南京城墻本體典型病害與分析

張 琪

（南京城墻保護(hù)管理中心，江蘇 南京 210008）

根據(jù)江蘇省人民代表大會常務(wù)委員會2015年1月公布實(shí)施的《南京市城墻保護(hù)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(gè)歷史時(shí)期修繕的城墻及遺址。南京城墻系國家級文物保護(hù)單位，目前現(xiàn)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(jì)錄協(xié)會世界第一大城墻。無論歷史價(jià)值、觀賞價(jià)值、考古價(jià)值以及建筑設(shè)計(jì)、規(guī)模、功能等諸方面，國內(nèi)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(shù)發(fā)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(hù)與修繕工作。為此，針對南京城墻本體這么多年所發(fā)生的典型病害進(jìn)行歸納與原因分析。這方面的內(nèi)容可為類似城墻的保護(hù)與修繕工作人員提供參考。

1 城墻本體構(gòu)成及類型

南京城墻本體包括地基基礎(chǔ)、上部墻體兩大部分。地基基礎(chǔ)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(fù)合（碎石）土墊層、或木樁加固土體等）為地基，作為城墻基礎(chǔ)的持力層；以塊石、條石作為城墻基礎(chǔ)。墻體主要由城磚或條石組成，少數(shù)墻體的內(nèi)部采用好黃土夾碎石夯實(shí)（例如東水關(guān)至武定門段附近）[1]。早期的黏結(jié)材料主要包括泥灰類黏結(jié)材料和黃土或黃泥兩種。根據(jù)文獻(xiàn)[2]的分析結(jié)果，此類泥灰類黏結(jié)材料的主要無機(jī)成分是方解石晶體的碳酸鈣，其含量在87.8%～96.8%；有機(jī)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(shè)置有防水層與排水系統(tǒng)。

南京城墻根據(jù)墻身外觀的構(gòu)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(jù)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(fù)合墻體。根據(jù)城墻走勢與側(cè)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(fēng)化

城墻本體在經(jīng)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(fēng)化（圖1）。主要損傷特征表現(xiàn)為：砌塊的片狀脫落、開裂；黏結(jié)材料的疏松、脫落。墻面風(fēng)化的主要原因在于水的沖刷、滲透和凍融循環(huán)等環(huán)境作用[3]。尤其在惡劣的寒冬季節(jié)，當(dāng)砌塊在雨水作用下達(dá)到飽和水狀態(tài)時(shí)，凍融循環(huán)的影響最為嚴(yán)重。除此之外，對于南京城墻而言，多次戰(zhàn)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(fēng)化速度。

圖1 城墻表面風(fēng)化現(xiàn)象（來源：作者自攝）

2.2 墻體裂縫或局部塌落

砌體結(jié)構(gòu)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(xì)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(shí)會產(chǎn)生膨脹變形，在溫度降低時(shí)會產(chǎn)生收縮變形。城墻的形狀為條狀連續(xù)體，局部墻體在溫度應(yīng)力作用下產(chǎn)生膨脹或收縮變形時(shí)并不是自由的，其兩端受到相鄰墻體的約束。一旦溫度應(yīng)力產(chǎn)生的拉應(yīng)變超過砌體的極限拉應(yīng)變，此時(shí)就會在墻體上產(chǎn)生裂縫（圖2）。此類裂縫的寬度往往不會過大，并經(jīng)過全年一個(gè)周期循環(huán)后基本保持穩(wěn)定。早期工匠們在建造城墻時(shí)，尚不能充分意識到溫度應(yīng)力給砌體結(jié)構(gòu)所帶來的危害。因此，南京城墻在建造時(shí)是沒有設(shè)置伸縮縫的。南京城墻本體上出現(xiàn)一些溫度收縮裂縫也是非常正常的現(xiàn)象，該類裂縫對墻體的安全性短時(shí)間內(nèi)尚不構(gòu)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(nèi)部。此外，南京城墻在維修的過程當(dāng)中，有時(shí)會采用鋼筋混凝土剛性頂板?；炷恋木€溫度膨脹系數(shù)約為1.0×10-5/℃，砌體的線溫度膨脹系數(shù)約為0.5×10-5/℃，兩者相差一倍。尤其當(dāng)混凝土板覆蓋在拱門處時(shí)，此時(shí)墻體的斷面受到較大的削弱，溫度應(yīng)力極容易在拱門處產(chǎn)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(xiàn)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(jié)材料由于受到雨水的沖刷以及滲透作用，均出現(xiàn)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(fā)展提供了有利條件。一旦植物的根系固定于砌體的灰縫內(nèi)部，那么植物根系在生長過程中所產(chǎn)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(chǎn)生裂縫（圖4（a）），甚至?xí)沟帽韺硬糠殖霈F(xiàn)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(yīng)是采用馬牙槎搭接砌筑的構(gòu)造措施，這樣砌筑城墻的整體性非常好。但極少數(shù)地方（例如定淮門附近），局部范圍內(nèi)（約38 m）城墻的外側(cè)磚（厚度約一皮磚）與內(nèi)部墻體出現(xiàn)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(chǎn)生非常明顯的裂縫，裂縫寬度可達(dá)50～200 mm（圖5（b）），裂縫寬度呈現(xiàn)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(nèi)部墻體的搭接長度過小，整體性較差；當(dāng)溫度應(yīng)力以及內(nèi)側(cè)土壓力作用下使墻體產(chǎn)生一定變形之后，外表部分極容易與內(nèi)部墻體出現(xiàn)脫開現(xiàn)象。一旦外表部分與內(nèi)側(cè)出現(xiàn)脫開，外表部分墻體的高厚比很大，其穩(wěn)定性非常差，容易產(chǎn)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(shí)沒有采取必要的拉結(jié)構(gòu)造措施來增強(qiáng)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(xiàn)在南京城墻上部墻體的根部（圖6），尤其更容易出現(xiàn)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(jié)材料遭受不同程度的損傷，從而使得黏結(jié)材料的強(qiáng)度與飽滿度出現(xiàn)了明顯的降低。這樣就會讓表層砌體的抗壓強(qiáng)度與彈性模量都明顯降低。對于高達(dá)10～20 m的城墻本體，在其自身重量以及側(cè)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(yīng)力相對比較大。當(dāng)外表砌體與內(nèi)部砌體之間的彈性模量有較大差異時(shí)，兩者之間的較大豎向變形差所產(chǎn)生的剪力很容易使連接的城磚被剪斷。最終，外表砌體與內(nèi)部砌體之間形成較大面積的貫通式縫隙；嚴(yán)重時(shí)，該部分外表砌體就會產(chǎn)生局部塌落現(xiàn)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(xiàn)過幾次墻身的局部坍塌。城墻的局部坍塌主要發(fā)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(xiàn)為弧形包裹內(nèi)側(cè)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(jìn)行分析。該段城墻寬度為2.5 m，高度為11～13 m?；诳辈斓牡刭|(zhì)報(bào)告，在城墻內(nèi)側(cè)的土體主要有兩種不同性質(zhì)的土層：一層和二層。其中二層為素填土，土質(zhì)均勻，但分布厚度不均勻，其滲透系數(shù)可以判斷為弱透水層，從其分布深度上來看，應(yīng)為堆填年限很早的老黏土；一層為雜填土，土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)松散，從滲透系數(shù)上看為強(qiáng)透水層，應(yīng)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(biāo)高呈現(xiàn)外側(cè)低里面高的分布，所以后期回填的一層土呈現(xiàn)外厚內(nèi)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(jī)理是磚墻體和內(nèi)部土山相互咬合，共同作用，坍塌處可見磚墻體與內(nèi)部的一層之間的錨固已經(jīng)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(nèi)部松散土體自重所產(chǎn)生的水平力分量，故此產(chǎn)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(qiáng)度降低，加速了城墻滑坡坍塌的進(jìn)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(fā)現(xiàn)：城墻頂部后期填土導(dǎo)致地形起伏較大，建筑垃圾作為填土未經(jīng)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(jīng)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(cè)壓力，即對城墻本體構(gòu)成安全隱患。

起擋土墻作用的城墻發(fā)生坍塌，其形成原因有時(shí)也伴隨著后側(cè)土體的滑坡，即類似于包山墻；有時(shí)則僅僅是墻體發(fā)生坍塌，下面以圖7（c）為例進(jìn)行分析。其主要原因可以歸納如下：①城墻的黏結(jié)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(jié)材料逐漸劣化且隨著雨水沖刷逐漸減少，導(dǎo)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(dǎo)致邊墻與芯墻之間產(chǎn)生分離。③雨水滲透。當(dāng)墻體的黏結(jié)材料失效，隨著雨水的滲透，墻體內(nèi)部吸水膨脹變形容易導(dǎo)致磚塊松動變形，磚塊之間的咬合作用會逐漸降低出現(xiàn)分層，邊墻的整體性隨之急劇下降，這樣的相互作用是個(gè)惡性循環(huán)。④城磚質(zhì)量相對較差?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此處城磚多為斷磚。墻體發(fā)生局部坍塌后，墻體斷面發(fā)生較大削弱，其所起的擋土墻作用也明顯降低。此時(shí)，墻體很可能發(fā)生繼發(fā)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(fā)現(xiàn)，極少數(shù)城墻頂部的雉堞或宇墻存在一定的傾斜，且主要是向內(nèi)側(cè)傾斜（圖8）?；诂F(xiàn)狀的調(diào)查情況來看，此類雉堞或宇墻的外側(cè)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(jìn)行連根的清理非常有必要。

圖8 雉堞向內(nèi)側(cè)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(fā)生破壞。早期的頂部防水層已修建650余年，其發(fā)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(shù)僅采用了鋼筋混凝土板的剛性防水層（未設(shè)置防水卷材）。此類做法在城墻的芯墻采用黃土夾碎石時(shí)，海墁很容易出現(xiàn)沉陷現(xiàn)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(shè)置了伸縮縫，伸縮縫內(nèi)一般嵌入瀝青油膏，但是瀝青油膏的施工質(zhì)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(nèi)部；一般黃土都具有不同程度的濕陷性，當(dāng)黃土類型選擇不合適時(shí)，就會產(chǎn)生非常明顯的沉降變形；芯墻的沉陷會使鋼筋混凝土板產(chǎn)生相應(yīng)的下?lián)献冃?，此時(shí)一般還會在混凝土板支座處的頂面產(chǎn)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(shí)，其頂部的防水層應(yīng)優(yōu)先考慮采用傳統(tǒng)做法。依據(jù)文獻(xiàn)[1]的調(diào)查資料，為了防止城墻頂部遭受雨水的自然滲透，傳統(tǒng)做法采用桐油、黃土和石灰拌和夯實(shí)封頂，其上再砌筑數(shù)層城磚，做成由城外壁向內(nèi)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(shí)的黏結(jié)材料是采用的傳統(tǒng)材料。根據(jù)文獻(xiàn)[2]的分析結(jié)果，其主要成分應(yīng)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(bǔ)砌體結(jié)構(gòu)。但隨之帶來的問題是：在修復(fù)文物建筑時(shí)，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(xiàn)為水泥基砂漿的強(qiáng)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(yīng)，并通過毛細(xì)吸收滲透，從而產(chǎn)生可溶性鹽。由此可進(jìn)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(shè)施（例如地鐵）在設(shè)入南京城墻保護(hù)范圍或下穿城墻本體時(shí)，其在施工與運(yùn)行時(shí)必然會產(chǎn)生相應(yīng)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(chǎn)生振動影響的市政設(shè)施，應(yīng)必須進(jìn)行振動影響的專項(xiàng)評估。當(dāng)市政設(shè)施引起的振動影響超標(biāo)時(shí)，市政設(shè)施相關(guān)管理方應(yīng)采取必要的減振措施，使振動影響程度滿足國家現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求。

3 結(jié)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(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，對南京城墻本體的典型病害進(jìn)行了歸納總結(jié)與原因分析，旨在為類似城墻的管理與日常養(yǎng)護(hù)工作人員提供參考，從而盡快地判斷出城墻所出現(xiàn)損傷的初步原因，并及時(shí)、有效地提出科學(xué)的處理建議。