南京城墻本體典型病害與分析

張 琪

（南京城墻保護管理中心，江蘇 南京 210008）

根據江蘇省人民代表大會常務委員會2015年1月公布實施的《南京市城墻保護條例》，“南京城墻”涵蓋宮城、皇城、京城和外郭四重城垣，涵蓋以明代為主（包括明以前及明以后）各個歷史時期修繕的城墻及遺址。南京城墻系國家級文物保護單位，目前現存墻體的總長度為25.091 km，其不僅是我國的第一大城墻，而且也是世界第一大城墻，并入選世界紀錄協會世界第一大城墻。無論歷史價值、觀賞價值、考古價值以及建筑設計、規模、功能等諸方面，國內外城墻都無法與之比擬。南京城墻本體絕大部分修建于明代，距今已有650年了，城墻本體絕大多數發生了不同程度的損傷。近十來年，筆者一直從事南京城墻的保護與修繕工作。為此，針對南京城墻本體這么多年所發生的典型病害進行歸納與原因分析。這方面的內容可為類似城墻的保護與修繕工作人員提供參考。

1 城墻本體構成及類型

南京城墻本體包括地基基礎、上部墻體兩大部分。地基基礎一般為：以天然地基（包括天然土體、山體巖石等）或人工地基（包括人工復合（碎石）土墊層、或木樁加固土體等）為地基，作為城墻基礎的持力層；以塊石、條石作為城墻基礎。墻體主要由城磚或條石組成，少數墻體的內部采用好黃土夾碎石夯實（例如東水關至武定門段附近）[1]。早期的黏結材料主要包括泥灰類黏結材料和黃土或黃泥兩種。根據文獻[2]的分析結果，此類泥灰類黏結材料的主要無機成分是方解石晶體的碳酸鈣，其含量在87.8%～96.8%；有機成分都是尚未完全降解的糯米支鏈淀粉。此外，墻體頂部為了防止雨水自然滲透，頂部均設置有防水層與排水系統。

南京城墻根據墻身外觀的構成可以分為：城磚墻、條石墻（頂部雉堞和女墻仍采用城磚）、城磚與條石混砌墻（一般條石砌筑在底部，城磚砌筑在上部）和城磚與山體混合墻。根據其受力特征可以分為：①自承重墻體；②兼做重力式擋土墻作用墻體；③與山體共同作用的復合墻體。根據城墻走勢與側面山體的相對位置可以分為：包山墻和非包山墻。

2 典型病害及原因分析

2.1 墻面風化

城墻本體在經歷了650余年的日曬雨淋，不管是城磚砌筑的還是條石砌筑的墻體，墻體表面均存在不同程度的風化（圖1）。主要損傷特征表現為：砌塊的片狀脫落、開裂；黏結材料的疏松、脫落。墻面風化的主要原因在于水的沖刷、滲透和凍融循環等環境作用[3]。尤其在惡劣的寒冬季節，當砌塊在雨水作用下達到飽和水狀態時，凍融循環的影響最為嚴重。除此之外，對于南京城墻而言，多次戰爭中的子彈和炮火的沖擊作用，對砌體的完整性造成了一定的影響，也間接地加速了墻面的自然風化速度。

圖1 城墻表面風化現象（來源：作者自攝）

2.2 墻體裂縫或局部塌落

砌體結構上的裂縫可以分為兩大類：受力裂縫和非受力裂縫。受力裂縫是指由外力（拉、壓、彎、剪、扭影響因素之一或相互組合）直接作用引起的；非受力裂縫是指溫度、收縮、變形或地基不均勻沉降等引起的裂縫。

南京城墻的上部墻體中的裂縫可以細分為以下幾類。

圖2 溫度裂縫（來源：作者自攝）

(1)溫度裂縫。砌體在溫度升高時會產生膨脹變形，在溫度降低時會產生收縮變形。城墻的形狀為條狀連續體，局部墻體在溫度應力作用下產生膨脹或收縮變形時并不是自由的，其兩端受到相鄰墻體的約束。一旦溫度應力產生的拉應變超過砌體的極限拉應變，此時就會在墻體上產生裂縫（圖2）。此類裂縫的寬度往往不會過大，并經過全年一個周期循環后基本保持穩定。早期工匠們在建造城墻時，尚不能充分意識到溫度應力給砌體結構所帶來的危害。因此，南京城墻在建造時是沒有設置伸縮縫的。南京城墻本體上出現一些溫度收縮裂縫也是非常正常的現象，該類裂縫對墻體的安全性短時間內尚不構成影響；但其對墻體的耐久性和墻體的長期安全性有較大的影響，例如裂縫會使雨水更容易滲透到內部。此外，南京城墻在維修的過程當中，有時會采用鋼筋混凝土剛性頂板。混凝土的線溫度膨脹系數約為1.0×10-5/℃，砌體的線溫度膨脹系數約為0.5×10-5/℃，兩者相差一倍。尤其當混凝土板覆蓋在拱門處時，此時墻體的斷面受到較大的削弱，溫度應力極容易在拱門處產生垂直于拱劵母線（平行于墻體）的裂縫（圖3）。

圖3 拱劵上裂縫（來源：作者自攝）

(2)植物根系膨脹所致裂縫。南京城墻的橫斷面基本呈現為對稱的梯形，頂部窄、底部寬。植物的種子以及灰塵很容易在灰縫處堆積，從而使得植物很容易在灰縫處生長。此外，墻體灰縫處的黏結材料由于受到雨水的沖刷以及滲透作用，均出現不同程度的流失或變得疏松；這也為植物根系向里面延伸發展提供了有利條件。一旦植物的根系固定于砌體的灰縫內部，那么植物根系在生長過程中所產生的膨脹力是絕對不容忽視的。尤其在植物根系比較密集的地方，其很容易使根系附近的墻體產生裂縫（圖4（a）），甚至會使得表層部分出現局部膨脹變形（圖4（b））。

(3)墻體外表層脫開損傷。南京城墻的城磚砌筑應是采用馬牙槎搭接砌筑的構造措施，這樣砌筑城墻的整體性非常好。但極少數地方（例如定淮門附近），局部范圍內（約38 m）城墻的外側磚（厚度約一皮磚）與內部墻體出現明顯的脫開間隙，間隙寬度約100 mm（圖5（a））。此外，外表脫開部分的面層極容易產生非常明顯的裂縫，裂縫寬度可達50～200 mm（圖5（b）），裂縫寬度呈現上大下小的特征。此類損傷形成的主要原因在于：外表部分與內部墻體的搭接長度過小，整體性較差；當溫度應力以及內側土壓力作用下使墻體產生一定變形之后，外表部分極容易與內部墻體出現脫開現象。一旦外表部分與內側出現脫開，外表部分墻體的高厚比很大，其穩定性非常差，容易產生平面外的變形與裂縫損傷。除此之外，此類損傷不排除外表墻體屬于后期維修部分，且后期維修時沒有采取必要的拉結構造措施來增強兩者之間的整體性。

圖4 植物根系膨脹所致裂縫（來源：作者自攝）

圖5 定淮門附近城墻損傷（來源：作者自攝）

(4)墻身的局部塌落損傷。此類損傷主要出現在南京城墻上部墻體的根部（圖6），尤其更容易出現在起擋土墻作用的墻體上。其形成的主要原因在于：雨水的沖刷與滲透作用使表層砌體的黏結材料遭受不同程度的損傷，從而使得黏結材料的強度與飽滿度出現了明顯的降低。這樣就會讓表層砌體的抗壓強度與彈性模量都明顯降低。對于高達10～20 m的城墻本體，在其自身重量以及側墻土壓力作用下（對起擋土墻作用的墻體而言），根部附近的外表砌體壓應力相對比較大。當外表砌體與內部砌體之間的彈性模量有較大差異時，兩者之間的較大豎向變形差所產生的剪力很容易使連接的城磚被剪斷。最終，外表砌體與內部砌體之間形成較大面積的貫通式縫隙；嚴重時，該部分外表砌體就會產生局部塌落現象。

圖6 解放門至太平門段（來源：作者自攝）

2.3 墻身的局部坍塌

南京城墻在近些年的維修加固過程中，也出現過幾次墻身的局部坍塌。城墻的局部坍塌主要發生的包山墻（圖7(a)、7(b)）以及起擋土墻作用的墻體（圖7(c)）。

對于包山墻，城墻的平面形狀呈現為弧形包裹內側的山體；城墻除了承受自身的重量之外，還起到擋起土墻的作用。此類型墻體的局部坍塌往往伴隨著后面土體的滑坡問題。以圖7（b）中的獅子山段墻體為例進行分析。該段城墻寬度為2.5 m，高度為11～13 m。基于勘察的地質報告，在城墻內側的土體主要有兩種不同性質的土層：一層和二層。其中二層為素填土，土質均勻，但分布厚度不均勻，其滲透系數可以判斷為弱透水層，從其分布深度上來看，應為堆填年限很早的老黏土；一層為雜填土，土質不均，結構松散，從滲透系數上看為強透水層，應為近期填土，建筑垃圾可見。此外，一層回填于二層之上，二層頂面標高呈現外側低里面高的分布，所以后期回填的一層土呈現外厚內薄的倒三角形分布，在一層和二層之間形成薄弱的滑動面。包山墻的作用機理是磚墻體和內部土山相互咬合，共同作用，坍塌處可見磚墻體與內部的一層之間的錨固已經失效，在水平的“水土合力”作用下，單靠2.5 m寬的墻體抵擋不了11 m高左右的內部松散土體自重所產生的水平力分量，故此產生滑移。尤其是在雨水滲透明顯的情況下，土體自重增加，而自身強度降低，加速了城墻滑坡坍塌的進程。除此之外，該坍塌處城墻還存在后期填土及排水問題。從城墻頂部勘察可以發現：城墻頂部后期填土導致地形起伏較大，建筑垃圾作為填土未經任何處理，隨意性較大。而且在靠近城墻的墻體處，土體回填過厚并且非常靠近墻體，已經對城墻造成頂部附加壓力，加劇了城墻的不利受力。地表排水無序，排水路徑不明；水體的滲入將明顯增大城墻本體的側壓力，即對城墻本體構成安全隱患。

起擋土墻作用的城墻發生坍塌，其形成原因有時也伴隨著后側土體的滑坡，即類似于包山墻；有時則僅僅是墻體發生坍塌，下面以圖7（c）為例進行分析。其主要原因可以歸納如下：①城墻的黏結材料失效。該段城墻的主體部分均為城磚，其邊墻采用漿砌，芯墻采用普通灰土干碼。由于長期雨水及山水沖刷、材料老化，加之植被作用，該部分墻體的黏結材料逐漸劣化且隨著雨水沖刷逐漸減少，導致墻體松散，尤其是邊墻的整體性較差。②植物根系的膨脹作用。城墻外表面上長有較多的小樹木等植物，植物在生長的過程中，其根系的膨脹作用會導致邊墻與芯墻之間產生分離。③雨水滲透。當墻體的黏結材料失效，隨著雨水的滲透，墻體內部吸水膨脹變形容易導致磚塊松動變形，磚塊之間的咬合作用會逐漸降低出現分層，邊墻的整體性隨之急劇下降，這樣的相互作用是個惡性循環。④城磚質量相對較差。現場調查發現，此處城磚多為斷磚。墻體發生局部坍塌后，墻體斷面發生較大削弱，其所起的擋土墻作用也明顯降低。此時，墻體很可能發生繼發性的、更大范圍的坍塌。

圖7 城墻的局部坍塌（來源：作者自攝）

2.4 雉堞或宇墻傾斜

在近期南京城墻的日常巡查中發現，極少數城墻頂部的雉堞或宇墻存在一定的傾斜，且主要是向內側傾斜（圖8）。基于現狀的調查情況來看，此類雉堞或宇墻的外側都伴隨著比較茂密的植物，即引起雉堞或宇墻傾斜的主要原因在于植物根系的膨脹作用。因此，每年定期對城墻本體上的植物進行連根的清理非常有必要。

圖8 雉堞向內側傾斜（來源：作者自攝）

2.5 防水層破壞與海墁沉陷

本文所述的防水層破壞，指的是后期維修所采用的鋼筋混凝土剛性防水層發生破壞。早期的頂部防水層已修建650余年，其發生完全破壞和失去防水作用也屬正常。南京城墻在近幾十年的維修加固中，其頂部防水少數僅采用了鋼筋混凝土板的剛性防水層（未設置防水卷材）。此類做法在城墻的芯墻采用黃土夾碎石時，海墁很容易出現沉陷現象。其形成的主要原因可歸納如下：為了防止鋼筋混凝土板的溫度收縮設置了伸縮縫，伸縮縫內一般嵌入瀝青油膏，但是瀝青油膏的施工質量很難保證，且瀝青油膏的壽命較短，瀝青油膏的失效會使雨水流入芯墻的內部；一般黃土都具有不同程度的濕陷性，當黃土類型選擇不合適時，就會產生非常明顯的沉降變形；芯墻的沉陷會使鋼筋混凝土板產生相應的下撓變形，此時一般還會在混凝土板支座處的頂面產生明顯的裂縫（圖9）。

圖9 混凝土板伸縮縫間隙與海墁沉陷（來源：作者自攝）

因此，在城墻維修加固時，其頂部的防水層應優先考慮采用傳統做法。依據文獻[1]的調查資料，為了防止城墻頂部遭受雨水的自然滲透，傳統做法采用桐油、黃土和石灰拌和夯實封頂，其上再砌筑數層城磚，做成由城外壁向內壁傾斜的約3%坡度的頂面。

2.6 其他缺陷或影響

南京城墻在修建時的黏結材料是采用的傳統材料。根據文獻[2]的分析結果，其主要成分應為糯米汁和石灰漿組成，其屬于典型的石灰基砂漿。自從1842年波特蘭水泥的問世，無論在中國或者歐洲，逐漸采用水泥基砂漿取代石灰基砂漿砌筑和修補砌體結構。但隨之帶來的問題是：在修復文物建筑時，水硬性水泥基砂漿與早期的石灰基砂漿存在很大的不相容性[4-5]。這類缺陷主要表現為水泥基砂漿的強度和彈性模量大，水蒸氣滲透性不足以及存在堿金屬氫氧化物、堿金屬氫氧化物可與鹽溶液反應，并通過毛細吸收滲透，從而產生可溶性鹽。由此可進一步破壞既有的文物建筑，縮短其使用壽命。

除此之外，市政設施（例如地鐵）在設入南京城墻保護范圍或下穿城墻本體時，其在施工與運行時必然會產生相應的振動，對城墻的安全性造成一定的影響。因此，針對地鐵等可能產生振動影響的市政設施，應必須進行振動影響的專項評估。當市政設施引起的振動影響超標時，市政設施相關管理方應采取必要的減振措施，使振動影響程度滿足國家現行相關規范要求。

3 結束語

南京城墻作為南京最靚麗的文化名片已有650余年，城墻本體存在不同程度的損傷情況。本文基于工作實踐的經驗，對南京城墻本體的典型病害進行了歸納總結與原因分析，旨在為類似城墻的管理與日常養護工作人員提供參考，從而盡快地判斷出城墻所出現損傷的初步原因，并及時、有效地提出科學的處理建議。