[发明专利]一种含纵向裂隙夯土城墙遗址楠竹锚杆抗震加固设计方法

说明书

本发明公开了一种含纵向裂隙夯土城墙遗址楠竹锚杆抗震加固设计方法，该方法基于锚固力需求平衡理念,一方面通过现场拉拔试验和有限元分析确定不同锚固参数组合下锚杆的极限抗拔力与锚固界面力学模型,并据此计算临界锚固长度；另一方面分别求解地震作用下锚固系统计算单元内单锚杆所需承担的最大轴向拉拔荷载以及使遗址保持稳定所需的总锚固力需求；最后通过对比锚固系统所能提供的实际总锚固力与遗址总锚固力需求的关系确定锚杆布置间距、数量与方式等设计参数。采用本发明基于锚固力需求平衡的夯土城墙遗址楠竹锚杆抗震加固设计方法能够在满足遗址锚固力需求的同时最大限度地降低加固对遗址的二次伤害，实现遗址锚固的科学化和精细化。

技术领域

本发明属于土遗址锚杆加固技术领域，特别涉及一种含纵向裂隙的夯土城墙遗址楠竹锚杆抗震加固设计方法。

背景技术

现存夯土城墙遗址兼具建筑与文物双重属性，在千百年风雨侵蚀及卸荷作用下通常存在沿纵向夯筑界面的宽大裂隙，此类裂隙将遗址分隔为多个高耸块体。在地震等水平外力作用下，裂隙逐渐扩展贯通，体量较小的块体易朝遗址临空面方向发生滑移、倾覆、坠落等破坏。针对此类问题，文物保护工作者通常依据“修旧如旧”、“最小干预”等原则，采用“全长粘结式锚固”这种隐蔽的加固方法处理此类问题。该方法利用楠竹锚杆将裂隙两侧的危险土体与稳定土体拉结，即从遗址危险土体临空面开始以一定倾角向遗址内部钻孔，穿越裂隙至稳定土体内一定深度，然后对中植入锚杆，并在锚孔内注入锚固剂将锚杆与土体粘接，最后将遗址外表面做旧封护处理。利用上述全长粘结式锚固系统能够将外部地震荷载通过锚固界面的摩阻作用较均匀地耗散于土体中，达到增强城墙遗址地震稳定性的目的。

目前针对夯土城墙遗址的锚固设计理论和计算方法尚未形成完整的体系,且无相关规范或标准可供参考,锚固方案的制定多采用经验类比法或参考传统土质边坡的锚固设计理论。

经验类比法主要依据完备可靠的基础工程资料和设计人员的工程经验,同时参考类似工程的锚固设计方案来调整并确定本工程设计方案。此方法简便快捷,但对设计人员的经验依赖性高,且缺乏理论支撑,盲目性较大。

传统岩土边坡锚固设计方法多以潜在滑裂面的预判为前提，基于极限平衡理论来分析边坡的整体稳定性并确定总锚固力需求,而后据此进行锚固方案设计。该方法中潜在滑移面位置和形态的准确预判是影响设计结果合理性的关键。

然而，由于夯土城墙遗址的残损形态各异，且不同遗址所处的地理位置与环境差异较大，因此难以找到两个相似的遗址进行类比设计；此外，不同设计人员的专业知识与经验积累也有较大差异，难以保证设计方案的科学、合理。

传统岩土边坡的锚固与夯土城墙遗址的锚固也存在很大差异,主要表现在:(1)夯土城墙遗址为人工夯土砌筑而非自然沉积,通常存在夯筑界面或结构薄弱界面,因此在地震作用下其破坏模式多沿界面开裂贯通，最终倾覆坍塌，而土质边坡的滑裂面通常自坡顶至坡脚贯通，其形态与悬链曲线更为相似；(2)城墙遗址文物需通过修缮永久传承，其设计使用年限远大于现代建筑，传统边坡锚固用的钢筋锚杆由于耐久性较差并不适用于遗址文物锚固，而通常采用楠竹等传统材料制成的锚杆进行遗址加固，且为保护遗址安全，与之搭配的锚固剂强度也低于水泥砂浆，因此遗址锚固中楠竹-浆体界面与边坡锚固中钢筋-水泥砂浆界面的力学行为有很大差异；(3)鉴于城墙遗址的文物属性,对其加固后既要从本质上解决遗址的稳定问题，同时避免加固对遗址造成二次伤害，又不能大幅改变遗址本来的外貌，因此，传统土质边坡锚固中常用的混凝土挡板配合预应力锚杆的锚固方案被限制使用。

综上可知，目前采用的经验类比法或参考传统岩土边坡锚固方法得到的夯土城墙遗址锚固设计方案可能导致:(1)锚固力不足而无法有效保证城墙遗址在地震作用下的安全稳定；(2)过度加固造成遗址文物不必要的二次伤害,违反文物保护“最小干预原则”；(3)过多采用外部支撑导致遗址本来外貌大幅改变，影响文物展出效果。因此，采用上述两种设计方法均难以得到科学、合理的夯土城墙遗址锚固设计方案。

分析传统土质边坡锚固与城墙遗址锚固的差异可知,城墙遗址的锚杆加固设计存在如下问题亟待解决：