西安古城墙21号马面裂缝成因分析及处理技术

范学宁，郑爱武，曾凡奎，王 磊

(1.西安工业大学 建筑工程学院， 陕西 西安 710021; 2.陕西省文化遗产研究院， 陕西 西安 710000)

西安古城墙21号马面裂缝成因分析及处理技术

范学宁1，郑爱武1，曾凡奎1，王 磊2

(1.西安工业大学 建筑工程学院， 陕西 西安 710021; 2.陕西省文化遗产研究院， 陕西 西安 710000)

西安古城墙是全国重点文物保护单位，也是中国现存最完整的一座古代城垣建筑。近年来墙体裂缝增多，严重影响了城墙的整体性能，急需专业处理进行维护。通过对城墙21号马面裂缝的现状监测，具体分析了其破坏因素与破坏机理，针对存在的问题提出了钢管灌注桩与灰土挤密桩施工的加固方法，阻止了裂缝的扩展，最大限度地保持城墙原有风貌，对类似古建筑的保护有一定的借鉴意义。

西安古城墙；马面；裂缝；成因分析；加固

西安古城墙是中国古代著名的城垣建筑，也是保存最完整的古城墙，至今已有600多年的历史。它作为古代的防御设施饱受战争炮火的洗礼。近现代以来，经历了抗日战争、解放战争、文革等时期，人们在城墙上挖洞取土取砖，生活、居住、生产、修筑人防工事，对整个城墙产生了很大的影响；近30年来城墙作为西安的城市名片、著名的旅游观光资源，接待了来自国内外的游客，这些人类活动不可避免的使城墙的工程环境愈加复杂，如孔洞的存在、管线的密布，观光设施、设备的增加，大量人流、自行车、电瓶车流增加的负载等等，导致城墙发生变形及产生裂缝。资料显示，近年来城墙裂缝问题日益突出，尤其是马面裂缝最为严重，约占到了总裂缝的90%。裂缝的存在会影响墙体的稳定性，甚至会引起墙体倒塌[1]。文章选取了城墙21号马面，对其裂缝现状做一描述，通过现场勘测和查阅资料，分析了裂缝的形成因素，应采取的维修与处理措施，对避免裂缝的继续产生和发展，以及对城墙的后期保护有着重大的意义。

1 21号马面裂缝现状

西安城墙21号马面区段位于城墙南门东侧，具体位置见图1。周围地形较平坦，属于渭河盆地中的黄土台塬与冲积平原之间的过渡地带，地貌单元属二级台地Ⅱ- 2。21号马面城墙病害主要外在表现为城墙海墁、马面、墙体的沉陷及裂缝。主要裂缝测量、统计并作简要描述如表1，具体裂缝如图2、图3所示。

图1 西安21号马面交通位置图

图2 Ⅲ号裂缝局部图

调查还发现从海墁高度向下至4 m范围内的墙体，城砖风化剥蚀严重，砖缝蚀空，城砖表层剥蚀、脱落，形成严重凹凸不平的墙体表面，基本在整个21号马面区段都有分布，主要由自上而下的渗水所致。城砖的风化剥蚀见图4、图5。

图3 IV号裂缝局部图

2 裂缝成因分析

通过对21号马面区段的城墙地基钻探、文献研究、资料分析以及周围环境调查认为裂缝形成有以下原因。

图4 F1裂缝及墙面风化剥蚀现象

图5 F2裂缝及墙面风化剥蚀现象

2.1 地质环境影响

马面下城墙根地面钻孔揭露地下水，地下水位埋深在7.10 m～8.70 m，对应地下水位高程为401.13 m～401.50 m，而该地段护城河实测水位标高为401.48 m。可见护城河水位与马面区段的地下水位基本持平。西安市南门21号马面周边1980年—2015年的地下水位标高变化趋势见图6。从图6上可知，从20世纪80年代到本次勘察期间(2015年6月)，21号马面区段地下水位变化幅度较大，其差值最高达到了4 m～6 m。地下水位下降会引起原地下水位以下土中的有效自重应力增加，从而造成地表大面积附加下沉[2]；水位上升又会使原来地下水位和变动后地下水位之间土的压缩性增大，对于黏性填土，使土强度减小，从而使土压力增大[3]。由于城墙所处地下水位长期波动，导致其地基的不均匀沉降[4]，从而引起裂缝的产生。

根据本次勘察的21号马面段墙体和地基情况，自海墁向下将城墙分为城砖①1层、灰土垫层①2、夯筑土①3、①4共4层；自地面下将城墙地基土层分为夯筑土①5、黄土②、黄土③、古土壤④、黄土⑤、粉质黏土⑥层，如图7所示。根据各地层的物理力学性质统计表,结合各地层土的持力性能，对其进行原位测试可知海墁下夯筑土①3(约0.8 m～7.0 m深度内)为湿陷性黄土，密实度较差，均匀性差，抗剪强度低；城墙根地面下的夯筑土①5层含水率偏大，其杂填土的性质较差、土质杂乱、层厚变化大，抗剪强度低；城墙的地基下卧层黄土②、③层呈可塑—流塑状态，含水率很大、中偏高压缩性土，抗剪强度低。由此可见，不同土质的含水率、孔隙比、液压系数、压缩模量等等都是不同的[5]，相对于城墙整体结构来说，这些是一个具有较大差异的非均匀质体结构，在其不同材质交接处和变截面处会形成集中应力点[6]，在外荷载及其变形作用下，墙体必然会产生裂缝。

图6 1980年—2015年地下水位标高变化趋势

图7 城墙结构示意图

2.2 排水系统影响

据历史资料记载，在修建城墙时其是有完整规范的排水系统的。但是由于时间久远，在现场已经找不到完好的散水结构，仅有的少数也被淤泥杂质等完全堵塞，而且排水不通。同时由于海墁存在裂缝，雨雪等渗漏浸入夯筑土，由于夯土之间含水率不同，浸水后土体结构破坏而发生显著沉降变形[7]，导致散水结构不均匀沉降，散水坡度起伏造成积水并伴随裂缝不断发展而加剧；负地形导致排水不畅；排供水管道可能的渗漏等造成夯土黏聚力和内摩擦角减小[8]，土的重度增大，导致墙体侧向挤压力加大，与墙体外侧的抗压抗剪力几乎接近，使墙体发生膨胀变形，随着压力的增长到达其极限应力状态时墙体发生裂缝。

2.3 孔洞和防空洞影响

在开挖探井过程中，发现了多处孔洞及防空洞等病害现象，见图8。探井t2位于敌楼北侧，挖探过程中，在7.3 m的深度发现防空洞洞口，防空洞内未见箍砖。探井t5位于整个21号马面的东南角，挖探过程中，在深度约1 m处有一孔洞，孔洞处散落松散塌落土，孔洞高约0.5 m，并向西北方向延伸约2 m。详见图9。

图8 探井t2侧壁的防空洞

图9 探井t5侧壁的孔洞

西安城墙历经了明清两代战火，又经历了抗日战争、解放战争等战乱时期，特别是在文革时期，人们在城墙上挖洞取土取砖，修筑人防工事等，留下了许多孔洞和防空洞。这对城墙受力性能的影响特别大，根据地面建筑基地压力扩散定理可知，对地基开挖深度超过一定范围必然会引起墙体变形和裂缝的产生[9]。空洞的存在，无法对上部建筑提供有效支撑，以至发生变形产生裂缝。

2.4 温度变化影响

西安市区属于暖温带半湿润的季风气候区，年最高气温在40℃，年最低温度在-12℃左右，年内最大温度差达到50℃。由于古城墙的砖块和夯土属于温度的不良导体，温度变化会引起材料的热胀冷缩，而不同材质经温度变化的收缩系数不同从而变形也不同，导致砌体内部、砌体与墙体、墙体之间、砌体与上部构件之间的变形不协调。当变形受到外界限制时，构件内就会产生较大剪应力和拉应力，而夯土砌块的抗拉应力、抗剪应力比较小，当其拉应力和剪应力超过极限应力状态时，就会产生不同程度的变形和裂缝。冬季温度较低时，砌体发生冻融，夏季温度较高时又会体涨[10]。由此往复循环，会导致裂缝的不断增长。

2.5 人类活动影响

21号马面段紧邻南门，是旅游开发的重点地段，人流量较大，加之电瓶车和频繁的旅游活动等动荷载长期集中在城墙海墁南侧区域，而敌楼作为静荷载长期加荷于马面之上；同时21号马面区段两侧紧邻公路，车流量大，附近经常举行聚集性活动。城墙内外经常会有建筑工程施工，对地面造成震动，致使地基荷载增大等等因素，都会加剧裂缝的发展。

3 裂缝处理技术方案

综上可知，海墁裂缝产生的主要原因是夯土层多为湿陷性黄土，土质不密实、均匀性差，同时受地下水位变化影响，且夯土层土质杂差异大；其次由于排水系统影响，海墁上本来存在裂缝，雨水下渗浸入夯筑土，使土体含水特征变化导致压缩性减少，抗剪性能变差，并伴随裂缝不断发展而加剧。

3.1 加密夯筑土层

3.1.1 钢管灌注桩施工

通过钢管挤土在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土以替代土体中的空气和水分，从而使地基土固化复合成较高强度的土体[11]，能达到消除地基土的湿陷性，提高土体承载力以及抗渗的作用[12-13]。并且钢管灌注桩在施工中无噪音、无震动，对周边环境的影响和危害小。具体施工过程是：平整场地→泥浆制备→埋设护筒→铺设工作平台→安装钻机并定位→钻进成孔→清孔并检查成孔质量→下放钢筋笼→灌注水下混凝土→拔出护筒→检查质量。具体排布和处理措施如下：

在21号马面南侧地面静压施工两排钢管灌注桩，以马面底部夯土基础边缘为界，外扩200 mm为第一排钢管灌注桩桩心位置，桩体按等边三角形布置，孔距400 mm，排距346 mm，共计504根，竖向长度12 m，实际桩长见加固剖面图见图10。采用Q235B热轧无缝钢管，外径159 mm，壁厚4.5 mm，桩端加设一字形隔板，桩顶标高-0.500，取条石基础底部标高±0.000。采用C30细石混凝土对钢管管芯进行浇注，钢钎人工振捣，塌落度控制在15 cm左右，最大骨料直径不大于25 mm。桩芯混凝土浇至距离桩顶600 mm时，在钢管桩桩芯内置直径120钢筋笼，钢筋笼伸入承台及锚入钢管桩长度均应大于500 mm，继续浇注混凝土至桩顶。从内到外的两排桩与水平面夹角依次为75°、90°，采用静压机械施工。灌注桩平面图见图11。

图10 钢管灌注桩加固剖面图

图11 钢管灌注桩抢险加固平面图

3.1.2 灰土挤密桩施工

针对城墙地基地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂土等，根据城墙已有的加固经验，采用灰土挤密桩加固[14]。在城墙地基基础旁利用打桩机将钢套管打入地基土层随后拔出，形成桩孔，然后在桩孔中分层填入拌制均匀的石灰土，再经夯实以对地基进行加固，加固过程中要进行监测，避免侧向变形。灰土桩挤压成孔时，桩孔位置的原有土体被侧向挤压，使土层密实度提高，压缩性降低，以消除其土体的湿陷性[15]。具体加固范围及工艺参数如下：

在产生裂缝、沉降、缺陷的东西方向长度范围内，整体加固夯筑土①3层，加固厚度约为现海墁下7 m。以马面底部夯土基础边缘为界，外扩1 100 mm处打灰砂桩，打桩范围见抢险加固平面图12。灰砂桩按等边三角形布置，孔距500 mm，排距433 mm，共计933根，桩径150 mm，有效桩长12 m，桩顶标高为-0.500。实际桩长见加固剖面图见图13。

图12 灰砂桩抢险加固平面图

图13 灰砂桩加固剖面图

3.2 防排水处理

城墙海墁下宜铺设1 m厚的3∶7灰土垫层作为隔水层。海墁砌筑城砖时，宜设计一定坡度以利排水，使雨水迅速排离海墁。城墙下地面也应相应采取防水措施，防止水从垂直方向进入城墙基础，环城公园草坪的维护应注意对浇水量的控制；对于目前的供、排水系统与设施应进行定期的查漏、检修和完善；对于因设计不合理而造成隐患的应重新设计并改造，对于因环境复杂而使管线容易产生断裂的地段，应采取多种多重防水措施。

在施工期间，应加强用水、雨水管理，做好海墁、马面、周围墙体及地面的防护、排水工作，防止水浸泡城墙夯筑土体和地基。不论采取何种加固措施，应考虑施工的可行性，并符合文物系统的相关要求，且要尽可能减少对文物的二次损坏。

4 结 论

本文对西安古城墙21号马面区段产生的裂缝成因进行了详细分析，对其地基的不均匀沉降以及防排水系统不足等原因采取了相应的处理措施。通过采用钢管灌注桩和灰土挤密桩等技术对此段地基进行维修加固，同时对其防排水系统也做了相应处理，阻止了裂缝的扩展，提高了21号马面区段的结构整体性和稳定性，达到了对古城墙保护维修的目的。因为不同的维修加固技术都有其各自的适用性和局限性，同时由于城墙的重要性、特殊性，在维修加固方案的选择时，都必须根据城墙的具体情况，对史艺价值、残毁程度、使用要求、施工条件、加固费用等因素进行综合考虑，方能取得良好的加固效果。

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Causes Analysis and Reinforcement Techniques for 21 Horse Wall Cracks of Xi'an Ancient City Wall

FAN Xuening1, ZHENG Aiwu1, ZENG Fankui1, WANG Lei2

(1.CivilEngineering,Xi'anTechnologicalUniversity,Xi'an,Shaanxi710021,China;2.ShaanxiResearchInstituteofCulturalHeritage,Xi'an,Shaanxi710000,China)

Xi'an ancient city wall is a national key cultural relics protection units and most completely preserved ancient city wall of building in China. In recent years, the increase of wall cracks has seriously affected the whole performance of the wall, therefore professional maintenance is needed. The maintenance and reinforcement method of factors is given based on analyzing its present situation and damage mechanism. The reinforcement method of steel pipe piles and sand piles in order to stop the development of cracks and preserve most of its original architecture cultural style, which can provide reference to the ancient building’s protection.

Xi'an ancient city wall; horse wall; cracks; cause analysis; reinforcement

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.021

2017-01-10

2017-02-28

陕西省自然科学基础研究计划项目(2014JM2-5079)；西安市2014年科技计划项目(CXY1432(1))

范学宁(1993—)，女，陕西商洛人，硕士研究生，研究方向为土木工程建造与管理。E-mail：466746045@qq.com

TU472

A

1672—1144(2017)03—0104—06