第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
中国古代城墙，自先秦时期建造，经过历朝历代的应用与改进，成为了古代军事防御和城市结构的重要组成部分。城墙划定城市的范围边界，城墙的尺寸规制划分了等级，划分的根本依据是：一方面是军事防御的作用和所处区域的军事等级；另一方面是非军事区域更多体现在城市所代表的礼制等级。因此城市自身存在着历史价值、社会价值和文化价值。由于城墙修筑年代久远，随着自然条件变化和人类活动等各种因素的影响，城墙会发生了变形和损坏，甚至坍塌的现象。在各种不同因素的长时间影响下，经过几百甚至上千年之后，许多重要建筑的城墙都出现了一些问题。比如明清故宫午门城楼的侧墙局部存在裂缝；南京明城墙墙面存在开裂现象，墙体砌体出现松动、破坏现象，如中山门城墙段出现突发性破坏现象；平遥古城墙在多时间节点出现不同的破坏现象，如正南门约长 15 米的城墙突然坍塌、西城墙内侧裸露的夯土层发生大面积脱落以及城墙内侧的裸露夯土层发生坍塌。从国内城墙破坏可知，有必要对城墙进行预防性保护，并采取合理的监控措施，可以极大减缓城墙破坏，能够对城墙起到有效的保护作用。
1.1 研究背景及意义
中国古代城墙，自先秦时期建造，经过历朝历代的应用与改进，成为了古代军事防御和城市结构的重要组成部分。城墙划定城市的范围边界，城墙的尺寸规制划分了等级，划分的根本依据是：一方面是军事防御的作用和所处区域的军事等级；另一方面是非军事区域更多体现在城市所代表的礼制等级。因此城市自身存在着历史价值、社会价值和文化价值。由于城墙修筑年代久远，随着自然条件变化和人类活动等各种因素的影响，城墙会发生了变形和损坏，甚至坍塌的现象。在各种不同因素的长时间影响下，经过几百甚至上千年之后，许多重要建筑的城墙都出现了一些问题。比如明清故宫午门城楼的侧墙局部存在裂缝；南京明城墙墙面存在开裂现象，墙体砌体出现松动、破坏现象，如中山门城墙段出现突发性破坏现象；平遥古城墙在多时间节点出现不同的破坏现象，如正南门约长 15 米的城墙突然坍塌、西城墙内侧裸露的夯土层发生大面积脱落以及城墙内侧的裸露夯土层发生坍塌。从国内城墙破坏可知，有必要对城墙进行预防性保护，并采取合理的监控措施，可以极大减缓城墙破坏，能够对城墙起到有效的保护作用。
大部分城墙在破坏前，并没有获得足够的前兆信息。在保证对城墙日常监测情况下，对城墙潜在的破坏现象进行预测分析，判断破坏规律及危险部位，对城墙危险部位进行预防保护和日常养护，能最大限度地保证城墙的文化遗产价值。因此，对城墙破坏规律开展研究，并针对破坏规律准确、高效地提出预防性保护措施具有重要意义。因为城墙分布于全国各地，建造方式、墙体组成构件和城墙所受自然环境均不相同，所以城墙的研究存在差异性，国内外学者将每段城墙作为独立的研究对象。
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1.2 研究现状
1.2.1 城墙保护相关研究
中国传统建筑是中国文化千百年发展过程中汇聚而成的重要载体，形成了独一无二的结构形式，如传统的大屋顶结构、榫卯节点以及斗拱铺作等传统建筑形式和构件。因为木材作为生物材质，其力学性质差异较大，同时传统建筑的建筑结构复杂，所以对传统建筑的数值模拟具有困难，传统建筑的保护需要进行多学科合作。国内学者针对传统建筑的力学特性和数值模拟进行了详细的研究。
对于城墙这类文化遗产，由于体量大，并且城墙的组成材料属性数据无法通过试验直接获取，在对其计算时只能参考所在区域的属性数据，这给数值模拟造成了很大的困难。同时，因为自身结构的复杂性，在缺乏成熟的有限元计算资源的情况下，对城墙这类型文物进行力学分析是非常困难的。
建筑学、考古学对于城墙的形制进行了详细地研究，从历史遗迹以及史书进行了考究，贾亭立[1]在城市发展的背景下进行研究，分析城墙作为城市体系的起源、发展，并逐步具有稳定成熟的结构体系。总结了城市城墙总体的形制演变过程，并针对城墙各个组成部分的发展演变进行了总结，如瓮城、敌楼、敌台、马面和护城河等组成部分。
目前对于边坡入渗与城墙整体稳定性的研究是分离开的，对于城墙入渗过程进行描述,吴超英[2]对城墙包砖墙墙面在降雨条件下进行了模拟分析，并未对内部入渗过程的进行分析。在居庸关瓮城城墙破坏状态中，墙面鼓胀占一小部分，而问题集中在内芯土部分。因雨水入渗造成内芯土部分土体流失、整体失稳。上述现象造成城墙墙面出现贯通裂缝，并且影响基础部分，造成不均匀沉降，瓮城墙体整体倾斜。所以在分析内部入渗过程能够更为清晰地展示破坏部分，并且为维修方案提供理论依据。
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第 2 章 城墙入渗数值模拟研究
1.2 研究现状
1.2.1 城墙保护相关研究
中国传统建筑是中国文化千百年发展过程中汇聚而成的重要载体，形成了独一无二的结构形式，如传统的大屋顶结构、榫卯节点以及斗拱铺作等传统建筑形式和构件。因为木材作为生物材质，其力学性质差异较大，同时传统建筑的建筑结构复杂，所以对传统建筑的数值模拟具有困难，传统建筑的保护需要进行多学科合作。国内学者针对传统建筑的力学特性和数值模拟进行了详细的研究。
对于城墙这类文化遗产，由于体量大，并且城墙的组成材料属性数据无法通过试验直接获取，在对其计算时只能参考所在区域的属性数据，这给数值模拟造成了很大的困难。同时，因为自身结构的复杂性，在缺乏成熟的有限元计算资源的情况下，对城墙这类型文物进行力学分析是非常困难的。
建筑学、考古学对于城墙的形制进行了详细地研究，从历史遗迹以及史书进行了考究，贾亭立[1]在城市发展的背景下进行研究，分析城墙作为城市体系的起源、发展，并逐步具有稳定成熟的结构体系。总结了城市城墙总体的形制演变过程，并针对城墙各个组成部分的发展演变进行了总结，如瓮城、敌楼、敌台、马面和护城河等组成部分。
目前对于边坡入渗与城墙整体稳定性的研究是分离开的，对于城墙入渗过程进行描述,吴超英[2]对城墙包砖墙墙面在降雨条件下进行了模拟分析，并未对内部入渗过程的进行分析。在居庸关瓮城城墙破坏状态中，墙面鼓胀占一小部分，而问题集中在内芯土部分。因雨水入渗造成内芯土部分土体流失、整体失稳。上述现象造成城墙墙面出现贯通裂缝，并且影响基础部分，造成不均匀沉降，瓮城墙体整体倾斜。所以在分析内部入渗过程能够更为清晰地展示破坏部分，并且为维修方案提供理论依据。
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第 2 章 城墙入渗数值模拟研究
FLAC3 D作为针对岩石、土体的数值分析软件，近年来广泛运用于工程实例分析中，在文物保护方面，通过 FLAC3D 分析隧道、道桥等工程项目对文物造成的振动影响。
FLAC3 D采用有限差分法对大变形以及不连续变形等问题进行研究分析。FLAC3 D的非饱和渗流模块中，存在一定局限性。FLAC3D 无法做到考虑基质吸力(负孔隙压力)状况下，考虑土体饱和度的变化，即饱和度会强制设定为 1。因此非饱和区土体被强制 设 定为饱和土体， 不符合 非饱和渗流理论。 因此采用FISH 函数对 FLAC3D 进行二次开发，使得模拟情况更符合现实情况。
2.1.1 程序计算原理
FLAC3 D软件计算步骤为构建三维几何模型，基于几何模型，将模型 划分分割为有限个数的三位单元体，存在四面体、六面体或者楔状网格等不同单元体形式。各单元间连接方式为节点方式，单元体所受的应力应变集中于节点。由节点的运动方程可以得到单元的运动方程。施加荷载和位移在稳定状态下的计算模型，产生相应的应力应变现象。 计算过程中，由受力或产生位移的作用点或作用区域不断向旁边的单元体传播，当所有节点产生应力应变的影响，数值模拟的单个循环计算结束。通过节点的位移可以等效计算出单元体应变，结合单元体自身力学特性得到单元体的应力状态。根据虚功原理计算出各节点的不平衡力，当不平衡力小于等于 FLAC3D 中不平衡力默认比率 10-5 时，程序完成整个模拟过程。
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2.2 城墙降雨入渗有限元分析
经过现场调研、勘察后，发现在降雨条件下，暴雨侵蚀对城墙造成的变形破坏最为明显。在降雨量较低时，城墙本身的排水沟渠等排水系统能满足排水条件，整体稳定性并未有较大下降。因此，在此研究在降雨工况下的城墙，城墙坡面以及内部内芯土部分存在鼓胀并产生不均匀变形，以及验证 FLAC3D 对于城墙破坏的数值模拟可行性。
2.2.1非饱和渗透模块二次开发
非饱和渗流理论中，非饱和土体的渗透系数随着含水量变化而变化，渗透系数随着含水量的增大，渗透系数增大，并在饱和状态下土体渗透系数达到最大并保持不变。
根据式(2-30)，考虑结合孔隙率、导水系数、孔隙压力和渗透系数的关系，以临界时刻 ts对渗流模块进行分段区分。使用 FISH 语言在 FLAC3D 渗流模块使用修正后的 Green-Ampt 模型，从而表述在降雨过程中，城墙内芯土的非饱和渗流模拟。
(1) 渗流模块计算
通过 FLAC3D 可以得到内芯土的负孔隙压力，然后根据负孔隙压力变化计算出内芯土饱和度变化，根据内芯土饱和度与含水率关系，计算得到土体含水率。根据非饱和理论中公式 2-32，通过负孔隙压力、含水率以及土体力学参数等，得到各个单元体的抗剪强度随降雨时间的变化过程，从而得到城墙稳定性以及城墙位移等数值模拟情况。其流程图如图 2-3。
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第 3 章 试验工作研究 ............................ 28
3.1 材料性质试验 ................................ 28
3.1.1 土粒比重试验 .......................... 28
3.1.2 颗粒分析试验 ........................... 29
第 4 章 再生骨料改性土的抗渗性研究 ....................... 40
4.1 试样制备 ................................... 40
4.2 单因素试验结果分析 ................................ 40
第 5 章 再生骨料改性土的强度特性研究 ........................................ 49
5.1 试验制备 ................................ 49
5.1 试验结果 .................................. 49
第 5 章 再生骨料改性土的强度特性研究
5.1 试验制备
由于颗粒物的嵌入、连锁和脱离咬合状态而移动所产生的咬合摩擦。由于土颗粒间不可能都是平面接触，土体的摩擦不会是简单的颗粒间沿表面的滑动摩擦。由于颗粒排列并未整齐光滑，颗粒排列呈现交错状态。受到剪切作用力，该区域颗粒与颗粒之间产生错位、脱离，进一步导致土体体积改变，甚至引起土体颗粒结构产生破坏。
由图 5-1 可知，内摩擦角随骨料掺入量的增大近似非线性减小，骨料粒径较小，比表面积大，骨料活性较大，吸附于颗粒表面，在颗粒之间起到润滑作用，降低颗粒表面的粗糙程度，降低了颗粒之间的嵌固效应，颗粒间的相互嵌入减小，咬合力减小。因此随着骨料掺入量的增加，改性土土体的内摩擦角减小。
由图 5-2 可知，黏聚力随着骨料掺入量的提高近似线性增大，粘聚力微观核心为氢键，因为骨料粒径较小，比表面积较大，意味着土粒之间的接触面积增加，颗粒之间距离变小，土体中氢键增强。骨料活性较大，使得骨料、土颗粒与水发生水化反应，使得颗粒间胶结力增加，因此颗粒之间的粘聚力增大。因此随着骨料掺入量的增加，改性土土体的粘聚力增加。
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由图 5-1 可知，内摩擦角随骨料掺入量的增大近似非线性减小，骨料粒径较小，比表面积大，骨料活性较大，吸附于颗粒表面，在颗粒之间起到润滑作用，降低颗粒表面的粗糙程度，降低了颗粒之间的嵌固效应，颗粒间的相互嵌入减小，咬合力减小。因此随着骨料掺入量的增加，改性土土体的内摩擦角减小。
由图 5-2 可知，黏聚力随着骨料掺入量的提高近似线性增大，粘聚力微观核心为氢键，因为骨料粒径较小，比表面积较大，意味着土粒之间的接触面积增加，颗粒之间距离变小，土体中氢键增强。骨料活性较大，使得骨料、土颗粒与水发生水化反应，使得颗粒间胶结力增加，因此颗粒之间的粘聚力增大。因此随着骨料掺入量的增加，改性土土体的粘聚力增加。
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城墙破坏情况较多，城墙墙面以及城墙拐角出容易出现砖面脱落、鼓胀以及开裂等多种破坏情况。针对降雨条件下城墙的破坏规律，需要进一步研究。本文首先利用二次开 发的 FLAC3D 对降雨条件下的城墙入渗破坏规律进行研究。使用再生骨料对原状土进行改性，并通过常水头渗透试验和剪切试验对改性土进行抗渗性与强度特性的研究，得到改性土的最佳配比。研究成果总结如下。 （1）基于 Green-Ampt 模型分层假定，引入 Lambe 模型考虑随着土体深度变化引起渗透系数的变化，得到湿润锋推进速率的表达式，通过数值模拟和试验数据验证，修正后的模型较 Green-Ampt 模型的误差更小，更接近试验数据。
（2）在不同降雨强度条件下，入渗深度变化较小，最大孔隙压力随着降雨强度的增大而增大，拐角处孔隙压力变化最大，拐角处容易出现破坏现象。不同降雨强度条件下，随着降雨强度的增加，土体位移增加，最大位移处于坡顶拐角，并且随着降雨强度的增加，整体位移由坡顶沿着坡面向下发展。城墙降雨入渗导致城墙破坏现象主要集中在于坡面转角处。
（3）原状土掺入再生骨料进行改性，一定程度上增强了原状土的抗渗性。再生骨料改性土的渗透系数与时间存在变化关系，随着时间的增长，改性土的渗透系数逐步减小，后趋于稳定。
参考文献（略）