砖箍拱券技术在生土窑洞加固中的应用*
童丽萍，张敏
（郑州大学土木工程学院，河南郑州450001）
[摘要]生土窑润是黄土高原居民营造技艺与智慧的结晶，是我国宝贵建筑遗产的重要组成部分.然而，窑洞土体的开裂、局部坍塌、潮湿及采光差等问题却制约着其使用与发展，使得生土窑洞正逐渐走向衰落.为提高其结构安 全性能，保护与传承此类珍贵建筑文化，探讨砖箍拱券技术在生土窑洞加固中的应用.以实地调研资料为依据，结合修工程实例，首先计算拱券的内力；其次，依据内力计算结果进行材料选择与截面设计；最后，介绍砖拱券技术的施工工艺、技术要点及优缺点
[关键词]生土窑洞；砖拱券；加固；内力计算；施工技术
[中图分类号]TU746.3 [文献标识码]A[文章编号]1002-8498（2016）16-0082-04
Application ofBrick-archTechnology onReinforcement ofEarth-shelteredDwelling
(School ef CisiI Engineering Zhengzhou Unisersity Zhengahou He* nan 450001 China )
Tong Liping Zhang Min
Abstract : Earth-sheltered dwelling is the crystallization of construction technology and wisdom of residents in Loess Plateau and important segment of the precious architectural heritage of our country. However cracking partial collapse damp and poor lighting problems of soil cave are restricting its use anddevelopment and making earth-sheltered dwelling gradually fade. To improve the safety performance ofthe structure and protect and inherit this precious cultural heritage it discussed the application of brick- arch technology on reinforcement of earth-sheltered dwelling. Based on field survey data bined withthe repair engineering examples the paper calculated the intemal force of brick-arch by the method ofstructural mechanics at first; besides it selected the material patem and designed the cross sectionaccording to the calculated results of the internal force ; finally it introduced the construction technologyof brick-arch technology key technical points and is merits and demerits.
Key words ;earth-sheltered dwelling; brick-arch; reinforcement; intermal force caleulation ; construction
一种重要形式.生土窑洞与自然和谐共生，或依山 自然、改造自然“的结果，是我国生土类传统民居的靠崖、或妙居深整、或深潜土塬，顺应地势、节约耕易造成土拱开裂，形成横向裂缝、纵向裂缝、竖向裂强，使用寿命长：它充分利用土体的保温隔热功能，面，在风化、水蚀的作用下使窑面土体局部掉 廉：它深藏土层之中，防风防火效果好，结构抗震性能独立调节洞室内部小气候，是天然的节能建筑.因此，生土窑洞是“低成本、低能耗、低污染”
生土窑洞是黄土高原居民为了满足生活需要，的生态住宅的典范，具有很高的历史文化价值、科
的弯矩及剪力、干湿效应和温度循环应力作用下容 然而，由于土体抗剪、抗拉强度低，在覆土产生土节理裂缝在加载与卸荷时会不断发育，形成薄弱落；反复的冻融循环引起的变形不协调造成窑洞表面冻融侵蚀破坏，造成窑壁在气温回升时融塌.裂缝及局部塌都影响着结构的安全性能，危 及窑洞使用者的生命财产安全，故对窑润加固措施及施工技术的研究意义重大.
针对以上窑洞在使用过程中出现的问题，有学
柳树枝成拱埋入土拱加固技术，这些技术施工上 者提出短锚杆柔性支护技术黄土加筋技术比较麻烦，普及推广性差，且效果一般.童丽萍教授课题组提出了工字撑、钢筋混凝土拱架及拱券错位加固技术，然而这些技术只是从局部对土体进行加固，且预防作用较弱.而砖箍拱券技术可以在窑洞土拱下方形成一层砌体加固层，从整体角度 来进行加固，既可以解决已经发生的问题，又可以防患于未然，事半而功倍.
图2计算简图Fig. 2 Caleulation diagram
y取16.1kN/m²，h，为5100mm，半径取砖拱一半处厚度1595mm，分布力q为yh（h为覆土厚度）.
在河南省蒙阳地区因土质较好而形成具有当地特色的前院后窑式传统民居，因年代久远而出现 前述结构安全性问题，目前正在进行抢救性修.本文基于对该地区特色传统民居窑洞部分的调研资料，以方顶村古民居修工程为例，计算了砖拱的内力，并结合砌体结构相关设计规范阐述砖拱加固方案中截面高度的设计方法，介绍“插空法”砌筑 砖拱时施工工具的制作、施工顺序及施工时应注意的事项，并探讨该加固方案的可操作性、经济性及局限性等特点.
根据力法方程：x=0，求得
据此，计算得：
(1)
1方案确定
1.1内力计算
在方顶村众多的靠崖窑中，清末翰林赵东阶故居中的一孔窑洞在结构尺寸上最具代表性：且其在修前已有简易的木柱支撑阻止土体的局部塌落，1所示. 需进行加固保护，其垂直于进深方向的剖面如图
(2)
(3)
力图及轴力图，如图3所示. 依据上述公式，绘制[0，r]范围内的弯矩图、剪
Fig. 1 Profile of the reinforcement objeet
图1加固窑润剖面
1）出于偏安全的考虑，拱脚不再抗弯，把支座约束 在确定计算简图（见图2）时有如下基本假设：方式假设为铰接：②从计算简便性及对结果的影响程度考虑，拱轴线以上的砖重假设为土体重，忽略拱轴线以下的砖重：③确定拱轴线时不再考虑支座处截面加强对拱轴线的影响：④在计算力法方程的 系数与自由项时，忽略剪力对变形的影响.
图3根据公式计算的内力Fig. 3 Intenal force calculated by formula
初始设计截面高度取190mm（立砖120mm灰缝10mm平砖60mm），计算宽度取1000mm；重度
1.2加固方案
从图3可以看出弯矩最大值<15kNm，剪力最 大值发生在支座处，为42.21kN，轴力最大值在支座附近，<110kN.截面复核时，正应力最大值要满足 弯矩与轴力共同作用下的要求，而剪应力最大值要满足规范中关于受弯构件剪应力的要求. =3.07MPa（4) 故选用MU20烧结普通砖，M15水泥砂浆，其抗压强度设计值为3.22MPa. Fig. 4 Skew back 图4拱脚 = 0. 33MPa ≥ 0. 17MPa (5) 支座处最大剪应力已经超过砌体的抗剪设计强度，故其截面高度需要增大：而剪力图显示在支座附近剪力较大，而其他区域剪力最大值约为支座处剪力的一半，故前述截面尺寸及材料选择是合理的，不必沿全长增大截面高度，仅需要在支座附近 予以加强.若支座截面高度增大为390mm（立砖120mm灰缝10mm平砖60mm灰缝10mm立砖120mm灰缝10mm平砖60mm），则此时r=0.16MPa<0.17MPa，满足强度要求. 图5后墙Fig.5 Back wall 4）制作拼胎 近（约100mm范国内）截面高度增大到390mm；材 故最终确定截面高度为190mm，在支座及其附料选用MU20烧结普通砖，M15水泥砂浆. 拱胎要求其制作及拆卸方使，使于材料循环利用；并要具有一定的强度，足以支撑其上部的砖砌体.可用厚20~30mm、宽100-150mm的松木，长 度依据拱胎直径而定.本例中首先选用一个长2990mm、宽120mm厚20mm的樟子松木板作为木板1，选用长1300mm，宽150mm、厚20mm的章子松木板作为木板2-5，并利用木板6-12通过钉子初步固定成型，如图6所示.在木板1中间底部钉长 为1450mm的细木杆13，在另一端通过人工固定一支粉笔，转动木杆13在木条2-5上留下一条标准地锯下来，形成木拱胎，如图7所示. 2施工过程及施工工艺 1）整平 首先利用铁向下开挖100-150mm，然后掺入石灰后分层夯实，最后用水平仪检测室内地面的平整性.其目的在于使拱脚每匹砖的灰缝在同一个高度，这对于后续在灰缝处塞入钉子与木板来支撑木拱胎并保证其下部水平更具方使性. 2）砌筑下部拱脚 拱脚的砌筑要注意竖缝的错缝、墙体的平直性及两侧的齐整性.在底部开始砌筑时要离开窑腿约200mm，一则因为窑腿平面不是竖直，防正砖拱拱脚在尚未砌筑至指定高度时接触到土拱；二则为 了保证上部拱形结构与土拱之间留有一定的孔隙，使于局部截面高度需要增大的实现.另外，在砌筑过程中要一边砌筑，一边用相同土质回填砖拱与窑以有效传递上部压力（见图4）. 腿之间的空隙，并稍加石灰分层夯实，以保证其可 Fig. 6 Initial shape of the wood arch 图6木拱胎初始形状 3）砌筑后墙 有一点需要注意，因为拱脚之间的净距不是绝对均匀的，而木板1的长度却是固定的，所以木板1的长度要比砖拱券的内径稍微短10mm左右以保证木拱券在下部支撑板上可以顺利移动. 后墙作为第1，2圈拱券的支撑，其难点在于上部的半圆形墙体的施工.解决方法为：通过在后墙中间适当高度钉2个刚度合适的未条，砌筑过程中 使后墙上部各边缘点与木条外端重合来保证半圆形后墙的精确性：在半圆形墙的边缘部位，往往要利用砌砖或水泥砂浆来保证其平清度（见图5）. 5）制作拱胎的下部支撑并安放拱券 在拱脚顶部的1-2匹砖位置的灰缝处每隔1m钉入长120-150mm的铁钉，然后在其上放置宽约 6）砌筑拱券 7）外端面处理 图7木拱胎最终形状Fig. 7 Final shape of the wood arch 100mm、厚约30mm，长20003000mm的樟子松木板.长钉的高度根据木板1的宽度而定，如果木拱 胎放上后木条1顶面超出拱脚顶面，则应将长钉的位置向下调1匹砖，此时如果又低于拱脚顶面，则可以在木拱胎下部塞入楼形木块来调整其高度使木拱券弧形顶面可以紧密贴合砖拱券内表面. 拱券彻筑的主要思想是利用插空法使每一个砖块（除第1圈外）在放置时总是有一半被与其左右相邻的2个砖块所挤压，砖块在灰浆的黏结力、相互间的摩擦力及拱胎的支撑力作用下保持平衡，不至于下落：这样就要求新放置的砖块总是超出两侧 已经放置的砖块半砖，保证施工的连续性. 砌筑第1圈拱券时，有一半砖是整砖，有一半是半砖，两类砖块间隔放置在弧形后墙上，砖块外端一个竖直面上.砌筑第2圈拱券时，砖都是整 面与后墙外立面齐平，且外端面都与后墙外立面在砖，仅砌筑其前方留有半砖空缺的部位，砖被紧紧地夹在第1圈2个全砖之间，内端在后墙上，外端在木拱胎上.砌筑第3圈拱券时，也是用整砖砌筑前方留有空缺处，砖的外端在木拱胎上，内端利用瓦 刀凭借工人的经验来调整其高度，保证砖拱券在每一匹砖上的平直度.这样一圈前进半砖，循序渐进地完成整个窑洞的加固.具体施工过程如图8所示. 图8施工过程Fig.8Construetion process 美观性就至关重要.如果崖面是土质的，则可以在 加固到最外圈的时候，在满足强度要求的同时 3结语 参考文献： 砖拱券与土拱的空隙填充部位抹上泥巴灰：如果崖面是石质的，则可以在局部截面加强部位及砖拱与 土拱的空隙部位用与崖面风格近似的石材进行加强与填充.这样可以使砖拱与崖面进行自然衔接，保证加固效果的观赏性. 围土体的扰动，避免了因加固而带来的土体二次开 1）砖箍拱券加固技术最大限度地减少了对周裂或局部坍塌问题.它从整体角度出发对土拱进行加固，既解决了已经出现的影响结构安全的果显著. 裂缝或塌问题，又预防了同类问题的再发生，效 2）该技术充分利用砖的抗压性能，变截面的设计可使材料性能得到充分发挥，又可以节约材料用量.其主要材料为砖、水泥、砂、木材，均为廉价易得材料，其来源广泛，可就地取材：施工工具简单、 操作方便、施工速度快（本例中3个熟练的工人（2个大工1个小工）1d工作8h可以砌筑直径3m的砖拱约1m），易于掌握：经济合理，直径3m的砖拱平均造价约2000/m：在满足结构安全的同时又不失建筑美观性，具有极高的推广价值. 3）该技术的最大局限性在于砖拱会占据窑洞的有限空间，减小其可利用面积，故对于跨度较小的窑洞不适合用此方法进行加固. [1]童丽萍.传统生土窑居的灾害及民间防灾营造[J].建筑科学 2008 ( 12) :17-21.[2]刘瑞晓生土地坑窑裂缝控制技术研究[D].郑州：郑州大 学，2006.[3]刘小军.黄土窑润的病害调查及冻融作用试验研究[D].西[4]童丽萍，韩翠萍.黄土材科和黄土窑润构造[]].施工技术， 安：西安建筑科技大学，2008.2008 37 (2) ;107-108 [5]姬栋字.新型加固措施在生土窑润中的应用[J].中国建设教 育 2012( 83) ;82-84 94.[6]赵美扬，何宾旺，张钊.黄土加筋技术在窑居建筑加固中应用[7]张么文，都艳哦，李奇.等.陕北窑润结构有限元分析及加固 的试验研究[J]-山西建筑 2014(20）：110-111方法探讨[J].建材发展导向，2014（24）：65-67.[8]童丽萍，刘强，赵红垒，等.生土窑居窑拱裂缝工字撑局部加 固方法: CN104763440.A [P] . 2015-07-08.[9]童丽萍，部伟进，张敏，等.生土窑居拱顶局部土体塌的加 固系统及其施工工艺：CN104895346A[P].2015-09-09[10]曹源，童丽萍，柳帅军.等，生土窑居拱券错位的加固方法；CN101748902.A [ P] - 2010-06-23.[11]首宪桃，樊友景.结构力学（上册）[M].郑州：郑州大学出版 社 2008[12]即体结构设计规范：GB50003-2011[S].北京；中国建筑工 业出版社 2011.
