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1、建筑施工技术 土坯墙体裂缝分析及加固方法探析 韩少渊 1 ? 王宝卿 2 ? 薛圣广 1 ( 1 . 西安建筑科技大学 710055 ; 2 . 陕西省建筑科学研究院 710082) 摘 ? 要: 建筑物在长期使用过程中, 将发生材料老化与结构损伤, 这种损伤的积累将导致结构性能劣化、 承载力 下降、 耐久性能降低。本文以蓝田县水陆庵后背墙加固工程为例, 对古建筑加固维修进行了分析研究。 加固分两段: 一是柱于的加固, 二是柱间非承重墙加固。在后背墙上取出土样进行室内土工试验以及 抗压强度试验, 得出此种加固是合理有效的; 最后得出一些规律性结论, 可以作为同类工程的参考。 关键词: 土坯墙;
2、 加固; 托换: 渗透系数 1? 引? 言 古代建筑是重要的文物之一。保护古代建筑的 目的, 主要是保存古代劳动人民在建筑、 工程、 艺术方 面的成就, 作为今天的借鉴, 以备在今后的设计、 加 固、 修复所用。 结构在长期使用过程中, 由于材料老化、 不利环 境 (如高温、 高湿、 腐蚀介质等 )的影响以及使用管理 的不当, 给结构造成某种程度的损伤, 这种损伤积累 必然导致结构性能退化、 承载力下降、 耐久性降低、 寿 命缩短等, 从而影响结构的安全使用。古代建筑在它 的保存过程中, 尤其是木结构建筑, 经历了几百年、 甚 至千年以上的漫长岁月, 经受着各种各样的破坏, 影 响它的正常使用
3、和寿命。这些破坏主要有两种: 一种 是人为的破坏, 一种是自然力的破坏。 随着现代社会的发展, 人们已经开始重视了文物保 护, 人为的文物破坏已经基本上不复存在了, 但是自然力 的破坏, 包括物质自然的老化作用, 以及风、 雨、 雷、 火、 地 震、 白蚁等对木结构建筑的危害是非常严重的。 维修工作是保护古建筑的重要措施之一。维修 工作如果没有一定的原则作为指导, 不仅不能达到保 护的目的, 有时还会造成不应有的浪费, 甚至还可能 使古建筑改得面目全非, 使其丧失自身的文化价值。 因此, 我们在进行古建筑的修缮、 保养时 ?必须遵循不 改变文物原状的原则 。 2? 工程概况 水陆庵位于西安市东
4、六十里的蓝田县城东王顺 山下, 庵院依山傍水, 风光秀丽, 周边环境优雅宁静, 庵内更令世人称誉的是精美绝伦的泥质壁悬塑。它 们均塑于庵内大殿内, 其神采各异, 栩栩如生。 水陆庵大殿建筑形式为三间硬山式建筑, 坐西朝 东,屋架为木结构, 墙体为土坯墙体, 外墙包青砖。大部 分泥塑悬塑于土坯墙上, 距今有 400多年的历史。数百 年来由于各种自然因素的侵蚀以及土坯的自身老化, 出 现了许多危及大殿和殿内泥塑文物的安全隐患, 如松动、 脱落、 残损、 裂缝等。虽经几度修缮和保护, 但仍未消除 隐患。先后几次维修墙体、 土坯墙和泥塑位置见图 1 。 3? 大殿后背墙存在的问题及状况分析 3 . 1
5、? 墙体裂缝 152007年 11月总第 149期? ? ? ? ? ?陕西建筑 图 1? 泥塑大殿及后背墙剖面图 本修缮加固工作主要是针对后背墙裂缝和内部 泥胎塑像的保护。后背墙裂缝位于墙体北端, 最宽处 为 10mm, 属于地基不均匀沉降和原屋顶漏雨侵蚀而 造成的, 50年代和 80年代曾对屋顶和墙体进行过修 缮和翻修 (如图 1)。外部墙体进行过包砌加固, 第一 层青砖墙为 80年代进行的加固; 第二层青砖墙为 50 年代进行的包砌加固, 其中在此墙体上面有一檩条, 直接托住上部屋面, 屋面荷载通过檩条传到墙上, 减 轻了内部土坯墙的承载力, 起到了加固内土坯墙的目 的。因此这段裂缝已经
6、基本稳定。 裂缝产生的主要原因分析: ( 1)土的干缩变形: 土坯墙体由土坯与麦草泥或 纯泥浆砌筑而成, 表面再粉以麦草泥。土制品在成型 和墙体砌筑及粉刷时加有一定量的水分, 当水分干燥 后, 土制品将产生严重的干缩现象, 同时又因墙体材 料与粉刷层干缩变形的不一, 再加之壁塑的负荷作 用, 进一步加剧了裂缝的发展。 ( 2)地基下沉的影响: 地基的不均匀沉降致使墙 体受到剪切作用而发生裂缝。 ( 3)墙体结构的变形: 山墙为木柱承重结构, 土坯墙 镶嵌砌于立柱之间, 在上部荷载的长期作用下, 木柱与墙 体产生不同的结构变形, 从而导致裂缝的产生。 3 . 2? 墙体的空鼓 大殿墙体后檐墙内侧
7、存在一定程度的空鼓, 视之 表面凸出, 击之有空腔声, 间或亦有不规则性小裂纹。 空鼓产生的主要原因分析: ( 1) 土在环境干湿变化、 冷热变化的作用下, 粉 刷层与墙体产生胀缩不一的应力, 致使粉刷层及壁塑 与墙体脱开。 ( 2) 土长期受自然环境风化侵蚀及屋面漏雨受 潮又干燥的反复作用, 使土质粘性降低, 结合面的粘 结力抵抗不了壁塑的负荷及上述胀缩应力的作用, 致 使墙体粉刷层空鼓、 脱开、 甚至剥落。 ( 3) 地基不均匀沉降及上部结构的荷载主要作 用于墙体, 致使墙体的变形与粉刷层及壁塑变形不 一, 将粉刷层脱空。 3 . 3? 泥悬塑前倾下坠 泥悬塑与墙体联结固定是采取木撅悬挂和
8、底座 支撑相结合的方式。目前许多木撅已经松动, 致使泥 悬塑前倾下坠, 以致脱离损坏。 脱落产生的主要原因分析: ( 1) 气候的温度及干湿变化, 引起土坯与木楔的 胀缩开裂使木楔松动。 ( 2) 土坯年久风化或受潮软化变形, 使土质的粘 结固着力降低, 木楔在泥塑负荷下下坠或松动。 4? 加固方案 由于后檐墙先后经过两次加固, 使得后檐墙厚度 比较大, 通风干燥困难, 进而使得原来土坯墙内部的 水分和潮气不能顺畅的排出, 进一步加剧了土坯墙体 的空鼓破坏, 本次修缮工作的主要任务是解决以上问 题, 使得后背墙墙体的强度增强, 同时有利于排出泥 塑后背墙内部的潮湿空气。其中在 50年代的墙体加
9、 固中, 本层墙体外面涂有一层沥青防水层, 为了防止 下雨对内部墙体的影响, 以阻止外部潮气向内部的渗 透扩散。加固过程中将拆除多余的墙体, 这样可以保 证内部土坯墙的干燥通风。 在加固后檐墙时, 应先从后墙外下部开洞查看木 柱, 如果柱下部糟朽, 则应对柱下部实行托换支顶, 再 用不锈钢柱对抱头梁进行支撑加固, 确保房屋安全: 16陕西建筑? ? ? ? ? ?2007年 11月总第 149期 在整个加固过程当中, 必须确保文物的安全, 拆砖墙 的过程中应分段施工。 4 . 1? 柱的托换 以北边第一跨为试验段, 在进行施工前首先要进 行大殿内外的临时加固与支撑。对于内部要进行大 梁 (和外
10、部对应木柱的大梁 )的支撑, 确保上部结构的 力可以从支撑处传递下来, 当去掉外部木柱时并不对 结构和内部墙体泥塑产生任何影响: 对外部要进行檐 口的支护, 由于外檐的长度比较长, 在进行施工过程 中拆掉其中的承重墙, 必然会引起上部结构的变化。 大多数檐柱置于墙内, 由于潮湿、 长期不通风和 漏雨, 易发生柱根糟朽。仅表皮糟朽、 柱心完整不超 过柱根直径 1/2时, 采取剔补加固的方法, 将糟朽部 分剔除干净, 用干燥旧料依原式样、 尺寸补配整齐。 对于糟朽比较严重时, 可以采取托换的方式。在第一 试验段的木柱处开一小槽, 发现木柱经过几百年的腐 蚀变化底部已经全部糟朽, 糟朽部分基本占整个
11、木柱 的一半 (沿柱子长度方向 ), 沿半径方向已经全部糟 朽, 属于比较严重的情况, 木柱糟朽情况见图 2 。对 于大半已经糟朽的木柱已经不能再承受任何荷载, 因 此可以考虑进行托换。把侧面已经腐朽的部分全部 进行刮除, 底部糟朽的部分截断, 由于柱的顶端与大 梁是榫卯式样连接, 柱子一直还连接在大梁上。为了 使新的柱子对大梁的支撑力和原来的地方接近, 用刀 刃把木柱一直刮除到接近柱子的半径处 (刮除过程中 应该掌握力度, 不能有任何大的震动, 否则会影响内 部墙体的泥塑稳定 ), 再用工字型钢柱替换原来的木 柱。基本的受力过程为: 房檐端头的椽全部担放在新 安置的一大檩条上, 檩条通过一支
12、撑短柱担放在钢柱 侧面的牛腿上, 同时钢柱顶部焊一钢板直接和上部的 大梁接触, 直接承受大梁传来的荷载, 钢柱为工字型 可以刚好把原来刮掉一部分断面的木柱卡在工字钢 槽内, 在槽内和木柱截断同高处焊有一钢板, 可以把 上部未切除的木柱担在上面, 钢柱下面用混凝十浇筑 上来, 浇筑高度不能超过土坯墙下面的砖基础, 目的 是防止混凝土中的水分渗到土坯墙上。钢柱和房屋 传力方式见图 3 。 图 2? 柱根糟朽情况图图 3? 钢柱传力示意图 4 . 2? 土坯墙试验 我国由于很早即采用木料建造房屋, 因此, 逐渐 形成木构架制的建筑体制. 墙壁成为填充式的, 即非 承重的, 故长期使用晒干的粘土砖 (
13、土坯 )作墙壁。当 试验段拆掉砖墙后, 任意取出适量土样进行土的物理 性质试验, 其土的各项物理指标见表 1 ; 土坯墙渗透 试验, 数据见表 2 。 在试验段取出土样, 进行了无侧限抗压强度试 验, 浸泡后试验, 具体数据见表 3 。 土样的各项物理指标表 1 质量 m( g) 体积 v( cm3) 密度 ?( g/c m3) 平均密度 ?( g/c m3) 含水量 (% ) 平均 含水量 (% ) 干密度 ?d( g/cm3) 427. 56263. 521 . 6225 160. 871001 . 6087 82. 6951. 251 . 6135 1. 615 1 . 667 1 .
14、503 1 . 827 1. 6661. 589 172007年 11月总第 149期? ? ? ? ? ?陕西建筑 土的渗透性试验 (变水头试验 )表 2 开始时 间 ( s) 终了时 间 ( s) 开始水头 h1( c m) 终了水头 h2( c m) kT= 2. 3 aL A( t2- t1) 1g h1 h2 ( c m /s) ?T ?20 k20= kT ?T ?20 ( cm /s) 0300142. 6141. 5 4. 556! 10- 6 0. 910 4 . 146! 10- 6 300600141. 5140. 35. 000! 10- 60. 9104 . 550!
15、 10- 6 600900140. 3139. 24. 600! 10- 60. 9104 . 186! 10- 6 9001200139. 2138. 14. 670! 10- 60. 9104 . 250! 10- 6 12001500138. 1137. 14. 280! 10- 60. 9103 . 895! 10- 6 平均渗透系数 k20 - = ? 5 i= 1ki20 5 = 4 . 205 !10 - 6 渗透系数是土的一项重要力学指标, 在此是提供 分析土坯墙的等渗流量和渗流稳定性, 由表 1 、 表 2以 及最后算得的平均渗透系数可以得出, 此土坯墙的土 质属于粉质粘土,
16、 这种颗粒的透水性较小, 湿时有粘 性, 遇水膨胀小, 干时有收缩, 毛细水上升高度大。从 以上试验可以得出对加固材料的要求是: 硬化后无裂 缝, 不干缩, 能与土坯形成一个整体; 胶结材料在凝固 硬化前需有足够的流动性, 以便在缝隙中灌注密实; 与 土坯的粘结力要强, 粘结后不会发生起皮、 脱开现象; 外观颜色应与土坯颜色一致。 S V- 型灌缝胶兼顾了 各方面的要求, 因此可以对此段土坯墙进行加固。 通过对土坯墙的无侧限抗压强度试验 (见表 3) 可以看出: 土坯墙虽为填充墙, 经过常年的风化侵蚀 依然有一定的强度, 这个强度足以保证自身的稳定 性: 经胶体浸泡后 24小时, 土块的强度和未浸泡前的 相差不大, 所以在整个灌胶施工过程当中, SV- 型 灌缝胶可以保证整个施工过程的顺利进行: 灌胶完毕 后只要保证灌胶土坯墙的通风干燥, 其强度将会一直 增加, 直到稳定。 对泥塑后面的土坯墙进行 SV# 型灌缝胶加固, 在裂缝处、 空鼓部位比较大的地方应先填充, 填充材料 为和土坯墙成分一样的土坯 (包括含水量、 灰土比例 ), 之后在木楔松动
