论文部分内容阅读
摘 要：土制建筑是人类在发展过程中最早使用一种建筑材料，然而经过上千年的人类智慧的积累和不同地区的特色，保留下来了许多具有文化价值的建筑遗产。然而由于土制的建筑经过大自然的风吹雨淋，个别地区又伴随着地震的发生，这种建筑的寿命会严重缩短，所以提高传统夯土墙的稳定性及其加固措施便显得非常的重要。本文讨论的便是提高传统夯土墙的防水性能和抗震加固方法。
关键词：夯土墙；稳定性；加固
前言
在人类的发展历史上，土的使用最早可以达到公元前6000多年前的新石器时代，也正是因为人类对土的使用，使得人类住处不需要再到处去寻找山洞或者搭建脆弱的木屋，人类注各种各样的建筑物也应运而生。即便在建筑业发达的今天，世界上依旧有大约30%的人口居住在土制的建筑中。我国使用土制建筑已经有几千年的历史了，现今我国使用土制建筑的人口大约有1亿左右。在土木行业发达的今天，人有很多人选择去居住土制建筑的原因是土制建筑能够适应不同的气候，不论是北方寒冷的地方、赤道附近炎热的地方或者冬冷夏热的地方，还是湿度大或者干旱的地方，土制建筑都可以完好的站立在那里。但是土制建筑业有其明显的缺点，例如剥落、裂纹、开裂、掏蚀凹进、坍塌、蓬松剥落。这些缺点的整治方法即传统夯土墙的维修、抗震加固等一直是工程结构人员所面临的难题。本篇文章讨论的便是如何提高传统夯土墙稳定性以及加固措施。
一、“人工快速钙化”加固保护技术
南方在传统夯土墙加固保护这一方面主要是以夯土墙的耐水性为中心，其次以“保持原貌，修旧如旧”为加固的夯土墙的基本规范。在当地进行了一段时间的实地考察后，根据考察所得到的结果数据可知夯土墙暴露在大自然的条件下，其表面会经过化学反应形成“钙化”。“钙化”这种情况在所有的夯土墙上都会多多少少存在，但是可能由于夯土的材料、种类、特性等原因，或者是与夯土墙所在地区的环境气候、建造时间、使用维护等自然原因有关，夯土墙的“钙化”程度差距很大。但是我们为什么要讨论夯土墙的“钙化”程度呢？因为夯土墙表面“钙化”后，会形成一种防水的物质，而“钙化”程度越高，其防水效果越好。若这种物质能够将整个夯土墙全部表面覆盖住，那么这个夯土墙便再也不怕雨水的浇灌了。那么造成夯土墙“钙化”的具体原因是什么呢？人为是否可以操控？这些问题的答案便给夯土墙的加固带来的极大的方便。
根据自然的“钙化”原理，我们研制出了一种“人工钙化”方法。白灰和三合土是保护墙免受雨水侵害的通常手段，它们的主要成分都是石灰（CaO），是一种以氧化钙为主要成分的一种无机胶凝材料，过去经常使用石灰石或者贝壳等碳酸钙含量比较高的物质作为原料，再经过900～1100℃煅烧形成[1]。
CaCO2 = CaO + CO2↑
石灰石一共有两种，分别为生石灰和熟石灰，生石灰主要由CaO构成，生石灰在潮湿的环境下或者遇到水就会变成熟石灰，熟石灰的主要成分是Ca（OH）2。
CaO + H2O = Ca（OH）2
熟石灰再经过一些调制便会形成石灰浆、石灰膏、三合土等胶凝剂。Ca（OH）2是一种碱性物质，当与空气中的CO2反应后，会产生CaCO3和H2O，这个反应也被称作碳化反应。
Ca（OH）2+ CO2 = CaCO3↓+ H2O
Ca（OH）2是一种固体物质，其在水中的溶解度非常的低，而Ca（OH）2的两种水合物 [ Ca（OH）2·2 H2O ] 和 [ Ca（OH）2·12 H2O ] 在水中的溶解度却非常的大。所以我们利用Ca（OH）2溶解度低的特点，我们用已经饱和的Ca（OH）2溶液喷涂在夯土墙的表面上，这样溶液中的Ca（OH）2便可以与空气中的CO2产生化学反应，形成沉淀的CaCO3，进而在夯土墙的表面上形成一层“人工钙化”防水膜。
二、钢丝网泥浆加固夯土墙体
这种方法是为了提高夯土墙的整体强度的一种加固方法，钢丝网加固能够有效解决由于夯土墙外侧受到某些因素后导致的脱落进而导致墙体受力不均匀后坍塌的情况。具体措施我们将钢丝网制作成梅花性状，以S形状穿插在墙体中，穿墙的钢丝间距大约为800mm。钢丝的四周也使用拉结筋与墙体强力连接，而且钢丝网的最外侧保护层的厚度距离必须上20mm以上，钢丝网片与夯土墙之间的空隙也要大于4mm。夯土墙的加固材料使用焊接的钢丝网，使用的钢直径通常为2.6mm，抗拉强度需要在711MPa以上，钢丝网的横纵间距都要保持在10mm左右[2]。
我们使用有限元法对以上的假设方案进行强度分析。我们选用湖北省某古城房屋作为分析的模型，此夯墙体遇到的主要问题有以下几种：（1）墙体上有一条长1.5m，宽5mm左右的裂缝；（2）墙体外部1.4m左右的部分有脱落，掏蚀度大约为10c。（3）距离地面300mm左右的地方存在墙体局部缺失[3]。
我们假定夯土墙和木质材料的材质都是均匀的，其受力变形也是线性的，而且墙体和木质横梁之间、房屋底部和地面之间都是固定的。单元类型我们选用8个节点的六面体单元，材料的参数见表1。
夯土墙的稳定性分析我们使用地震波作为破坏条件，计算参数中水平地震影响系数为0.04，特征周期为0.4秒，结构阻尼比为0.05。经过计算，夯土墙的承重结构在地震的作用下，位移大小为15.2mm，超过了规定的标准要求；横向最大应力值为0.164MPa，纵向最大应力值为0.138MPa，超过了标准的0.08MPa，所以加固前受到地震作用后，墙体很容易受到破坏，最终导致坍塌。
经过改进后的夯土墙在经过计算后，最大位移变化值为4.24mm，小于规定的标准值，能够承受地震的破坏。经过加固前后的数据对比可知，加固后的墙体横向位移变形为加固前的15.32%，纵向变形为加固前的3.24%，加固效果明显。在夯土墙所承受的应力方面，加固后的最大剪切应力为0.03MPa，小于规定的0.08MPa标准强度值。经过加固前后的数据对比可知，加固后的横向剪切应力为加固前的12.65%，纵向为加固前的32.01%，加固效果明显。
三、结语
本文分别介紹了两种传统夯土墙的加固措施，一种是以“钙化”为理论指导的“人工钙化”法，主要作用是能够使传统夯土墙免受雨水的侵蚀并尽可能的保留了其原有外貌。另一种是通过有限元分析计算出假设的加固方法的加固效果，通过对结果数据的对比，此加固方法效果非常显著，主要作用是能够有限提高传统夯土建筑的抗震能力，有效减少由于房屋坍塌而造成的人员、财产等损失。
参考文献
[1]吴任平，叶坤杰，关瑞明.南方传统生土建筑夯土墙的水稳定性及其加固保护技术[J].华中建筑，2016，34（10）：59-62.
[2]任克彬.夯土墙墙体稳定性分析及加固措施[A].中国民族建筑研究会.中国民族建筑研究会第十七届学术年会论文特辑[C].中国民族建筑研究会：，2014：3.
[3]任克彬，田冰峰，乔明灿.夯土墙墙体稳定性分析及加固措施[J].中华民居（下旬刊），2014（04）：319-320.
（作者单位：西安建筑科技大学）
关键词：夯土墙；稳定性；加固
前言
在人类的发展历史上，土的使用最早可以达到公元前6000多年前的新石器时代，也正是因为人类对土的使用，使得人类住处不需要再到处去寻找山洞或者搭建脆弱的木屋，人类注各种各样的建筑物也应运而生。即便在建筑业发达的今天，世界上依旧有大约30%的人口居住在土制的建筑中。我国使用土制建筑已经有几千年的历史了，现今我国使用土制建筑的人口大约有1亿左右。在土木行业发达的今天，人有很多人选择去居住土制建筑的原因是土制建筑能够适应不同的气候，不论是北方寒冷的地方、赤道附近炎热的地方或者冬冷夏热的地方，还是湿度大或者干旱的地方，土制建筑都可以完好的站立在那里。但是土制建筑业有其明显的缺点，例如剥落、裂纹、开裂、掏蚀凹进、坍塌、蓬松剥落。这些缺点的整治方法即传统夯土墙的维修、抗震加固等一直是工程结构人员所面临的难题。本篇文章讨论的便是如何提高传统夯土墙稳定性以及加固措施。
一、“人工快速钙化”加固保护技术
南方在传统夯土墙加固保护这一方面主要是以夯土墙的耐水性为中心，其次以“保持原貌，修旧如旧”为加固的夯土墙的基本规范。在当地进行了一段时间的实地考察后，根据考察所得到的结果数据可知夯土墙暴露在大自然的条件下，其表面会经过化学反应形成“钙化”。“钙化”这种情况在所有的夯土墙上都会多多少少存在，但是可能由于夯土的材料、种类、特性等原因，或者是与夯土墙所在地区的环境气候、建造时间、使用维护等自然原因有关，夯土墙的“钙化”程度差距很大。但是我们为什么要讨论夯土墙的“钙化”程度呢？因为夯土墙表面“钙化”后，会形成一种防水的物质，而“钙化”程度越高，其防水效果越好。若这种物质能够将整个夯土墙全部表面覆盖住，那么这个夯土墙便再也不怕雨水的浇灌了。那么造成夯土墙“钙化”的具体原因是什么呢？人为是否可以操控？这些问题的答案便给夯土墙的加固带来的极大的方便。
根据自然的“钙化”原理，我们研制出了一种“人工钙化”方法。白灰和三合土是保护墙免受雨水侵害的通常手段，它们的主要成分都是石灰（CaO），是一种以氧化钙为主要成分的一种无机胶凝材料，过去经常使用石灰石或者贝壳等碳酸钙含量比较高的物质作为原料，再经过900～1100℃煅烧形成[1]。
CaCO2 = CaO + CO2↑
石灰石一共有两种，分别为生石灰和熟石灰，生石灰主要由CaO构成，生石灰在潮湿的环境下或者遇到水就会变成熟石灰，熟石灰的主要成分是Ca（OH）2。
CaO + H2O = Ca（OH）2
熟石灰再经过一些调制便会形成石灰浆、石灰膏、三合土等胶凝剂。Ca（OH）2是一种碱性物质，当与空气中的CO2反应后，会产生CaCO3和H2O，这个反应也被称作碳化反应。
Ca（OH）2+ CO2 = CaCO3↓+ H2O
Ca（OH）2是一种固体物质，其在水中的溶解度非常的低，而Ca（OH）2的两种水合物 [ Ca（OH）2·2 H2O ] 和 [ Ca（OH）2·12 H2O ] 在水中的溶解度却非常的大。所以我们利用Ca（OH）2溶解度低的特点，我们用已经饱和的Ca（OH）2溶液喷涂在夯土墙的表面上，这样溶液中的Ca（OH）2便可以与空气中的CO2产生化学反应，形成沉淀的CaCO3，进而在夯土墙的表面上形成一层“人工钙化”防水膜。
二、钢丝网泥浆加固夯土墙体
这种方法是为了提高夯土墙的整体强度的一种加固方法，钢丝网加固能够有效解决由于夯土墙外侧受到某些因素后导致的脱落进而导致墙体受力不均匀后坍塌的情况。具体措施我们将钢丝网制作成梅花性状，以S形状穿插在墙体中，穿墙的钢丝间距大约为800mm。钢丝的四周也使用拉结筋与墙体强力连接，而且钢丝网的最外侧保护层的厚度距离必须上20mm以上，钢丝网片与夯土墙之间的空隙也要大于4mm。夯土墙的加固材料使用焊接的钢丝网，使用的钢直径通常为2.6mm，抗拉强度需要在711MPa以上，钢丝网的横纵间距都要保持在10mm左右[2]。
我们使用有限元法对以上的假设方案进行强度分析。我们选用湖北省某古城房屋作为分析的模型，此夯墙体遇到的主要问题有以下几种：（1）墙体上有一条长1.5m，宽5mm左右的裂缝；（2）墙体外部1.4m左右的部分有脱落，掏蚀度大约为10c。（3）距离地面300mm左右的地方存在墙体局部缺失[3]。
我们假定夯土墙和木质材料的材质都是均匀的，其受力变形也是线性的，而且墙体和木质横梁之间、房屋底部和地面之间都是固定的。单元类型我们选用8个节点的六面体单元，材料的参数见表1。
夯土墙的稳定性分析我们使用地震波作为破坏条件，计算参数中水平地震影响系数为0.04，特征周期为0.4秒，结构阻尼比为0.05。经过计算，夯土墙的承重结构在地震的作用下，位移大小为15.2mm，超过了规定的标准要求；横向最大应力值为0.164MPa，纵向最大应力值为0.138MPa，超过了标准的0.08MPa，所以加固前受到地震作用后，墙体很容易受到破坏，最终导致坍塌。
经过改进后的夯土墙在经过计算后，最大位移变化值为4.24mm，小于规定的标准值，能够承受地震的破坏。经过加固前后的数据对比可知，加固后的墙体横向位移变形为加固前的15.32%，纵向变形为加固前的3.24%，加固效果明显。在夯土墙所承受的应力方面，加固后的最大剪切应力为0.03MPa，小于规定的0.08MPa标准强度值。经过加固前后的数据对比可知，加固后的横向剪切应力为加固前的12.65%，纵向为加固前的32.01%，加固效果明显。
三、结语
本文分别介紹了两种传统夯土墙的加固措施，一种是以“钙化”为理论指导的“人工钙化”法，主要作用是能够使传统夯土墙免受雨水的侵蚀并尽可能的保留了其原有外貌。另一种是通过有限元分析计算出假设的加固方法的加固效果，通过对结果数据的对比，此加固方法效果非常显著，主要作用是能够有限提高传统夯土建筑的抗震能力，有效减少由于房屋坍塌而造成的人员、财产等损失。
参考文献
[1]吴任平，叶坤杰，关瑞明.南方传统生土建筑夯土墙的水稳定性及其加固保护技术[J].华中建筑，2016，34（10）：59-62.
[2]任克彬.夯土墙墙体稳定性分析及加固措施[A].中国民族建筑研究会.中国民族建筑研究会第十七届学术年会论文特辑[C].中国民族建筑研究会：，2014：3.
[3]任克彬，田冰峰，乔明灿.夯土墙墙体稳定性分析及加固措施[J].中华民居（下旬刊），2014（04）：319-320.
（作者单位：西安建筑科技大学）