山海关古城墙(靖边楼-铁门关段)稳定性分析

刘 超 王占雷 刘 波 李 佩 王来红

1.河北建研科技有限公司;2.河北省建筑科学研究院

0 前 言

山海关长城作为明万里长城的起点,是我国古代重要的军事防御工程体系,全国重点文物保护单位,世界文化遗产.山海关城墙为“土筑包砖”结构,是明长城墙体结构的典型代表.城墙经过历次战乱仍较完整地保存下来,是研究古代军事城防设施建设的重要实例.山海关长城开放以来,为当地带来了巨大的社会效益和经济效益,极大的促进了当地及周边地区的经济发展.有效保护其文物和相关环境,合理开发利用其自然文物优势,对弘扬我国优秀的建筑文化和历史文化具有特别重要的意义.

由于山海关城墙长期受到侵蚀作用、人为破坏、气候条件等影响,古城墙破坏严重.为保护古城墙,并对墙体进行安全评价,本文以靖边楼-铁门关段古城墙为对象,采用规范中推荐的圆弧滑动法计算其边坡稳定安全系数,评价其安全性能,为进一步探究城墙的微观受力特性,采用有限差分软件FLAC3D对古城墙进行数值模拟计算,分析城墙体稳定性,并与计算得出的边坡稳定安全系数进行对比分析,为城墙的修复工作提供理论依据.

1 靖边楼-铁门关段长城城墙现状

靖边楼-铁门关段长城走向总体为南北走向,经调查、考证靖边楼-铁门关段长城城墙共分布城台34个,部分城台已经破坏或损坏严重,京哈铁路横穿城墙.外部墙体部分保留,内部夯土外露,呈各种坡度状态,上部被植被覆盖.35号至36号城台墙体基本完整,个别部位缺失.34号至35号城台墙体基本完整.铁路豁口-铁门关外侧墙体顶部已塌落,剩余墙体已被浮土掩盖.靖边楼-铁门关区段现部分墙体存在多处缺口,部分墙体已经出现裂缝、变形和脱空.

2 城墙整体稳定性评价

2.1 评价标准及计算方法

城墙整体稳定性,参照边坡稳定性分析模型进行评估,对该工程可按土质边坡,进行整体抗滑稳定性计算.规范通常推荐采用圆弧滑动法.由于该工程出现失稳破坏会产生不良的社会影响,且相当于永久性边坡,故安全等级设定为一级,边坡稳定安全系数采用1.30.根据墙体失稳特征,采用圆弧滑动法中的瑞典条分法进行分析计算.

2.2 计算对象

为科学合理分析评价,结合城墙体的整体特点进行截面选取.本文只是对墙体的稳定性进行评价,对于与墙体连接的城台可参照城墙计算结果结合城台既有特点分段采用,特选取城墙体截面有代表性的两处进行分析评价,计算时对城墙内侧和外侧分别计算,计算部位如下:

(1)靖边楼-铁路豁口区段35-36号城台间墙体;

(2)靖边楼-铁路豁口区段34-35号城台间墙体;

2.3 计算状态

a、城墙现状自然状态瑞典条分法.

b、城墙现状受雨淋至饱和状态瑞典条分法.

考虑到城墙顶面由于人为活动等因素造成的附加荷载,在35-36号城台间城墙截面顶部施加宽4.8 m,大小为10 kPa荷载的均匀面荷载,在34-35号城台间城墙截面顶部施加宽6.1 m,大小为10 kPa荷载的均匀面荷载.

2.4 土层参数

为客观反映墙体实际状态,根据前期现场勘查、调查数据,结合计算分析目的,确定墙体及下部土层参数,古城墙墙体外部由砖砌体构成,内部根据勘察数据的差异性分成上下两层夯土,城墙底部往下依次划分为填土、粉质粘土、中砂、圆砾、粉质粘土、全风化混合花岗岩层等.具体见表1.

2.5 计算结果分析

35-36号城台间城墙计算部位及结果见图4(自然状态),图5(饱和状态),34-35号城台间城墙计算部位图6(自然状态),图7(饱和状态).

表1 古城墙截面土层参数表

经计算可得城墙截面内侧及外侧在不同状态下的稳定安全系数:

(a)35-36号城台间截面城墙现状自然状态,内侧和外侧稳定安全系数分别为:1.721,1.582;

(b)35-36号城台间截面城墙现状受雨淋至饱和状态,内侧和外侧稳定安全系数分别为:1.713, 1571;

(c)34-35号城台间截面城墙现状自然状态,内侧和外侧稳定安全系数分别为:1.133,1.562;

(d)34-35号城台间截面城墙现状受雨淋至饱和状态,内侧和外侧稳定安全系数分别为:1.117, 1.534;

由上述结果可以看出,靖边楼-铁路豁口区段35-36号城台间古城墙墙体:自然状态下稳定系数内侧1.721＞1.3(稳定),外侧1.582＞1.3(稳定);受雨淋饱和状态下稳定系数内侧1.713＞1.3(稳定),外侧1.571＞1.3(稳定).靖边楼-铁路豁口区段34-35号城台间古城墙墙体:自然状态下稳定系数内侧1.133＜1.3(处于危险状态),外侧1.562＞1.3(稳定);受雨淋饱和状态下稳定系数内侧1.117＜1.3(处于危险状态),外侧1.514＞1.3(稳定).34-35号城台间城墙现状自然状态以及受雨淋至饱和状态内侧稳定安全系数均小于规范要求一级边坡对应的稳定安全系数1.30,甚至达不到三级边坡所要求的稳定安全系数1.20,一旦超过其受力极限平衡状态就有垮塌的危险,须重新加固维修.

图1 35-36号城台间截面墙体稳定计算(自然状态)

图2 35-36号城台间截面墙体稳定计算(饱和状态)

图3 34-35号城台间截面墙体稳定计算(自然状态)

图4 34-35号城台间截面墙体稳定计算(饱和状态)

3 城墙典型剖面的数值模拟分析

为研究古城墙剖面的微观力学特征,采用有限差分软件FLAC3D对城墙剖面进行模拟,得到城墙剖面的应力分布及位移分布,通过对其应力场、位移场的研究评价城墙稳定性,并与规范采用的圆弧滑动法得出的稳定安全系数进行对比分析.

3.1 建模过程简介

FLAC3D程序已成为目前岩土力学计算中的重要数值计算方法之一.该程序用于模拟三维土体、岩体或其他材料体力学特征,尤其是达到屈服极限时的塑性流变特性,广泛应用于边坡稳定性评价、支护设计及评价、地下洞室、施工设计(开挖、填筑等)、河谷演化进程再现、拱坝稳定分析、隧道工程、矿山工程等多个领域.本文中城墙断面采用摩尔一库仑模型进行分析.摩尔一库仑模型是最通用的岩土本构模型,适用于松散或胶结的粒状材料:土体、岩石、混凝土等.

模型采用矩形网格(Brick)和楔形网格(Wedge)两种网格根据实际断面尺寸进行建模.几何模型建好后,赋予模型材料参数.将模型的位移边界(本模型将底部边界的水平、竖直方向)进行约束以及应力边界(本模型对断面的顶部施加10 kPa的均匀面荷载)进行约束后进行计算,直至收敛.

3.2 计算对象选定

该分析采用三维固体模型,为与传统的规范方法相比较,选定相同区段的计算模型.

3.3 计算参数

根据分析目的,结合工程条件进行必要简化,参照有关调查数据,选定计算参数见表2,表3.计算坐标系采用三维坐标,其中X方向为垂直城墙走向方向、Y方向为城墙走向方向,Z方向为竖直方向.

表2 自然状态下城墙数值模拟计算参数表

表3 饱和状态下城墙数值模拟计算参数表

根据墙体夯土上下层不均匀性,在进行单元划分时区别对待.

3.4 计算状态

分别选用现状自然状态、现状受雨淋至饱和状态两种计算状态.

3.5 计算结果及分析

将有关参数和控制边界条件输入程序进行分析计算得到计算模型在不同工况条件下的特征云图(见图8、图9).

通过软件迭代计算,运算至计算模型收敛,可得到在不同工况条件下相应的最大主应力及最大位移值,见表4.

表4 不同断面墙体在不同状态下的最大应力和位移汇总表

根据汇总表和相应的云图结果可以看出,在不同状态和条件下,微观结构力学特征不同.在饱和状态下城墙最大主应力和最大竖向位移均比自然状态下的大,应力作用最大和集中区域主要位于城墙砖砌体下部、砌体砖土交接处.最大塑性应变区域位于城墙顶部夯土与砖交接处.35-36城台间城墙最大竖向位移区域位于城墙夯土顶部靠近砖砌体部位,34-35城台间城墙最大竖向位移区域位于城墙夯土顶部靠近坍塌一侧.

34-35城台间城墙从数值模拟计算结果看,其内侧城墙已处于临界破坏状态,采用规范中的圆弧滑动法求得的34-35城台间内侧城墙稳定安全系数小于1.30,数值模拟与规范方法计算得出的结论一致.数值模拟得出的墙体的最大主应力与竖向位移在饱和状态下明显大于自然状态下的数值,规范方法得出的稳定系数在饱和状态下要比自然状态的小,也验证了数值模拟与规范方法计算得出的结论的一致性.另外,要特别注意雨水浸入给城墙稳定性带来的不利影响.

图5.1 35-36号城台间墙体截面最大主应力云图

图5.2 35-36号城台间墙体截面位移云图

图6.1 34-35号城台间墙体截面最大主应力云图

图6.2 34-35号城台间墙体截面位移云图

4 结 论

①借助数值分析软件,可以更直观的得到计算模型的应力场和位移场,从而判断其稳定状态,为古城墙的修复工作提供一定的理论依据.

②采用数值模拟分析得出的结论与按规范方法计算得出的结论基本一致.

③要特别注意雨水的浸入给城墙稳定性带来的不利影响,在城墙的修复和保护工作中防水的工作一定要做好.

[1]刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南.人民交通出版社,2005

[2]谢瑛,陈书丽,巩立亮.荥阳古城墙稳定性数值分析研究.山西建筑,2008,30:89～90

[3]张立乾,郭富民,葛川.山海关东罗城古城墙文物保护加固研究.特种结构,2008,5:80～83

[4]GB50330-2002建筑边坡工程技术规范

[5]彭文斌.FLAC3D实用教程.机械工业出版社,2008