古城墻修復(fù)加固技術(shù)探討

肖云飛

(山西五建集團有限公司,山西 太原 030013)

0 引言

隨著時間流逝,部分歷史久遠的古城、村落建筑面臨年久失修的問題,多數(shù)墻體急需加固。針對古城墻加固和修復(fù),本著“防護加固、現(xiàn)狀整修、重點修復(fù)、原址重建”的原則,在不破壞既有城墻遺址的前提下,需要一種全新的古城墻修復(fù)加固方法,既要確保古城墻的修復(fù)質(zhì)量,又要避免古城墻原貌遭到二次破壞,為今后古城墻的保護修繕(復(fù))提供必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 工程概況及研究現(xiàn)狀分析

岢嵐縣古城城墻保護修復(fù)工程中包含四座甕城,除西甕城完全拆毀外,其余三座甕城保存相對完整,但由于年久失修,破損嚴重,加之缺乏日常維護,現(xiàn)存墻體出現(xiàn)裂縫、坍塌、部分缺失等病害,嚴重影響到結(jié)構(gòu)安全和正常使用。

目前古城墻加固措施主要分為:材料加固和物理加固。材料加固主要是針對表層土體或裂縫注漿,傳統(tǒng)的材料加固采用硅酸鉀溶液滲透加固,雖然防護效果顯著,但會對土體造成不可逆的損傷,針對這一問題,石落[1]提出一種增加一層泥敷的犧牲層的方法對忻州土城墻進行加固,并取得良好的效果。李笑磊[2]提出EICP固化土體技術(shù),以新鄭門土遺址為研究對象進行保護的方案。

物理加固,范學(xué)寧等[3]提出鋼管灌注樁和灰土擠密樁對西安古城21號馬面裂縫進行加固。淳慶等[4]使用不銹鋼錨桿和改性水泥灌漿的方法對南京六朝建康都城城墻遺址進行加固,加固效果良好。周長東等[5]提出對穿CFRP錨桿加固故宮城墻的方法,通過分析得出可行結(jié)論并提出布置方案。

本文結(jié)合目前研究現(xiàn)狀和岢嵐古城項目特點,提出一種甕城變形墻體加固方法。其中主要是采用擾動相對較少的樹根樁加固和錨桿注漿加固方法,盡量減小施工過程中對古城墻的擾動,針對新舊夯土間結(jié)合面存在滑移的墻體,增設(shè)了錨桿并注漿進行拉結(jié)加固,從而提高了新舊土體之間的穩(wěn)固性。

2 樹根樁城墻基礎(chǔ)加固方法

2.1 樹根樁加固布置方案

樹根樁墻體加固范圍為甕城城樓城臺東、西、南側(cè)區(qū)域內(nèi),地坪以下8.0 m～10.0 m以內(nèi)主要受力層地基土;樁頂標(biāo)高與基礎(chǔ)底標(biāo)高保持平齊,樁徑為200 mm,設(shè)定樁長為8.0 m～10.0 m,樁距為800 mm ,樁端持力層進入卵石層為準(zhǔn);樹根樁的布置采用斜樁網(wǎng)狀布置,所有的樹根樁均分為若干組,每組包括三根樁,每組的第一根樁與地面夾角為90°、第二根樁與地面夾角為75°、第三根樁與地面夾角為60°。樹根樁加固平面布置如圖1所示。

2.2 分析模擬結(jié)果

采用理正邊坡設(shè)計軟件進行城墻基底樹根樁加固分析驗算,采用規(guī)范穩(wěn)定性分析計算公式和方法。經(jīng)驗算,基底加固后,可顯著提升城墻土體整體穩(wěn)定性,穩(wěn)定性計算結(jié)果較未加固前提升44.6%,加固效果明顯。

2.3 樹根樁加固施工工序

樁加固過程采用跳孔法進行打樁施工,施工順序如下:第一步,施工90°樁;第二步,施工75°樁:第三步,施工60°樁;相鄰樁間隔時間大于10 d。施工剖面圖如圖2所示。

2.4 樹根樁加固施工方法

針對甕城變形墻體的特性,成孔方式采用螺旋鉆桿法成孔,用螺旋錨桿鉆機配備空壓機進行鉆孔,鉆機固定牢固,確保鉆機機架的水平度和立軸垂直度,成孔時隨時觀察螺旋鉆桿鉆出的土,隨鉆隨清,防止因土掉入孔內(nèi)影響成樁質(zhì)量。

樁身混凝土強度為C30;主筋采用4根直徑16 mm鋼筋并沿樁身周邊均勻布置;箍筋采用螺旋式,直徑6 mm、間距200 mm,樁頂以下2 m范圍內(nèi)箍筋加密,間距100 m;主筋混凝土保護層厚度為35 mm;設(shè)置注漿管并插至孔底,需二次注漿的樹根樁插設(shè)兩根注漿管;澆筑混凝土坍落度控制在200 mm±20 mm,石子粒徑5 mm～15 mm,石子為卵石;澆筑時設(shè)50 mm導(dǎo)管,6 m振搗棒;樁頂設(shè)置水平向鋼筋混凝土擋板,將樁連接成一個整體,且與條石基礎(chǔ)相連,鋼筋混凝土擋板厚度為200 mm。

3 錨桿注漿墻體加固方法

3.1 錨桿注漿加固布置方案

錨桿注漿加固是對既有裂縫甕城墻體開裂處及修繕甕城墻新舊夯填土結(jié)合處,通過放置錨桿后進行注漿施工,水泥漿液將松散土質(zhì)和鋼筋凝結(jié)在一起,漿液硬化后形成具有穩(wěn)定性和較高強度的水泥漿錨桿及脈狀水泥土復(fù)合體,提高土層的抗變能力,利用錨桿的抗剪作用阻止局部不穩(wěn)定土體的位移。錨桿呈矩形布置,錨桿間距2.0 m×2.0 m,錨桿錨固入老夯土層不少于3.0 m;錨桿采用直徑為32 mm的HRB400鋼筋,對于鋼筋的焊接長度,單面焊接為10d,雙面焊接為5d;注漿壓力控制在0.1 Pa～0.2 Pa。甕城墻體立面錨桿剖面圖如圖3所示。

3.2 分析模擬結(jié)果

采用有限元軟件ABAQUS,建立北甕城城墻結(jié)構(gòu)的三維有限元模型,如圖4所示。本模型采用求解速度較快的C3D8R三維八節(jié)點減縮積分單元進行模擬。選取Mohr Coulomb本構(gòu)模型模擬土體的開裂和滑動,將城墻內(nèi)部土體按工程特性分為兩類:新土層和原有土層,各層土體的計算參數(shù)見表1。

表1 城墻材料參數(shù)設(shè)置

在新舊土層間插入錨桿進行加固,上下間隔2 m,左右間隔2 m,傾斜角度為10°,設(shè)置5排8列錨桿,共計40根錨桿,如圖4所示。

岢嵐城墻內(nèi)部夯土水平位移對比如圖5所示,根據(jù)圖5(a)和圖5(b)分析,對比其最大位移值,可以看出,在地震載荷作用下,由于錨桿的抗剪和拉結(jié)作用,城墻內(nèi)部夯土的絕對最大水平位移值由7.56 mm減小至4.15 mm,加固效果作用顯著。內(nèi)部夯土右邊緣隨高度變化的最大水平位移值曲線如圖5(c)所示,未加固時,新舊夯土存在潛在滑移面,位移值較大,最大值發(fā)生在頂部位置,為2.41 mm,進行注漿錨桿加固后最大位移值為2.02 mm,比未加固時減小了16.2%,加固效果顯著。由曲線可知,注漿錨桿加固對內(nèi)部夯土底部的加固效果作用較小,對上部的加固作用效果最為明顯。

岢嵐城墻豎直位移對比云圖如圖6所示,未加固時,最大豎直位移為1.98 mm,錨桿加固后最大豎直位移為0.15 mm,由此可以看出注漿錨桿對豎直位移的加固效果優(yōu)于對水平位移的加固。

3.3 錨桿注漿加固施工方法

1)成孔:采用低能量沖擊成孔方式或采用回旋鉆進成孔方式,成孔間距為2.0 m×2.0 m,孔深保證錨固入老夯土層不少于3.0 m。

2)插筋:采用直徑為32 mm的HRB400鋼筋作為錨桿,將鋼筋置入孔內(nèi),并焊接2個～3個定位器;鋼筋焊接長度:單面焊接為10d,雙面焊接為5d。

3)注漿:注漿泵布置在需錨注的城墻外道路,現(xiàn)場采用水泥漿攪拌桶攪拌配制,注漿前把注漿設(shè)備、閥門、高壓注漿管路連接好,快速接頭連接牢固;確認系統(tǒng)連接準(zhǔn)確、安全可靠后,開始注漿;先從小到大的順序緩慢打開注漿泵的供風(fēng)閥門進行注漿,注漿過程中控制壓力表的壓力在0.1 MPa～0.2 MPa,穩(wěn)定時間達15 min時,先關(guān)閉注漿泵,再關(guān)閉注漿錨桿處的截止球閥,然后打開壓力表下側(cè)的卸壓閥進行卸壓,使殘余在管路內(nèi)的漿液回流到儲液桶內(nèi),然后卸下U型銷,取下注漿管路,將注漿管路再安裝在下一根注漿錨桿上重復(fù)進行上述程序繼續(xù)注漿。

4)錨固:將提前預(yù)制好的鋼板錨固在孔口。甕城墻體立面錨桿孔位布置如圖7所示。

4 技術(shù)實現(xiàn)效果

1)本文提出的錨桿與注漿加固技術(shù),進行實際勘探,依據(jù)實際勘探結(jié)果進行有限元分析,驗證錨桿與注漿加固技術(shù)的合理性與可行性;采用有限元方法進行了加固方案的選取,驗證了注漿錨桿加固方案的可行性,由結(jié)果分析可得,加固后整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大大提高。

2)采用錨桿與注漿加固技術(shù)對岢嵐城墻進行加固,錨桿不僅可以阻止土體的滑移,增強城墻結(jié)構(gòu)的整體性,且錨桿具有一定的抗剪能力,從而提高新舊夯土層面的抗剪強度。通過錨桿與土體之間的摩擦作用,將引起土體側(cè)向變形的剪應(yīng)力傳遞給錨桿,從而限制土體單元的側(cè)向變形,減小對外包砌體的擠壓力,進而控制城墻結(jié)構(gòu)的外鼓和失穩(wěn)破壞。

3)本文提出的對既有城墻地基進行樁徑200 mm樹根樁加固,斜樁網(wǎng)狀布置,頂部設(shè)置鋼筋混凝土擋板,使樁與城墻條石地基連接為整體;針對遺存部分夯土墻的城墻修復(fù)施工,修復(fù)完畢后,采用錨桿注漿拉結(jié)技術(shù),使新舊土體固結(jié)為整體,提高土層抗變能力,阻止不穩(wěn)定土體位移。該技術(shù)既確保古城墻修復(fù)質(zhì)量,又避免古城墻原貌遭到二次破壞,確保施工安全,加快施工進度。