膠木棒錨桿在唐皇城含光門土遺址錨桿錨固中的應(yīng)用

戎　巖, 李玉虎, 曹　靜,黃四平, 王文軍, 傅　鵬, 楊　子

(1 陜西師范大學 材料科學與工程學院, 歷史文化遺產(chǎn)保護教育部工程研究中心， 陜西 西安 710119；2 咸陽師范學院 經(jīng)濟與管理學院， 關(guān)中古代陵寢文化研究中心， 陜西 咸陽 712000)

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膠木棒錨桿在唐皇城含光門土遺址錨桿錨固中的應(yīng)用

戎巖1，2, 李玉虎1*, 曹靜1,黃四平1, 王文軍1, 傅鵬1, 楊子1

(1 陜西師范大學 材料科學與工程學院, 歷史文化遺產(chǎn)保護教育部工程研究中心， 陜西 西安 710119；2 咸陽師范學院 經(jīng)濟與管理學院， 關(guān)中古代陵寢文化研究中心， 陜西 咸陽 712000)

摘要：針對唐皇城墻含光門土遺址出現(xiàn)的夯土脫落、變形裂隙、建筑工藝裂隙等病害現(xiàn)狀，對該遺址的土體性能進行了測試分析，設(shè)計了適宜于半干旱、半濕潤地區(qū)土遺址的膠木棒錨固錨桿。結(jié)果表明：對比其他土遺址類錨桿，采用均勻分布阻力棒的膠木棒錨桿具有抗腐蝕、強度大、韌性好等特點；此膠木棒錨桿性能優(yōu)異，已成功應(yīng)用于唐皇城墻含光門土遺址等重要文物的保護工程中。

關(guān)鍵詞：膠木棒錨桿； 唐皇城含光門； 土遺址； 錨固

唐皇城墻含光門遺址位于明清西安城墻內(nèi)，是為保護唐長安城皇城含光門遺址而建立的一座專題性博物館。博物館內(nèi)主要展示隋唐含光門門道遺址、城墻斷面遺址(包括隋唐、唐晚期至五代、宋、元、明、清及近現(xiàn)代的城墻土遺址)和隋唐長安城皇城過水涵洞遺址。該遺址歷史悠久，具有很高的考古學和歷史價值。但由于年代久遠，土遺址出現(xiàn)了夯土層松動脫落、墻體裂隙，最終導致坍塌破壞。由于土壤自身物理、力學性質(zhì)和建造工藝等因素[1]，決定了土遺址的脆弱性，故土遺址的加固保護需綜合考慮較多因素[2]。錨桿錨固技術(shù)是原位加固土遺址的重要方法之一[3]，可以有效地提高土遺址的穩(wěn)定性[4]。

在土遺址保護領(lǐng)域,常用的錨桿材料有木棒[5]、碳纖維楠竹[6]、楠竹加筋復合材料[7]等，錨桿形狀多采用棒狀設(shè)計。木質(zhì)錨桿[8]，在干旱地區(qū)使用不易腐爛，經(jīng)歷幾千年后仍然有較好的強度和支護作用[9]。但木質(zhì)錨桿的含水量較高，隨著環(huán)境的改變，木錨桿的收縮性必然大，會直接影響錨固質(zhì)量和錨固效果。楠竹加筋復合錨桿[10]，其體積大、耐久性好、強度較高，適用于大體量的土遺址加固。但是楠竹材質(zhì)仍然是木質(zhì)的，其在半干旱或潮濕地區(qū)，其耐久性仍難以滿足要求。碳纖維楠竹[11]，是在楠竹表面粘貼碳纖維布，以提高錨桿與錨固體之間的表面摩擦系數(shù)，增強錨固力，與其他非木質(zhì)錨桿材料相比[12]，其強度較低，一般應(yīng)用于小體量的土遺址加固，錨桿長度為0.7～1 m，多用在干旱地區(qū)。

對唐含光門東展廳及西展廳中存在較大變形裂隙及有坍塌趨勢的土遺址進行勘察，結(jié)合該地區(qū)土質(zhì)特性，本文設(shè)計和加工適用于半干旱、半濕潤地區(qū)的土遺址加固的錨桿，并應(yīng)兼具剛性、韌性及兼容性[13]，通過陜西師范大學土遺址模擬坑的錨固實驗，遴選出最適宜的錨桿長度和錨固材料。

1遺址裂隙病害調(diào)研

唐皇城墻含光門土遺址中，在東展廳的門道遺址中存在許多的微觀裂隙和宏觀的大裂隙，其中在中東門道隔墻上存在著許多較大的變形裂隙，這些裂隙(如圖1)可能造成墻體的坍塌。

1.1城墻門道遺址瀕危夯土塊

在城墻懸空帶周圍，特別是懸空帶的上部，存在大量的瀕危夯土塊(圖2、圖3)，這些土塊底部懸空，僅靠與墻體的一點黏結(jié)力相連，在重力作用下或者外界周圍車輛運動震動的影響下，極易從墻體上脫落，導致中東門道遺址隔墻西上部分整體垮塌，造成無法彌補的損失[2]。

1.2城墻門道遺址貫通南北大裂縫

從南側(cè)觀察，大裂縫底部東西寬2.8 m，頂部東西寬2.6 m，呈梯形(近似長方形)。在整個墻體中，有一條貫穿南北的建筑裂縫(圖4)，裂縫從墻頂延伸到墻底，使整個墻體分為東西兩部分，各部分的寬度底部基本為1.5 m，并向上傾斜，上部分寬度基本為1.3 m。其中西側(cè)墻體，由于中部的地基凹進，形成的上部懸空，在重力作用下，有向西傾倒的趨勢，需要用錨桿加固[14]。

1.3南北大裂縫內(nèi)滋生害蟲

為探明遺址裂隙內(nèi)容狀況，選用專業(yè)內(nèi)窺鏡儀器，將內(nèi)窺鏡探頭伸入城墻門道遺址大裂縫的南側(cè)，以便窺探裂縫內(nèi)部的保存狀況，為制定合理的保護計劃及工程實施，提供更為科學而翔實的信息。

通過內(nèi)窺鏡拍攝到的遺址裂縫內(nèi)部狀況(見圖5)，不難看出，城墻門道遺址縫隙內(nèi)部存在蜘蛛大面積結(jié)網(wǎng)現(xiàn)象，螨蟲滋生較為嚴重，遺址表面粉化現(xiàn)象較嚴重甚至脫落。

綜上，該遺址發(fā)生層狀松動的成因較為復雜。其成因主要是由于鹽害酥粉導致，由于可溶鹽溶解與重結(jié)晶發(fā)生體積變化，且由于夯土層之間組成及理化性質(zhì)差異，不同時代的城墻土體之間的成分不同，土體的化學組成與熱力學常數(shù)、黏結(jié)強度等物理性質(zhì)和化學性質(zhì)存在差異，夯土層與層之間黏結(jié)力相對較弱，在外界環(huán)境變化時，不能協(xié)同變化，黏結(jié)力與密實度較小的層間極易發(fā)生土體酥粉，導致此處墻體機械性能下降[15]，在重力的作用下，局部墻體便會發(fā)生剝落和崩裂。另外，潮濕環(huán)境讓古墻體滋生了大量菌類，而寄生其中的螨蟲以食有這些菌類為生，在歷經(jīng)千年的變化中，它們在墻體的土層中筑巢、繁衍生息，從而對土遺址造成了機械性破壞，加劇夯土層間的粉化，使其松動脫落。而城門以及城墻內(nèi)外兩側(cè)緊鄰公路，車流量大，同時城墻上經(jīng)常舉行大型活動，這些震動也是造成城墻裂縫發(fā)育及發(fā)展的影響因素之一[16]。

2膠木棒錨桿設(shè)計及性能測試

2.1膠木棒錨桿設(shè)計

為克服現(xiàn)有錨桿耐久性差、強度較低、不適用于各種長度遺址土體的錨固等缺陷，本工作設(shè)計了一種適宜于半干旱、半濕潤地區(qū)的膠木棒土遺址加固錨桿[17]。

該膠木棒錨固錨桿(如圖6)包括多個連接螺桿1、多節(jié)膠木桿2、多個阻力棒3和膠木螺母4。其中：各膠木桿2一端端面均安裝有連接螺桿1，各膠木桿另一端端面中心均有與連接螺桿1配合的盲孔，使用時，根據(jù)所需錨桿長度，將各節(jié)膠木桿2通過連接螺桿首尾連接，形成了加固錨桿。在加固錨桿的圓周表面分布兩組貫通該加固錨桿桿身的阻力棒安裝孔，分別用于安裝第一組阻力棒3和第二組阻力棒5。多個阻力棒分為兩組，安裝在該阻力棒安裝孔內(nèi)，并使各阻力棒的兩端露出加固錨桿的圓周表面。各阻力棒安裝孔的中心線與加固錨桿的中心線垂直相交，使安裝后的各阻力棒的安裝角α=90°。兩組阻力棒安裝孔分別位于加固錨桿桿身不同的圓周上，使第一組阻力棒3的中心和第二組阻力棒5的中心分別處于加固錨桿圓周表面上不同象限內(nèi)，第一組阻力棒3的中心線和各第二組阻力棒5的中心線之間的夾角β為90°。膠木螺母4套裝在所述加固錨桿上，位于該加固錨桿的尾端。當所述加固錨桿裝入土遺址內(nèi)，使該膠木螺母4的端面與土遺址的表面貼合，以增加對土遺址的支撐面積。

每組阻力棒均沿加固錨桿軸向排布，每組阻力棒中相鄰的兩個阻力棒之間的中心距L2=200。膠木螺母4為圓形，中心為螺紋孔，使用時，套裝在加固遺址土體外端的連接螺桿1上。各膠木桿表面均拋光打磨，并在膠木桿、阻力棒、連接螺桿和膠木螺母的外表面均涂覆有植筋膠，形成了厚度為2 mm的植筋膠層。膠木桿、阻力棒和膠木螺母三者的原材料均為環(huán)氧樹脂膠木桿。設(shè)計圖見圖7。

首先在錨桿上每隔10 cm鉆直徑為10 mm的小孔，呈交叉狀排列，然后給長為6 cm、直徑為10 mm的小膠木桿上涂抹植筋膠，用力楔入錨桿小孔中。最后，設(shè)計和加工了兩種膠木螺絲：膠木錨桿螺絲和不銹鋼質(zhì)的錨桿螺絲。膠木螺絲是在原膠木錨桿的一端用螺絲機進行成絲，鋼質(zhì)螺絲是在錨桿的一端鉆成帶絲的小孔，然后給螺紋鋼筋上涂抹植筋膠，然后擰上。設(shè)計和加工好的鋼質(zhì)錨頭錨桿見圖8，同時設(shè)計和加工了與之配套的膠木螺母(如圖9)。

該錨桿具有以下優(yōu)點：①選擇膠木桿作為錨桿材料，具有抗腐蝕、強度大、韌性好等特點，性能優(yōu)異，可應(yīng)用于干旱、半干旱、潮濕的土遺址加固環(huán)境；②膠木桿上交錯90°均勻分布阻力棒，避免了傳統(tǒng)的單一棒狀設(shè)計理念，形成的這種阻力結(jié)構(gòu)更有利于增強錨固力； ③根據(jù)錨固長度，通過連接螺桿，將膠木桿連接成不同長度，取代了傳統(tǒng)的黏結(jié)劑結(jié)合方式，增強錨固力，適用于不同遺址土體的需要。

2.2錨桿抗拉強度測試

錨桿性能對比見表1。

*楠竹性能來自《交河故城保護加固技術(shù)研究》，膠木桿和不銹鋼性能來自產(chǎn)品說明書。

采用WE-1000A液壓萬能試驗機對纖維膠木桿的抗拉強度進行了測試，測試方法按照金屬材料室溫拉伸試驗法GB/T 228-2002測試標準進行。測試結(jié)果如表2所示，膠木桿的平均抗拉強度為70.8 N /mm2。

*河北環(huán)氧樹脂廠生產(chǎn)的北信牌環(huán)氧樹脂膠木桿，其特征參數(shù)為：密度為2.1 g/cm3, 抗拉強度≥1 360 MPa，抗彎曲強度為930 MPa，彈性模量為41 GPa，吸水率為0.013～0.04，線膨脹系數(shù)為3.0×10-6/K。

2.3斷裂韌性測試

斷裂韌性是指材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴散能力的度量，斷裂韌性測試常通過抗彎強度測試實現(xiàn)。采用GW-40鋼筋彎曲試驗機(濟南試金集團有限公司)進行該測試，測試方法參照GB/T 1449-2005纖維增強塑料彎曲性能試驗方法。

測試條件：經(jīng)膠木棒(直徑為35 mm)加工的膠木片，跨距300 mm，撓度棒的直徑22 mm，試驗速度2 mm/min。彎曲荷載與跨中撓度曲線見圖10，依據(jù)抗彎強度公式：

式中，σf為彎曲強度，MPa；P為破壞荷載，N；l為跨距，mm；h為試驗厚度，mm；b為試樣的寬度，mm。代入數(shù)據(jù)，可計算出膠木錨桿的抗彎強度σf為964MPa。

分級荷載彎曲模量計算公式為

式中：Ef為彎曲彈性模量，MPa；ΔP為荷載-撓度曲線上初始直線段的荷載增量，N；ΔS為與荷載增量ΔP對應(yīng)的跨距中心處的撓度增量，mm；l、b、h與上式相同。代入數(shù)據(jù)可計算出膠木錨桿的彎曲模量Ef為2 732MPa。結(jié)果表明，膠木錨桿有較優(yōu)異的抗彎強度，土遺址錨固錨桿的力學特性需剛性與韌性兼?zhèn)洌z木棒錨桿符合該要求，能夠滿足工程實施的需要。

2.4錨桿拉拔試驗數(shù)據(jù)

本工作選擇了粉煤灰、納米二氧化硅、植筋膠、生石灰系膨脹劑和ZB-F600雙組分水性氟為灌漿材料。初始黏度為9 mPa·s，膠凝時間為28 d，抗壓強度為8.53 MPa，膨脹率為0.143%。結(jié)果見表3。

*錨固體由錨桿和漿體組成，形狀為圓柱體。

經(jīng)過測試，所述的錨桿平均破壞荷載為66 kN，大于錨固軸向拉力的設(shè)計值Nt，滿足含光門土遺址保護的要求。

3含光門錨桿錨固工程實施及效果

含光門中門道墻體有10個韌木洞，綜合考察10個韌木洞，其中3、4兩個洞處于懸空帶中心部位，在3、4兩個已有韌木洞中使用錨桿，對防止其坍塌脫落非常關(guān)鍵。通過用內(nèi)窺鏡觀察，3、4、10三個洞中沒有殘留生漆與木紋。由于10韌木洞所處位置為邊坡底部，相對很安全，在對3、4韌木洞實施錨固之前，先對10進行錨固。

含光門土遺址的錨桿加固具有地質(zhì)工程高邊坡加固的屬性，又屬于文物保護加固的范疇，所以錨桿加固所采取的措施和工藝具有復雜性、專業(yè)性和特殊性，錨固工藝流程如圖11所示。

3.1施工前的準備

施工前的準備主要包括腳手架的搭設(shè)和臨時支護，腳手架的搭設(shè)是后續(xù)施工的平臺，臨時支護是錨固灌漿施工的安全儲備與保障。

腳手架的搭設(shè)應(yīng)滿足《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》的強制性標準。內(nèi)容有：①腳手架承載力按照概率極限狀態(tài)設(shè)計，保證縱向、橫向水平桿等受彎鉤件的強度和連接構(gòu)件的抗滑承載力，保證立桿的穩(wěn)定性及下部地基的穩(wěn)定性，保證連墻件的強度及穩(wěn)定性；②采用敞開式腳手架(僅設(shè)有作業(yè)層欄桿和擋腳板，無其他遮擋設(shè)施的腳手架)；③腳手架鋼管采用3#普通鋼管，其質(zhì)量符合現(xiàn)行國家標準《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T 700-1998中Q235-A級鋼的規(guī)定，腳手架鋼管的尺寸：外徑48 mm，壁厚3.5 mm，橫向水平桿最大長度為2 200 mm，其他桿最大長度650 mm；④木腳手架板采用松木或杉木制作，其材質(zhì)應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50005-2003中Ⅱ級材質(zhì)的規(guī)定，腳手架板厚度不應(yīng)小于50 mm，兩端應(yīng)各設(shè)直徑為4 mm鍍鋅鋼絲箍兩道；⑤其他強制性標準。

臨時支護對于加固安全施工有重要意義，墻體在施工擾動過程中可能發(fā)生傾倒、滑移等運動，給施工區(qū)域的人員及文物帶來安全隱患，為了有效防止墻體發(fā)生破壞性的運動和位移，必須進行臨時支護，以確保加固施工的安全。支護不得破壞文物本體[18]。3.2成孔預加固

錨孔利用門道遺址墻體上的建筑孔洞，只是為了要對這些孔洞進行修整，一是清除孔洞里面的浮土與雜土，二是對孔洞里面進行修整，使孔洞內(nèi)外直徑統(tǒng)一為100 mm。

為了增加錨漿體與土體的摩擦力，選用CB-1和CB-2黃土加固劑對整修后的孔洞進行加固，各加固3遍，以增加土體機體的強度。

3.3錨桿制作與安放

門道隔墻遺址共設(shè)計錨桿3根。錨桿依據(jù)孔洞的長度，設(shè)計成直徑為35 mm、長度為3 100 mm的膠木錨桿，兩端設(shè)計成膠木螺旋絲并帶膠木螺帽，采用H型加固方法。

3.4漿液制備與灌漿

經(jīng)過實驗室的篩選，選用基于水性氟的復合灌漿材料，遴選最適宜配方，灌漿順序自下而上、由低向高，單孔逐一連續(xù)進行[19-20]。

3.5錨桿養(yǎng)護

自然養(yǎng)護1個月。

3.6錨頭安裝與鎖定

在養(yǎng)護完成以后，安裝臺座和用膠木螺帽鎖定。

3.7錨桿檢測

由于錨桿數(shù)量較少，不再進行拉拔試驗。只是檢測錨桿有無傾斜，灌漿體有無開裂、變色等不良病害等。

3.8錨孔修復與做舊

錨桿加固后的墻面還要進行后期處理，古遺址外表面要求修舊如舊[20]，加固后不能有明顯的加固痕跡，對于錨桿的空洞位置進行的進一步處理主要包括去除多余錨桿，表面修復防風化處理和表面作舊。

遺址錨固前后的效果分別見圖12和圖13。

4結(jié)論

通過對含光門土遺址的病害調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)該遺址存在不同程度的變形裂隙及建筑工藝裂隙，由于應(yīng)力的重新分布，引起土遺址表面產(chǎn)生開裂，并在微環(huán)境不斷變化的影響下，裂縫不斷擴大，產(chǎn)生次生裂隙。采用內(nèi)窺鏡的觀測，在大裂縫內(nèi)存在害蟲，由于其不斷地對土體進行機械破碎，加速了遺址的風化。含光門土遺址存在大量的裂隙及較大的裂縫，錨桿錨固是較為有效的保護措施之一，結(jié)合該土遺址的特征，選用適宜于半濕潤半干旱地區(qū)的膠木棒錨固錨桿進行錨桿錨固加固，通過分析檢測，該錨桿的錨固效果較常見的土遺址類錨桿性能較優(yōu)。

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〔責任編輯王勇〕

Application of bakelite rod anchor in protection of Tang Hanguangmen Entrance remains

RONG Yan1,2， LI Yuhu1*, CAO Jing1,HUANG Siping1, WANG Wenjun1, FU Peng1, YANG Zi1

(1 School of Material Science and Engineering， Shaanxi Normal University,Engineering Research Center of Historical and Cultural Heritage Conservation,Ministry of Education, Xi′an 710119, Shaanxi, China；2 Department of Economics and Management, Ancient Mausoleum and Culture Research Center, Xianyang Normal University, Xianyang 712000， Shaanxi，China)

Abstract:Aiming at the disease statuses，such as rammed earth off,deformation crack,structural crack,and based on previous research results, the bakelite rod has been designed，which suits for the soil site in semi-arid and semi humid region. The results show that compared with other anchors used in protection of soil site, bakelite rod，which was uniformly distributed with resistance bars，possess excellent performance in corrosive characteristics, intensity and tenacity. Bakelite rod has been application in protection of significant cultural relics such as Tang Hanguangmen Entrance remains.Keywords: bakelite rod； Tang Hanguangmen Entrance remains； earthen archaeological sites； anchoring

文章編號：1672-4291(2016)03-0069-06

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2016.03.332

收稿日期：2015-11-06

基金項目：國家社會科學基金(10XZS013); 陜西省教育廳專項基金(15JK1795); 陜西省重點扶持學科中國史(歷史地理學)專項資金(0602)

*通信作者：李玉虎，男，教授，博士生導師。E-mail:liyuhu@snnu.edu.cn

中圖分類號：TU18

文獻標志碼：A