金山岭长城28～32号敌楼段建筑构造初步探查及损伤原因分析

蒋慧慧 建研航规北工（北京）工程咨询有限公司，北京 100013

金山岭长城为明长城一部分，隶属于蓟镇长城古北口路，地处极卫之地，敌楼密集，距离最近的两座敌楼相距不足50 米，绝大部分砖石敌楼和墙体保存相对完整，建筑形制保存完好。本项目敌楼的建筑分为二种：砖石结构的敌楼，砖木结构的敌楼，而城墙则为砖石结构。

1 采用现代探查手段及仪器获取资料

1.1 激光三维影像

1.2 无人机拍照

1.3 地质雷达扫描（略）

1.4 墙砖强度试验（略）

1.5 现场人工探（略）

敌楼结构异常点示意

2 28～32 号敌楼及城墙建筑构造概述

2.1 砖石结构的敌楼

28 号和31 号敌楼，基础为条石砌筑，条石高度约为400mm，砌筑高度依据山势不同，内部为夯土或碎石填充。上部为条砖砌筑，顶部为砖拱，墙体内部和券拱部分中存土及碎石填充。顶层铺房（缺失）。主要砖石结构保存较为完整。门洞和箭窗多为券顶，31 号敌楼门洞有石券顶及门柱石。墙面有一定收分。

墙体及粘结材料现场检测

2.2 砖木结构的敌楼

29 号、30 和31 号敌楼，基础为条石砌筑，条石高度约为400mm，砌筑高度依据山势不同，内部为夯土或碎石填充。地坪以上，主体仍为砖砌结构，顶一般为平顶，木构，敌楼内部多设柱础，四角部和墙体对称部位也设木柱以支顶二层楼板。现敌楼木结构全部缺失，敌楼地面以上外围护墙体损毁坍塌严重。门洞和箭窗多为券顶，门洞和箭窗内侧顶设过梁木条，木条全失，导致其上部皆有塌垮现象。墙面收分不显。

各敌楼内部地面敷设四～五层条砖，条砖上部为约10mm 厚灰土垫层，垫层上部为一层方砖墁地。敌楼地面墁砖多有损毁。

各敌楼间由城墙连接，城墙均为砖石结构，基础为条石砌筑，条石高度约为400mm，砌筑高度依据山势不同，上部为条砖砌筑，内部依据山势，或为山体本身辅以碎石及夯土填实，或为碎石及夯土填实。城墙顶部一般敷设三层条砖，条砖上部为约10mm 厚灰土垫层，垫层上部为一层方形墁砖。城墙总体在外侧设置敌墙，南侧为女墙，墙体每隔一段设置挡水砖。城墙总体高度约为4 米～6 米，厚度约6.5 米。敌墙及女墙略有收分，厚约480mm～600mm。

城砖主要为两种规格，条砖为370×190×90mm，地面方砖为360×360×90mm，条石高度基本相同，长度无统一尺寸。

3 主要破损概述

通过现场对金山岭长城28～32 号敌楼段实地勘测，总结问题如下：

①地基基础：31 号敌楼地基基础存在滑脱及沉降现象，其中以北侧为主，表现为上部结构严重歪闪，砌体断裂，最大裂缝宽度达到100mm。31 号-32 号敌楼段墙体部分基础滑脱，表现为南侧部分墙体垮塌。其余部分基础条石存在小范围脱落滑动现象；

②对结构造成破坏主要荷载为风荷载；

③外观：根据现场勘查，敌楼上部结构存在较多裂缝，主要分为结构沉降开裂，剪切应力破坏开裂，构造裂缝三种；敌楼及长城墙体酥碱，风化严重，表面凹陷程度已影响结构安全性；砖石结构敌楼拱顶均存在不同程度裂缝；

④本段所有敌楼顶部、地面及城墙墁砖均已丧失防水及排水功能；

⑤存在普遍植物性破坏；

⑥砖木结构敌楼残存围护砖砌体普遍存在墙体松散、粘结材料失效现象。

4 主要损伤原因分析

金山岭长城28～32 号敌楼段砌体主要破坏表现为：砌体风化、酥碱、破碎、开裂；粘结材料主要表现为裂解。砌体结构材料老化（衰退），抵抗自然界的风化作用的能力降低。

初步分析其损伤原因，一是砖自身抗损伤的能力，二是外界造成损伤的因素。两者概括起来有如下几点：

4.1 砌体材料的流变

流变使砌体抗压、抗剪能力降低，即使墙体上方荷载不增加，也会导致墙体裂损。在墙面出现部分的不连续竖向和斜向裂缝，类似于受压和受剪的破坏现象。由于砖与砖间的胶结材料流变特征不同，时效各异，造成的裂缝现象比较复杂，有的切过砖体，有的又沿着砌缝。

4.2 温度的交替变化

根据相关气象统计资料，当地地区气温日差大于10℃，年差不下于40℃。砖砌体白天在阳光的照射下，表层首先升温，由于砖块是热的不良导体，热向砖块内部传递得很慢，遂使内外出现温差，各部分膨胀不同，形成与表面平行的风化裂隙。到了夜晚，白天吸收的太阳辐射热继续以缓慢速度向砖块内部传递，内部仍在缓慢地升温膨胀，而砖块表层却由于大气温差迅速散热降温、体积收缩，于是形成了与表面垂直的径向裂隙。再加之不同的矿物有不同的体胀系数，不管是日温或年温的反复变化，会导致本来联结紧密的烧结黏土彼此分离。温度变化的速度与幅度对此风化的强度同样具有重要影响。因此，久而久之，这些风化裂隙会日益扩大、增多，最后裂解成碎块。

4.3 水的冻结与融化

因材料老化、裂解、衰退等原因，造成砌体出现裂缝及粘结材料裂解，进而对水体侵害防护能力降低。根据近年气象资料，当地冬季日温大多在0℃以下，当气温低于0℃时，浸入砖块孔状结构或裂隙的融雪水（或雨水）从液态的水变成固态的冰体积膨胀约9%，对孔壁产生压力可达100MPa，导致孔壁胀裂，使原有裂隙进一步扩大，同时产生更多的新裂隙。当温度升高至冰点以上时，冰又融化成水，体积减小，扩大的孔隙中又有水渗入，这种“冰劈作用”，会使砌体加快破坏，加速裂解。

4.4 干湿引起的可溶盐的结晶与潮解

砖块中的可溶盐有原料中混杂的；烧成过程中形成的；由于毛细作用，地下水带入的；污染空气中进入砖体的等。当有水进入砖体时，可溶盐潮解，向砖体中微细的各个毛细管中扩散。而水分因干燥蒸发后，这些可溶盐随水分移动到砖的表面，开始在毛细管中结晶，狭小的毛细管必受到结晶的压力，导致微观结构产生裂隙，而这种溶解结晶，日积月累，使得砖砌体表面粉化。

4.5 物理风化的同时，伴随有化学作用

砖砌体的表面，与自然界中的雨雪水、地面水等通过溶解、水化、水解、碳酸化、氧化等方式发生化学作用，产生新的矿物。当空气中的水分凝结于砖体表面时，可溶解吸收空气中游离的CO2、SO2、H2S 等，这些气体溶于水中形成酸，对砖坯墙体有腐蚀作用。水与砖坯中的某些化合物反应生成水合物。如：

这些反应导致砖坯表面膨胀酥化，而Ca（OH）2还可以与地下水中的Na+、K+反应生成NaOH、KOH，继续对砖砌体起破坏作用。

综上所述，金山岭长城28～32 号敌楼段砖砌体的损伤主要由于砌体材料本身（砖及灰浆）的老化、温度、水的冻融、干湿作用等综合作用的结果。具体地讲，材料的老化、温度的交替变化、水的冻结与融化使砖砌体裂解成碎块；干湿引起的可溶盐的结晶与潮解以及自然界中的雨水、地面水等通过溶解、水化、水解、碳酸化、氧化等方式，使得砖砌体表面酥碱粉化。