南京城墙本体典型病害与分析

张 琪

（南京城墙保护管理中心，江苏 南京 210008）

根据江苏省人民代表大会常务委员会2015年1月公布实施的《南京市城墙保护条例》，“南京城墙”涵盖宫城、皇城、京城和外郭四重城垣，涵盖以明代为主（包括明以前及明以后）各个历史时期修缮的城墙及遗址。南京城墙系国家级文物保护单位，目前现存墙体的总长度为25.091 km，其不仅是我国的第一大城墙，而且也是世界第一大城墙，并入选世界纪录协会世界第一大城墙。无论历史价值、观赏价值、考古价值以及建筑设计、规模、功能等诸方面，国内外城墙都无法与之比拟。南京城墙本体绝大部分修建于明代，距今已有650年了，城墙本体绝大多数发生了不同程度的损伤。近十来年，笔者一直从事南京城墙的保护与修缮工作。为此，针对南京城墙本体这么多年所发生的典型病害进行归纳与原因分析。这方面的内容可为类似城墙的保护与修缮工作人员提供参考。

1 城墙本体构成及类型

南京城墙本体包括地基基础、上部墙体两大部分。地基基础一般为：以天然地基（包括天然土体、山体岩石等）或人工地基（包括人工复合（碎石）土垫层、或木桩加固土体等）为地基，作为城墙基础的持力层；以块石、条石作为城墙基础。墙体主要由城砖或条石组成，少数墙体的内部采用好黄土夹碎石夯实（例如东水关至武定门段附近）[1]。早期的黏结材料主要包括泥灰类黏结材料和黄土或黄泥两种。根据文献[2]的分析结果，此类泥灰类黏结材料的主要无机成分是方解石晶体的碳酸钙，其含量在87.8%～96.8%；有机成分都是尚未完全降解的糯米支链淀粉。此外，墙体顶部为了防止雨水自然渗透，顶部均设置有防水层与排水系统。

南京城墙根据墙身外观的构成可以分为：城砖墙、条石墙（顶部雉堞和女墙仍采用城砖）、城砖与条石混砌墙（一般条石砌筑在底部，城砖砌筑在上部）和城砖与山体混合墙。根据其受力特征可以分为：①自承重墙体；②兼做重力式挡土墙作用墙体；③与山体共同作用的复合墙体。根据城墙走势与侧面山体的相对位置可以分为：包山墙和非包山墙。

2 典型病害及原因分析

2.1 墙面风化

城墙本体在经历了650余年的日晒雨淋，不管是城砖砌筑的还是条石砌筑的墙体，墙体表面均存在不同程度的风化（图1）。主要损伤特征表现为：砌块的片状脱落、开裂；黏结材料的疏松、脱落。墙面风化的主要原因在于水的冲刷、渗透和冻融循环等环境作用[3]。尤其在恶劣的寒冬季节，当砌块在雨水作用下达到饱和水状态时，冻融循环的影响最为严重。除此之外，对于南京城墙而言，多次战争中的子弹和炮火的冲击作用，对砌体的完整性造成了一定的影响，也间接地加速了墙面的自然风化速度。

图1 城墙表面风化现象（来源：作者自摄）

2.2 墙体裂缝或局部塌落

砌体结构上的裂缝可以分为两大类：受力裂缝和非受力裂缝。受力裂缝是指由外力（拉、压、弯、剪、扭影响因素之一或相互组合）直接作用引起的；非受力裂缝是指温度、收缩、变形或地基不均匀沉降等引起的裂缝。

南京城墙的上部墙体中的裂缝可以细分为以下几类。

图2 温度裂缝（来源：作者自摄）

(1)温度裂缝。砌体在温度升高时会产生膨胀变形，在温度降低时会产生收缩变形。城墙的形状为条状连续体，局部墙体在温度应力作用下产生膨胀或收缩变形时并不是自由的，其两端受到相邻墙体的约束。一旦温度应力产生的拉应变超过砌体的极限拉应变，此时就会在墙体上产生裂缝（图2）。此类裂缝的宽度往往不会过大，并经过全年一个周期循环后基本保持稳定。早期工匠们在建造城墙时，尚不能充分意识到温度应力给砌体结构所带来的危害。因此，南京城墙在建造时是没有设置伸缩缝的。南京城墙本体上出现一些温度收缩裂缝也是非常正常的现象，该类裂缝对墙体的安全性短时间内尚不构成影响；但其对墙体的耐久性和墙体的长期安全性有较大的影响，例如裂缝会使雨水更容易渗透到内部。此外，南京城墙在维修的过程当中，有时会采用钢筋混凝土刚性顶板。混凝土的线温度膨胀系数约为1.0×10-5/℃，砌体的线温度膨胀系数约为0.5×10-5/℃，两者相差一倍。尤其当混凝土板覆盖在拱门处时，此时墙体的断面受到较大的削弱，温度应力极容易在拱门处产生垂直于拱劵母线（平行于墙体）的裂缝（图3）。

图3 拱劵上裂缝（来源：作者自摄）

(2)植物根系膨胀所致裂缝。南京城墙的横断面基本呈现为对称的梯形，顶部窄、底部宽。植物的种子以及灰尘很容易在灰缝处堆积，从而使得植物很容易在灰缝处生长。此外，墙体灰缝处的黏结材料由于受到雨水的冲刷以及渗透作用，均出现不同程度的流失或变得疏松；这也为植物根系向里面延伸发展提供了有利条件。一旦植物的根系固定于砌体的灰缝内部，那么植物根系在生长过程中所产生的膨胀力是绝对不容忽视的。尤其在植物根系比较密集的地方，其很容易使根系附近的墙体产生裂缝（图4（a）），甚至会使得表层部分出现局部膨胀变形（图4（b））。

(3)墙体外表层脱开损伤。南京城墙的城砖砌筑应是采用马牙槎搭接砌筑的构造措施，这样砌筑城墙的整体性非常好。但极少数地方（例如定淮门附近），局部范围内（约38 m）城墙的外侧砖（厚度约一皮砖）与内部墙体出现明显的脱开间隙，间隙宽度约100 mm（图5（a））。此外，外表脱开部分的面层极容易产生非常明显的裂缝，裂缝宽度可达50～200 mm（图5（b）），裂缝宽度呈现上大下小的特征。此类损伤形成的主要原因在于：外表部分与内部墙体的搭接长度过小，整体性较差；当温度应力以及内侧土压力作用下使墙体产生一定变形之后，外表部分极容易与内部墙体出现脱开现象。一旦外表部分与内侧出现脱开，外表部分墙体的高厚比很大，其稳定性非常差，容易产生平面外的变形与裂缝损伤。除此之外，此类损伤不排除外表墙体属于后期维修部分，且后期维修时没有采取必要的拉结构造措施来增强两者之间的整体性。

图4 植物根系膨胀所致裂缝（来源：作者自摄）

图5 定淮门附近城墙损伤（来源：作者自摄）

(4)墙身的局部塌落损伤。此类损伤主要出现在南京城墙上部墙体的根部（图6），尤其更容易出现在起挡土墙作用的墙体上。其形成的主要原因在于：雨水的冲刷与渗透作用使表层砌体的黏结材料遭受不同程度的损伤，从而使得黏结材料的强度与饱满度出现了明显的降低。这样就会让表层砌体的抗压强度与弹性模量都明显降低。对于高达10～20 m的城墙本体，在其自身重量以及侧墙土压力作用下（对起挡土墙作用的墙体而言），根部附近的外表砌体压应力相对比较大。当外表砌体与内部砌体之间的弹性模量有较大差异时，两者之间的较大竖向变形差所产生的剪力很容易使连接的城砖被剪断。最终，外表砌体与内部砌体之间形成较大面积的贯通式缝隙；严重时，该部分外表砌体就会产生局部塌落现象。

图6 解放门至太平门段（来源：作者自摄）

2.3 墙身的局部坍塌

南京城墙在近些年的维修加固过程中，也出现过几次墙身的局部坍塌。城墙的局部坍塌主要发生的包山墙（图7(a)、7(b)）以及起挡土墙作用的墙体（图7(c)）。

对于包山墙，城墙的平面形状呈现为弧形包裹内侧的山体；城墙除了承受自身的重量之外，还起到挡起土墙的作用。此类型墙体的局部坍塌往往伴随着后面土体的滑坡问题。以图7（b）中的狮子山段墙体为例进行分析。该段城墙宽度为2.5 m，高度为11～13 m。基于勘察的地质报告，在城墙内侧的土体主要有两种不同性质的土层：一层和二层。其中二层为素填土，土质均匀，但分布厚度不均匀，其渗透系数可以判断为弱透水层，从其分布深度上来看，应为堆填年限很早的老黏土；一层为杂填土，土质不均，结构松散，从渗透系数上看为强透水层，应为近期填土，建筑垃圾可见。此外，一层回填于二层之上，二层顶面标高呈现外侧低里面高的分布，所以后期回填的一层土呈现外厚内薄的倒三角形分布，在一层和二层之间形成薄弱的滑动面。包山墙的作用机理是砖墙体和内部土山相互咬合，共同作用，坍塌处可见砖墙体与内部的一层之间的锚固已经失效，在水平的“水土合力”作用下，单靠2.5 m宽的墙体抵挡不了11 m高左右的内部松散土体自重所产生的水平力分量，故此产生滑移。尤其是在雨水渗透明显的情况下，土体自重增加，而自身强度降低，加速了城墙滑坡坍塌的进程。除此之外，该坍塌处城墙还存在后期填土及排水问题。从城墙顶部勘察可以发现：城墙顶部后期填土导致地形起伏较大，建筑垃圾作为填土未经任何处理，随意性较大。而且在靠近城墙的墙体处，土体回填过厚并且非常靠近墙体，已经对城墙造成顶部附加压力，加剧了城墙的不利受力。地表排水无序，排水路径不明；水体的渗入将明显增大城墙本体的侧压力，即对城墙本体构成安全隐患。

起挡土墙作用的城墙发生坍塌，其形成原因有时也伴随着后侧土体的滑坡，即类似于包山墙；有时则仅仅是墙体发生坍塌，下面以图7（c）为例进行分析。其主要原因可以归纳如下：①城墙的黏结材料失效。该段城墙的主体部分均为城砖，其边墙采用浆砌，芯墙采用普通灰土干码。由于长期雨水及山水冲刷、材料老化，加之植被作用，该部分墙体的黏结材料逐渐劣化且随着雨水冲刷逐渐减少，导致墙体松散，尤其是边墙的整体性较差。②植物根系的膨胀作用。城墙外表面上长有较多的小树木等植物，植物在生长的过程中，其根系的膨胀作用会导致边墙与芯墙之间产生分离。③雨水渗透。当墙体的黏结材料失效，随着雨水的渗透，墙体内部吸水膨胀变形容易导致砖块松动变形，砖块之间的咬合作用会逐渐降低出现分层，边墙的整体性随之急剧下降，这样的相互作用是个恶性循环。④城砖质量相对较差。现场调查发现，此处城砖多为断砖。墙体发生局部坍塌后，墙体断面发生较大削弱，其所起的挡土墙作用也明显降低。此时，墙体很可能发生继发性的、更大范围的坍塌。

图7 城墙的局部坍塌（来源：作者自摄）

2.4 雉堞或宇墙倾斜

在近期南京城墙的日常巡查中发现，极少数城墙顶部的雉堞或宇墙存在一定的倾斜，且主要是向内侧倾斜（图8）。基于现状的调查情况来看，此类雉堞或宇墙的外侧都伴随着比较茂密的植物，即引起雉堞或宇墙倾斜的主要原因在于植物根系的膨胀作用。因此，每年定期对城墙本体上的植物进行连根的清理非常有必要。

图8 雉堞向内侧倾斜（来源：作者自摄）

2.5 防水层破坏与海墁沉陷

本文所述的防水层破坏，指的是后期维修所采用的钢筋混凝土刚性防水层发生破坏。早期的顶部防水层已修建650余年，其发生完全破坏和失去防水作用也属正常。南京城墙在近几十年的维修加固中，其顶部防水少数仅采用了钢筋混凝土板的刚性防水层（未设置防水卷材）。此类做法在城墙的芯墙采用黄土夹碎石时，海墁很容易出现沉陷现象。其形成的主要原因可归纳如下：为了防止钢筋混凝土板的温度收缩设置了伸缩缝，伸缩缝内一般嵌入沥青油膏，但是沥青油膏的施工质量很难保证，且沥青油膏的寿命较短，沥青油膏的失效会使雨水流入芯墙的内部；一般黄土都具有不同程度的湿陷性，当黄土类型选择不合适时，就会产生非常明显的沉降变形；芯墙的沉陷会使钢筋混凝土板产生相应的下挠变形，此时一般还会在混凝土板支座处的顶面产生明显的裂缝（图9）。

图9 混凝土板伸缩缝间隙与海墁沉陷（来源：作者自摄）

因此，在城墙维修加固时，其顶部的防水层应优先考虑采用传统做法。依据文献[1]的调查资料，为了防止城墙顶部遭受雨水的自然渗透，传统做法采用桐油、黄土和石灰拌和夯实封顶，其上再砌筑数层城砖，做成由城外壁向内壁倾斜的约3%坡度的顶面。

2.6 其他缺陷或影响

南京城墙在修建时的黏结材料是采用的传统材料。根据文献[2]的分析结果，其主要成分应为糯米汁和石灰浆组成，其属于典型的石灰基砂浆。自从1842年波特兰水泥的问世，无论在中国或者欧洲，逐渐采用水泥基砂浆取代石灰基砂浆砌筑和修补砌体结构。但随之带来的问题是：在修复文物建筑时，水硬性水泥基砂浆与早期的石灰基砂浆存在很大的不相容性[4-5]。这类缺陷主要表现为水泥基砂浆的强度和弹性模量大，水蒸气渗透性不足以及存在碱金属氢氧化物、碱金属氢氧化物可与盐溶液反应，并通过毛细吸收渗透，从而产生可溶性盐。由此可进一步破坏既有的文物建筑，缩短其使用寿命。

除此之外，市政设施（例如地铁）在设入南京城墙保护范围或下穿城墙本体时，其在施工与运行时必然会产生相应的振动，对城墙的安全性造成一定的影响。因此，针对地铁等可能产生振动影响的市政设施，应必须进行振动影响的专项评估。当市政设施引起的振动影响超标时，市政设施相关管理方应采取必要的减振措施，使振动影响程度满足国家现行相关规范要求。

3 结束语

南京城墙作为南京最靓丽的文化名片已有650余年，城墙本体存在不同程度的损伤情况。本文基于工作实践的经验，对南京城墙本体的典型病害进行了归纳总结与原因分析，旨在为类似城墙的管理与日常养护工作人员提供参考，从而尽快地判断出城墙所出现损伤的初步原因，并及时、有效地提出科学的处理建议。