古建筑城墙地基处理概述

古建筑城墙地基处理概述摘要：我国境内分布有大量的古建筑城墙，城墙不仅具有防御功能，其本身的营造形制亦存在自身独有的历史价值、艺术价值及科学价值。古建筑城墙的本体主要有夯土、石砌、外包砖内夯土等结构形式；其地基处理方法更是种类繁多，多因地制宜，就地取材，为上部城墙本体的结构安全及稳定提供了最根本的保障。对于建造在山脊之上的城墙，多采用基岩作为地基，位于平原地区的城墙地基有采用灰土地基的，也有采用木桩处理或碎石垫层的，这些地基处理的方法不仅保护城墙在漫长的历史长河中得以屹立不倒，更让现在的世人被古人的智慧所折服。本文将对地势平坦区域（平原、滨海等地区）的城墙地基的处理形式进行介绍，同时针对不同地基条件下采用何种处理方法提出自己的见解，可作为同类古建筑的修缮保护的参考。关键词：古建筑城墙；地基处理；复合地基刖言古建筑城墙在我国大部分区域分布，由于近些年国家对古建筑保护的高度重视，古建筑城墙类建筑的修缮保护工作也越来越受到重视。古建筑城墙本体结构多采用夯土、石砌、外包砖内夯土等结构形式。基本上采用因地制宜的方式，比如河北省内的长城多在山脊上修建，采用石砌较多。平原地区则采用夯土加包砖形式较多。西北地区的城墙基本上主要采用夯土结构。这些结构方式充分体现了我国先人们的智慧，因此古建筑本身的历史价值、科学价值和艺术价值不言而喻。我们对于古建筑城墙的本体结构多不陌生，但是对于此类建筑的地基［1］，很少有人进行系统的研究。这一方面是因为古建筑地基在漫长的时间作用下，已经经过压密作用得到了提高，城墙地基承载能力已经不是影响城墙本体结构安全的主要因素；另一方面则是文物保护相关方对地基不够重视，因此即使在古建筑结构本体得到了修缮保护后，地基往往存在着安全隐患。对于古建筑城墙地基应得到足够的重视，以为将来城墙类建筑本体的修缮保护工作提供最基本的保障。1古建筑城墙地基处理形式古建筑城墙地基存在多种形式，其中建造在山脊上的城墙地基主要采用基岩作为地基，此类地基的承载力以及抗变形能力相对较强，其余就是建造在地势相对平坦的地区，如平原地区、山前冲积扇、近海滩涂等等。此类城墙下的天然地基复杂多变，承载力及变形特性均存在较大差异，并且由于城墙一般均较其他建筑分布范围较大，往往城墙的地基在各段区域就会存在很大的差异；因此，为消除地基的不均匀性，同时也为了提高地基承载力，先人们对城墙地基采用了不同的处理方式，保证了城墙本体的安全。经过多个古建筑城墙保护的调查和现场实际开挖揭露，古建筑城墙地基的处理方式［2］存在以下几种形式：1.1灰土地基灰土地基（图1）在中国古建筑的地基中是最常见的一种，我国的古建筑中灰土的采用可以贯穿整个古建筑史。可见灰土的利用，对于中国古建筑的重要作用。灰土地基更是古建筑地基处理中的首选，长城的地基也是如此。在城墙下面夯实几十公分厚的灰土地基是一种普遍的地基处理方式。当然，对于地基本身承载力较好的区域，一般不采用灰土地基，灰土地基本身具有防水、隔潮等作用，因此在部分水位较高的地方也有采用，灰土地基的设置，既可以起到防水等作用，又可以增加地基承载力，可谓一举两得。1.2木桩复合地基木桩（图2）的使用主要在地基土本身较软、承载力和抗变形能力均较差的区段。木桩的主要材质多为松木、柏木，也有就地取材的其他木材。直径一般在几公分到十几公分不等，桩长一般在几十公分至一、两米不等。在山海关东城墙下开挖的木桩已经完全腐朽（图3），可以清晰地辨认出木桩轮廓以及桩周围发黑的淤泥质土。木桩的使用可以看见现在复合地基的雏形。1.3换填垫层垫层在古建筑的地基中同样被大量使用，垫层的材料多种多样，有土石、砂石垫层、砖瓦土分层（图4）等等，其中采用土石垫层的较多，并且无论采用何种垫层均夯实而成，垫层的密实性均较高。垫层的厚度有采用几十公分，也有一、两米厚的，主要是根据地层特点和地形综合确定的。1.4夯实地基这里所说的夯实地基主要是指地基未采用换填或垫层处理，而是直接在墙基范围内采用夯实处理的处理方式。通过现场发现，大部分采用天然地基的城墙地基均夯实处理过，即在进行城墙砌筑之前，先对地基进行夯实处理。通过上述不同地基处理方法的介绍，不难发现古人对于地基处理的方法的选择有其本身独到之处，并且地基处理的设计理念与现在地基处理理念相近，或者可以说，我们现在的地基处理方法就是传统方法的一种传承和发展。2古建筑城墙地基作用机理通过现场调查和相关资料收集，古建筑城墙地基处理的方法选择有其自身特点。夯实地基主要是采用天然地基的区域，一般均采用夯实处理形式。现对各种地基处理作用机理进行阐述如下：2.1灰土地基灰土地基作用机理较为直接，灰土地基主要是将上部荷载扩散，从而使下部持力层所受荷载值变小，同时减少地基的变形。灰土地基最大的优点是随着时间的推移，灰土的强度有一定增长。并且灰土自身的防水能力很强，可以保证灰土下地基土免受浸泡，对于地下水位较高的区域，灰土地基又可以阻止灰土地基下的地下水向上侵入，对城墙上部结构起到一定的保护作用。2.2木桩复合地基采用木桩处理的地基，多在木桩顶部设置砂石垫层，这与现在的复合地基褥垫层一样。显然，由木桩、桩周土、垫层共同组成的地基形式就是现在大量使用的复合地基。木桩和桩周土相互作用，再通过上部褥垫层的变形调节作用，有效抵抗上部荷载，达到地基处理的目的。当然，木桩类似现在的预制桩，在计算时应考虑挤密作用。这种竖向增强体的使用，让荷载向下部承载能力较好的土层传递，相对于大量换填地基软土的处理方法较为经济。2.3换填垫层换填垫层的使用，一则因为地势较低，预抬起基础必须进行地基的垫高处理；另一种是表层土质较差并且厚度较薄，清理软土后进行换填垫层处理。无论是哪种垫层，其作用机理与灰土地基相似，都是通过垫层的应力扩散，减小垫层下地基持力层的受力，减小地基变形。2.4夯实地基夯实地基的处理深度一般较小，主要是因为古时夯土设备的夯击能较小所致，夯实地基一般作为一种保障措施使用。主要起到一定的保护作用，其作用机理主要是通过夯击使地基土空隙减小，地基土得到压密，从而承载力得到提高，这完全符合太沙基固结理论。通过上面的论述，古建筑城墙的地基处理采用的传统做法与现在的地基处理方式相同，其作用机理与现在采用的地基处理方法相同。因此，现在的地基处理方法和地基处理理念均是传统方法的传承和发展。3古建筑城墙地基修缮保护理念虽然古建筑城墙地基多进行了地基处理，但是由于古建筑历经上百年或几百年，早已经超过了建筑物的正常使用期限。由于部分城墙倒塌破坏，让本体下的地基长期暴露于外，历经了自然、人为破坏。如果对这类城墙进行恢复，则一些处理过的地基已经不能满足使用需求，因此需对此类地基进行再处理，但采用哪种处理方法进行地基处理是摆在古建筑修缮保护工作者面前的一个不可回避的问题。现阶段，人们对于古建筑的本体保护理念已经相当重视，并且取得了不小的成绩，本体的各种保护方法也更加明确、更加规范。但是，对于古建筑本体下的地基保护处理方法认识不够，要么不去处理，要么处理方法过于单一，异或采用的处理方法不得当，总之，并未达到理想的、最佳的处理效果。笔者认为，在对古建筑城墙的本体进行修缮保护的过程中，应明确原有地基采用的地基处理形式，判断其适用性，如果采用的方法得当，建议仍应采用原有方法，若原有地基处理过程中采用的材料不再适宜，可以采用新型材料替代。对于未采用或采用的方法未达到预期效果的古建筑地基，应根据上部本体结构特点以及地基土的实际情况来确定地基处理方法。当然，无论采用何种地基处理方式，均应采用相应的现场载荷试验进行验证，以保证设计方法的科学性及适用性。4地基处理理念我们都知道，现代的地基处理方法从国外被大量引进，甚至，我们已经忘记了我们的先人曾经使用过的各种地基处理方法。我们在慨叹恢宏的古建筑群体，慨叹蜿蜒万里的万里长城时，并没有去仔细想想深埋在古建筑物之下的地基中注入的先人智慧。我们所迷恋的国外先进的地基处理理念，其实深深的根植在我们高大雄伟的古建筑之下，只是我们没有去关注它，亦或是因为我们熟知的中国近代史是那么的落后，那么的屈辱，而放弃了发展的最好时期。正是这时，国外的地基处理理念和方法得到了空前的发展。通过上述的研究，我们可以看到，现代的地基处理方法在古建筑中已经被大量使用，现代的地基处理方法是传统方法的进一步传承，古建筑地基的处理方法和现代的地基处理的理念相通。结论：本文通过对古建筑城墙地基处理形式的论述，并与现在采用的地基处理方法进行了比较，得出了以下几点结论：（1）古建筑城墙地基处理往往容易被忽视，地基处理理念没有得到充分认识；（2）古建筑城墙地基处理形式根据天然地基性质，采用不同的地基处理方法，设计方法因地制宜，设计思路应明确；（3）古建筑城墙采用的地基处理方法与现在采用的地基处理方法的作用机理相同、相通，现在采用的地基处理方法是传统方法的进一步发展的结果；（4）古建筑城墙进行修缮保护工作，地基处理的方法不应千篇一律，采用同一种处