胶木杆。设计图见图7。

首先在锚杆上每隔10 cm钻直径为10 mm的小孔，呈交叉状排列，然后给长为6 cm、直径为10 mm的小胶木杆上涂抹植筋胶，用力楔入锚杆小孔中。最后，设计和加工了两种胶木螺丝：胶木锚杆螺丝和不锈钢质的锚杆螺丝。胶木螺丝是在原胶木锚杆的一端用螺丝机进行成丝，钢质螺丝是在锚杆的一端钻成带丝的小孔，然后给螺纹钢筋上涂抹植筋胶，然后拧上。设计和加工好的钢质锚头锚杆见图8，同时设计和加工了与之配套的胶木螺母(如图9)。

该锚杆具有以下优点：①选择胶木杆作为锚杆材料，具有抗腐蚀、强度大、韧性好等特点，性能优异，可应用于干旱、半干旱、潮湿的土遗址加固环境；②胶木杆上交错90°均匀分布阻力棒，避免了传统的单一棒状设计理念，形成的这种阻力结构更有利于增强锚固力； ③根据锚固长度，通过连接螺杆，将胶木杆连接成不同长度，取代了传统的黏结剂结合方式，增强锚固力，适用于不同遗址土体的需要。

2.2锚杆抗拉强度测试

锚杆性能对比见表1。

*楠竹性能来自《交河故城保护加固技术研究》，胶木杆和不锈钢性能来自产品说明书。

采用WE-1000A液压万能试验机对纤维胶木杆的抗拉强度进行了测试，测试方法按照金属材料室温拉伸试验法GB/T 228-2002测试标准进行。测试结果如表2所示，胶木杆的平均抗拉强度为70.8 N /mm2。

*河北环氧树脂厂生产的北信牌环氧树脂胶木杆，其特征参数为：密度为2.1 g/cm3, 抗拉强度≥1 360 MPa，抗弯曲强度为930 MPa，弹性模量为41 GPa，吸水率为0.013～0.04，线膨胀系数为3.0×10-6/K。

2.3断裂韧性测试

断裂韧性是指材料阻止宏观裂纹失稳扩散能力的度量，断裂韧性测试常通过抗弯强度测试实现。采用GW-40钢筋弯曲试验机(济南试金集团有限公司)进行该测试，测试方法参照GB/T 1449-2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法。

测试条件：经胶木棒(直径为35 mm)加工的胶木片，跨距300 mm，挠度棒的直径22 mm，试验速度2 mm/min。弯曲荷载与跨中挠度曲线见图10，依据抗弯强度公式：

式中，σf为弯曲强度，MPa；P为破坏荷载，N；l为跨距，mm；h为试验厚度，mm；b为试样的宽度，mm。代入数据，可计算出胶木锚杆的抗弯强度σf为964MPa。

分级荷载弯曲模量计算公式为

式中：Ef为弯曲弹性模量，MPa；ΔP为荷载-挠度曲线上初始直线段的荷载增量，N；ΔS为与荷载增量ΔP对应的跨距中心处的挠度增量，mm；l、b、h与上式相同。代入数据可计算出胶木锚杆的弯曲模量Ef为2 732MPa。结果表明，胶木锚杆有较优异的抗弯强度，土遗址锚固锚杆的力学特性需刚性与韧性兼备，胶木棒锚杆符合该要求，能够满足工程实施的需要。

2.4锚杆拉拔试验数据

本工作选择了粉煤灰、纳米二氧化硅、植筋胶、生石灰系膨胀剂和ZB-F600双组分水性氟为灌浆材料。初始黏度为9 mPa·s，胶凝时间为28 d，抗压强度为8.53 MPa，膨胀率为0.143%。结果见表3。

*锚固体由锚杆和浆体组成，形状为圆柱体。

经过测试，所述的锚杆平均破坏荷载为66 kN，大于锚固轴向拉力的设计值Nt，满足含光门土遗址保护的要求。

3含光门锚杆锚固工程实施及效果

含光门中门道墙体有10个韧木洞，综合考察10个韧木洞，其中3、4两个洞处于悬空带中心部位，在3、4两个已有韧木洞中使用锚杆，对防止其坍塌脱落非常关键。通过用内窥镜观察，3、4、10三个洞中没有残留生漆与木纹。由于10韧木洞所处位置为边坡底部，相对很安全，在对3、4韧木洞实施锚固之前，先对10进行锚固。

含光门土遗址的锚杆加固具有地质工程高边坡加固的属性，又属于文物保护加固的范畴，所以锚杆加固所采取的措施和工艺具有复杂性、专业性和特殊性，锚固工艺流程如图11所示。

3.1施工前的准备

施工前的准备主要包括脚手架的搭设和临时支护，脚手架的搭设是后续施工的平台，临时支护是锚固灌浆施工的安全储备与保障。

脚手架的搭设应满足《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》的强制性标准。内容有：①脚手架承载力按照概率极限状态设计，保证纵向、横向水平杆等受弯钩件的强度和连接构件的抗滑承载力，保证立杆的稳定性及下部地基的稳定性，保证连墙件的强度及稳定性；②采用敞开式脚手架(仅设有作业层栏杆和挡脚板，无其他遮挡设施的脚手架)；③脚手架钢管采用3#普通钢管，其质量符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T 700-1998中Q235-A级钢的规定，脚手架钢管的尺寸：外径48 mm，壁厚3.5 mm，横向水平杆最大长度为2 200 mm，其他杆最大长度650 mm；④木脚手架板采用松木或杉木制作，其材质应符合现行国家标准《木结构设计规范》GB 50005-2003中Ⅱ级材质的规定，脚手架板厚度不应小于50 mm，两端应各设直径为4 mm镀锌钢丝箍两道；⑤其他强制性标准。

临时支护对于加固安全施工有重要意义，墙体在施工扰动过程中可能发生倾倒、滑移等运动，给施工区域的人员及文物带来安全隐患，为了有效防止墙体发生破坏性的运动和位移，必须进行临时支护，以确保加固施工的安全。支护不得破坏文物本体[18]。3.2成孔预加固

锚孔利用门道遗址墙体上的建筑孔洞，只是为了要对这些孔洞进行修整，一是清除孔洞里面的浮土与杂土，二是对孔洞里面进行修整，使孔洞内外直径统一为100 mm。

为了增加锚浆体与土体的摩擦力，选用CB-1和CB-2黄土加固剂对整修后的孔洞进行加固，各加固3遍，以增加土体机体的强度。

3.3锚杆制作与安放

门道隔墙遗址共设计锚杆3根。锚杆依据孔洞的长度，设计成直径为35 mm、长度为3 100 mm的胶木锚杆，两端设计成胶木螺旋丝并带胶木螺帽，采用H型加固方法。

3.4浆液制备与灌浆

经过实验室的筛选，选用基于水性氟的复合灌浆材料，遴选最适宜配方，灌浆顺序自下而上、由低向高，单孔逐一连续进行[19-20]。

3.5锚杆养护

自然养护1个月。

3.6锚头安装与锁定

在养护完成以后，安装台座和用胶木螺帽锁定。

3.7锚杆检测

由于锚杆数量较少，不再进行拉拔试验。只是检测锚杆有无倾斜，灌浆体有无开裂、变色等不良病害等。

3.8锚孔修复与做旧

锚杆加固后的墙面还要进行后期处理，古遗址外表面要求修旧如旧[20]，加固后不能有明显的加固痕迹，对于锚杆的空洞位置进行的进一步处理主要包括去除多余锚杆，表面修复防风化处理和表面作旧。

遗址锚固前后的效果分别见图12和图13。

4结论

通过对含光门土遗址的病害调研分析，发现该遗址存在不同程度的变形裂隙及建筑工艺裂隙，由于应力的重新分布，引起土遗址表面产生开裂，并在微环境不断变化的影响下，裂缝不断扩大，产生次生裂隙。采用内窥镜的观测，在大裂缝内存在害虫，由于其不断地对土体进行机械破碎，加速了遗址的风化。含光门土遗址存在大量的裂隙及较大的裂缝，锚杆锚固是较为有效的保护措施之一，结合该土遗址的特征，选用适宜于半湿润半干旱地区的胶木棒锚固锚杆进行锚杆锚固加固，通过分析检测，该锚杆的锚固效果较常见的土遗址类锚杆性能较优。

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〔责任编辑王勇〕

Application of bakelite rod anchor in protection of Tang Hanguangmen Entrance remains

RONG Yan1,2， LI Yuhu1*, CAO Jing1,HUANG Siping1, WANG Wenjun1, FU Peng1, YANG Zi1

(1 School of Material Science and Engineering， Shaanxi Normal University,Engineering Research Center of Historical and Cultural Heritage Conservation,Ministry of Education, Xi′an 710119, Shaanxi, China；2 Department of Economics and Management, Ancient Mausoleum and Culture Research Center, Xianyang Normal University, Xianyang 712000， Shaanxi，China)

Abstract:Aiming at the disease statuses，such as rammed earth off,deformation crack,structural crack,and based on previous research results, the bakelite rod has been designed，which suits for the soil site in semi-arid and semi humid region. The results show that compared with other anchors used in protection of soil site, bakelite rod，which was uniformly distributed with resistance bars，possess excellent performance in corrosive characteristics, intensity and tenacity. Bakelite rod has been application in protection of significant cultural relics such as Tang Hanguangmen Entrance remains.Keywords: bakelite rod； Tang Hanguangmen Entrance remains； earthen archaeological sites； anchoring

文章编号：1672-4291(2016)03-0069-06

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2016.03.332

收稿日期：2015-11-06

基金项目：国家社会科学基金(10XZS013); 陕西省教育厅专项基金(15JK1795); 陕西省重点扶持学科中国史(历史地理学)专项资金(0602)

*通信作者：李玉虎，男，教授，博士生导师。E-mail:liyuhu@snnu.edu.cn

中图分类号：TU18

文献标志码：A