古建筑砖、土结构裂缝成因及对策分析

古建筑砖、土结构裂缝成因及对策分析
摘要：古建筑中砖-土结构材料的劣化与古建筑裂缝扩展关系密切。

以现役西安
明代城墙及钟楼等古建筑为研究对象，对其墙体开裂特征及开裂原因开展了研究，以期为类似古建筑的稳定性分析、损伤预测和修复措施等提供参考。

关键词：古建筑; 砖-土结构; 有限元分析; 裂缝成因分析; 力学性能
前言
在我国，不同地区、不同年代遗存下来的古城墙、砖石古塔等建筑结构的基座均为“砖砌体-芯墙夯土”构造。

以西安明代钟楼为例，据史料记载，该古建筑外墙的裂缝早在 1953 年以
前就已形成，地震、环境振动和地下水位升降诱发的地基不均匀沉降都会对其产生影响，迫
使钟鼓楼的保护范围逐渐向外延伸，并对其进行了大范围的整修。

然而，尽管采取了有效的
隔震措施及地基和主体结构加固措施，其外墙裂缝仍在缓慢扩展并有新的裂缝出现，且由此
产生大面积渗漏水、酥碱掉渣、墙皮脱落粉化等现象，导致古建筑稳定性及历史文化风貌日
趋受损，钟楼开裂产生的原因众多，其中主要是由于古建筑材料自身的劣化、直接或间接的
破坏造成，而古建筑材料的人为劣化是诱因之一。

1古建筑砖 - 土结构裂缝成因
1.1西安城墙
西安明城墙平面为长方形，周长 13.74 km，墙高12 m，其顶宽 12～14 m，底宽15～18 m。

该城墙为城内外提供交通的城门有 17 座，城墙主体采用外包砖内填夯土构筑而成，见图1。

对城墙外墙裂缝的分布特征，即裂缝的长度 l、宽度 W、深度 D 进行调研，统计结果见
表 1。

由表1可知，西安明城墙外墙的可见裂缝约 260余条，其中最大扩展长度约 24．6 m，
最大宽度达100 mm。

城墙南部裂缝分布密度最高，东、西城墙次之，北城墙裂缝分布最少。

除此之外，还对裂缝形态及成因进行了调查，裂缝多为与地面呈垂直角度分布，按裂缝形态分，主要有正“八”字形、倒“八”字形、倒“Z”形、倒“S”形等。

同时，还有呈中间宽两端窄的“X”形裂缝(图2)，按裂缝成因和力学机制可分为水平张拉、剪切、综合裂缝及碎裂裂缝等。

由图 2 可见，西安明城墙外墙裂缝分布密度、形态特征及形成机制较为多样，这对其稳
定性和建筑外观会产生不利的影响，应引起相关部门的重视。

1.2 西安钟楼
西安钟楼上部结构采用砖木结构，砌筑于砖-土结构的方型基座上，总高度 36m，占地面积 1377m2。

据史料记载，基座外墙裂缝早在 1953 年以前已经形成，1953—1958 年期间对基座外墙进行了加固和外包新砖修复，经现场调研发现，西安钟楼裂缝主要分布在基座的外墙上和游客进出口的台阶附近，其分布特征如图 3 所示。

从图 3 中可见，基座外墙裂缝主要分布在上部结构外边界与基座相交处，裂缝长度基本从基座顶部向底部竖直向贯通，长度约为 9．0 m，裂缝宽度平均约为 10 mm，局部也存在与水平方向呈 45°夹角的较短斜裂缝。

1.3古建筑砖-土结构开裂诱因
根据对现役状态下明城墙及钟楼出现开裂的情况调研及史料记载和相关研究发现，其开裂现象早已形成，由于对古建筑本体及地基采取了保护和加固措施，后期的地下工程建设对其影响并不大。

总体上，古建筑墙体开裂的原因包括：
首先是设计问题，我国用以控制古建筑砖 - 土结构质量的标准规范仍然是使用弯沉值，并且在设计之初，便是将设计标准定为100KN 的轴载。

这种设计方式虽然有自身的优点，但在设计之中考虑得并不全面，并没有想到超载对于古建筑砖 - 土结构使用寿命的影响，也使得在实际情况中，古建筑出现的累计变形与计算和设计结果并不完全相同，有一定的出入，缩短了古建筑的使用年限。

其次，基座外墙砌体材料因年代久远而风化、劣化损伤造成承载力下降; 基座内部夯土芯墙因水分入渗而湿化沉陷导致承载力下降和土压力放大效应; 古建筑基座内部和地基中的防空洞(空洞) 因受水分入渗出现塌陷造成裂缝等; 4) 历史上发生的地震破坏或战乱;地下水开采或停采而使地下水位变化或地裂缝错动诱发的古建筑基座不均匀沉陷导致开裂; 临近基坑降水和地下开挖产生的地层损失而导致不均匀沉陷引起墙体开裂; 特殊荷载，如地铁和地面交通长期振动的疲劳荷载、游客荷载、其他堆载及人为破坏等。

对比可知，人为和工程因素对其破坏影响可以通过合理的管理和加固处理措施得以控制，然而对于古建筑本身材料的劣化和不可抗力因素所导致的古建筑开裂往往难以控制。

因此，应采取人为干预的方法延缓古建筑材料的劣化。

古建筑施工并不是一件容易的工作，非常辛苦，并且工作环境不佳。

另外，其施工过程危险性较大。

这就对于施工过程中参与施工的人员素质提出了较高的
要求。

只有施工人员拥有比较高的职业素养以及专业技能，才能保证在施工过程中严格按照方案进行施工，才能保证施工结果所得古建筑质量符合国家以及行业标准，提高古建筑使用的耐用程度。

2古建筑砖 - 土结构病害的对策
2.1合理设计古建筑砖 - 土结构结构
古建筑砖 - 土结构的设计工作必须合理，尤其是面层厚度的选择尤为重要。

如果满足需要，面层厚度并非越厚越好，如果单纯是为了提高古建筑砖 - 土结构的承载能力，可选用其他古建筑砖 - 土结构结构代替传统的沥青面层，采用半刚性的材料作为古建筑砖 - 土结构面层结构，提高古建筑砖 - 土结构承载力。

再有一点，如果所使用的沥青本身质量较差，也会对其结构产生负面影响。

并且沥青面层之所以会产生裂缝，主要并不是由于反射裂缝造成，而是由于温缩所致，所以增加厚度并不能解决问题。

2.2加强施工过程控制
健全施工过程控制组织结构，任何制度都需要有人进行管控和约束，所以组织机构的划分和合理分工，对于组织结构管理来说至关重要。

强化事前预防和事中控制意识，我国很多工程项目在开展组织结构工作时，更多是在问题出现之后进行整改。

虽然有效地整改能够提
高组织结构水平，也是组织结构工作的重要组成部分，但是在组织结构中的事前预防和事中
控制却很少有企业能够做到。

重视软件资源的组织结构，对硬件资源进行有效控制，有效划
分组织结构相关职责，成立一套全面细致的奖惩方案。

2.3积极引进施工技术人员
针对新进施工技术人员进行岗前培训。

主要是业务知识还有古建筑项目的工作流程，并
且了解古建筑项目文化，帮助施工技术人员树立责任心、价值观、团队合作精神等等。

培训
之后进行考试，合格后才能正式录用。

针对录用的施工技术人员进行岗位培训，各个部门进
行相关的业务知识培训，了解最新的行业动态，进一步提高施工技术人员的业务知识水平。

挑选储备人才。

古建筑项目定期从古建筑项目中层人员中挑选一批有潜质的人员进行培训，
作为古建筑项目的储备人才。

跟进培训后施工技术人员的表现，看看是否能将培训中学得的
知识运用到工作中。

有针对性地进行外部招聘，古建筑项目的绩效管理是每个季度进行考核并与薪酬挂钩的。

绩效考核不能单单作为施工技术人员的薪酬和岗位更换的标准，主要的目的应该是提升施工
技术人员的能力。

合理有效的绩效考核应该建立在管理人员与施工技术人员的沟通上，然后
施工技术人员对自己进行初步的绩效测评，然后再由领导进行绩效考核，实行360°评估，使
得每个考评者都由古建筑项目内部上、下、左、右的其他施工技术人员，考评者本人一起对
其进行考核。

这样的考核使所有人都参与进来，使得考评更加公平公正，也让施工技术人员
体会到做好人与人之间沟通的重要性。

结束语
目前，对于古建筑砖-土结构材料的劣化特性研究尚存在诸多问题，同时，由于材料劣化
而使古建筑产生裂缝及力学性能退化亦缺乏研究。

本文引用实际案例问题深入研究。

以期为
类似古建筑的稳定性分析和修复措施等提供参考。