古城墙修复加固技术探讨

肖云飞

(山西五建集团有限公司,山西 太原 030013)

0 引言

随着时间流逝,部分历史久远的古城、村落建筑面临年久失修的问题,多数墙体急需加固。针对古城墙加固和修复,本着“防护加固、现状整修、重点修复、原址重建”的原则,在不破坏既有城墙遗址的前提下,需要一种全新的古城墙修复加固方法,既要确保古城墙的修复质量,又要避免古城墙原貌遭到二次破坏,为今后古城墙的保护修缮(复)提供必要的技术基础。

1 工程概况及研究现状分析

岢岚县古城城墙保护修复工程中包含四座瓮城,除西瓮城完全拆毁外,其余三座瓮城保存相对完整,但由于年久失修,破损严重,加之缺乏日常维护,现存墙体出现裂缝、坍塌、部分缺失等病害,严重影响到结构安全和正常使用。

目前古城墙加固措施主要分为:材料加固和物理加固。材料加固主要是针对表层土体或裂缝注浆,传统的材料加固采用硅酸钾溶液渗透加固,虽然防护效果显著,但会对土体造成不可逆的损伤,针对这一问题,石落[1]提出一种增加一层泥敷的牺牲层的方法对忻州土城墙进行加固,并取得良好的效果。李笑磊[2]提出EICP固化土体技术,以新郑门土遗址为研究对象进行保护的方案。

物理加固,范学宁等[3]提出钢管灌注桩和灰土挤密桩对西安古城21号马面裂缝进行加固。淳庆等[4]使用不锈钢锚杆和改性水泥灌浆的方法对南京六朝建康都城城墙遗址进行加固,加固效果良好。周长东等[5]提出对穿CFRP锚杆加固故宫城墙的方法,通过分析得出可行结论并提出布置方案。

本文结合目前研究现状和岢岚古城项目特点,提出一种瓮城变形墙体加固方法。其中主要是采用扰动相对较少的树根桩加固和锚杆注浆加固方法,尽量减小施工过程中对古城墙的扰动,针对新旧夯土间结合面存在滑移的墙体,增设了锚杆并注浆进行拉结加固,从而提高了新旧土体之间的稳固性。

2 树根桩城墙基础加固方法

2.1 树根桩加固布置方案

树根桩墙体加固范围为瓮城城楼城台东、西、南侧区域内,地坪以下8.0 m～10.0 m以内主要受力层地基土;桩顶标高与基础底标高保持平齐,桩径为200 mm,设定桩长为8.0 m～10.0 m,桩距为800 mm ,桩端持力层进入卵石层为准;树根桩的布置采用斜桩网状布置,所有的树根桩均分为若干组,每组包括三根桩,每组的第一根桩与地面夹角为90°、第二根桩与地面夹角为75°、第三根桩与地面夹角为60°。树根桩加固平面布置如图1所示。

2.2 分析模拟结果

采用理正边坡设计软件进行城墙基底树根桩加固分析验算,采用规范稳定性分析计算公式和方法。经验算,基底加固后,可显著提升城墙土体整体稳定性,稳定性计算结果较未加固前提升44.6%,加固效果明显。

2.3 树根桩加固施工工序

桩加固过程采用跳孔法进行打桩施工,施工顺序如下:第一步,施工90°桩;第二步,施工75°桩:第三步,施工60°桩;相邻桩间隔时间大于10 d。施工剖面图如图2所示。

2.4 树根桩加固施工方法

针对瓮城变形墙体的特性,成孔方式采用螺旋钻杆法成孔,用螺旋锚杆钻机配备空压机进行钻孔,钻机固定牢固,确保钻机机架的水平度和立轴垂直度,成孔时随时观察螺旋钻杆钻出的土,随钻随清,防止因土掉入孔内影响成桩质量。

桩身混凝土强度为C30;主筋采用4根直径16 mm钢筋并沿桩身周边均匀布置;箍筋采用螺旋式,直径6 mm、间距200 mm,桩顶以下2 m范围内箍筋加密,间距100 m;主筋混凝土保护层厚度为35 mm;设置注浆管并插至孔底,需二次注浆的树根桩插设两根注浆管;浇筑混凝土坍落度控制在200 mm±20 mm,石子粒径5 mm～15 mm,石子为卵石;浇筑时设50 mm导管,6 m振捣棒;桩顶设置水平向钢筋混凝土挡板,将桩连接成一个整体,且与条石基础相连,钢筋混凝土挡板厚度为200 mm。

3 锚杆注浆墙体加固方法

3.1 锚杆注浆加固布置方案

锚杆注浆加固是对既有裂缝瓮城墙体开裂处及修缮瓮城墙新旧夯填土结合处,通过放置锚杆后进行注浆施工,水泥浆液将松散土质和钢筋凝结在一起,浆液硬化后形成具有稳定性和较高强度的水泥浆锚杆及脉状水泥土复合体,提高土层的抗变能力,利用锚杆的抗剪作用阻止局部不稳定土体的位移。锚杆呈矩形布置,锚杆间距2.0 m×2.0 m,锚杆锚固入老夯土层不少于3.0 m;锚杆采用直径为32 mm的HRB400钢筋,对于钢筋的焊接长度,单面焊接为10d,双面焊接为5d;注浆压力控制在0.1 Pa～0.2 Pa。瓮城墙体立面锚杆剖面图如图3所示。

3.2 分析模拟结果

采用有限元软件ABAQUS,建立北瓮城城墙结构的三维有限元模型,如图4所示。本模型采用求解速度较快的C3D8R三维八节点减缩积分单元进行模拟。选取Mohr Coulomb本构模型模拟土体的开裂和滑动,将城墙内部土体按工程特性分为两类:新土层和原有土层,各层土体的计算参数见表1。

表1 城墙材料参数设置

在新旧土层间插入锚杆进行加固,上下间隔2 m,左右间隔2 m,倾斜角度为10°,设置5排8列锚杆,共计40根锚杆,如图4所示。

岢岚城墙内部夯土水平位移对比如图5所示,根据图5(a)和图5(b)分析,对比其最大位移值,可以看出,在地震载荷作用下,由于锚杆的抗剪和拉结作用,城墙内部夯土的绝对最大水平位移值由7.56 mm减小至4.15 mm,加固效果作用显著。内部夯土右边缘随高度变化的最大水平位移值曲线如图5(c)所示,未加固时,新旧夯土存在潜在滑移面,位移值较大,最大值发生在顶部位置,为2.41 mm,进行注浆锚杆加固后最大位移值为2.02 mm,比未加固时减小了16.2%,加固效果显著。由曲线可知,注浆锚杆加固对内部夯土底部的加固效果作用较小,对上部的加固作用效果最为明显。

岢岚城墙竖直位移对比云图如图6所示,未加固时,最大竖直位移为1.98 mm,锚杆加固后最大竖直位移为0.15 mm,由此可以看出注浆锚杆对竖直位移的加固效果优于对水平位移的加固。

3.3 锚杆注浆加固施工方法

1)成孔:采用低能量冲击成孔方式或采用回旋钻进成孔方式,成孔间距为2.0 m×2.0 m,孔深保证锚固入老夯土层不少于3.0 m。

2)插筋:采用直径为32 mm的HRB400钢筋作为锚杆,将钢筋置入孔内,并焊接2个～3个定位器;钢筋焊接长度:单面焊接为10d,双面焊接为5d。

3)注浆:注浆泵布置在需锚注的城墙外道路,现场采用水泥浆搅拌桶搅拌配制,注浆前把注浆设备、阀门、高压注浆管路连接好,快速接头连接牢固;确认系统连接准确、安全可靠后,开始注浆;先从小到大的顺序缓慢打开注浆泵的供风阀门进行注浆,注浆过程中控制压力表的压力在0.1 MPa～0.2 MPa,稳定时间达15 min时,先关闭注浆泵,再关闭注浆锚杆处的截止球阀,然后打开压力表下侧的卸压阀进行卸压,使残余在管路内的浆液回流到储液桶内,然后卸下U型销,取下注浆管路,将注浆管路再安装在下一根注浆锚杆上重复进行上述程序继续注浆。

4)锚固:将提前预制好的钢板锚固在孔口。瓮城墙体立面锚杆孔位布置如图7所示。

4 技术实现效果

1)本文提出的锚杆与注浆加固技术,进行实际勘探,依据实际勘探结果进行有限元分析,验证锚杆与注浆加固技术的合理性与可行性;采用有限元方法进行了加固方案的选取,验证了注浆锚杆加固方案的可行性,由结果分析可得,加固后整体结构稳定性大大提高。

2)采用锚杆与注浆加固技术对岢岚城墙进行加固,锚杆不仅可以阻止土体的滑移,增强城墙结构的整体性,且锚杆具有一定的抗剪能力,从而提高新旧夯土层面的抗剪强度。通过锚杆与土体之间的摩擦作用,将引起土体侧向变形的剪应力传递给锚杆,从而限制土体单元的侧向变形,减小对外包砌体的挤压力,进而控制城墙结构的外鼓和失稳破坏。

3)本文提出的对既有城墙地基进行桩径200 mm树根桩加固,斜桩网状布置,顶部设置钢筋混凝土挡板,使桩与城墙条石地基连接为整体;针对遗存部分夯土墙的城墙修复施工,修复完毕后,采用锚杆注浆拉结技术,使新旧土体固结为整体,提高土层抗变能力,阻止不稳定土体位移。该技术既确保古城墙修复质量,又避免古城墙原貌遭到二次破坏,确保施工安全,加快施工进度。