本文是一篇土木工程论文，本文采用理论分析、试验研究、数值模拟相结合的方法，针对开封城墙，以毛细水对开封城墙材料力学性能的影响以及与城墙病害之间的内在联系等为目标进行了深入研究，得到毛细水破坏开封城墙的主要方式。
1 绪论
1.1 研究背景
随着国家的发展，我国越来越重视历史建筑的保护，同时也更加注重古遗址的保护与修复。我国 2000 年 10 月颁布的《中国文物古迹保护准则》，对保护的目的、原则、修复技术等规定都已经与国际标准接轨。规定不排斥采用新技术，但同时对最小干预原则和保护可逆性原则作了专门要求，总结出“保护为主，抢救第一，合理利用、加强管理”的具体方针。夯土城墙按照修筑方式可以分为三类，第一类为夯土砌筑的无包砖城墙；第二类是在旧夯土城墙的基础上加砌包砖的后包砖城墙；第三类为夯土与包砖同时修筑的原始包砖城墙。现存的第一类无包砖城墙有高昌故城、西安定边县明长城、西安府谷县明长城等。高昌故城的宏伟规模、保留完整程度堪称世界少有，是我国乃至世界土建筑遗址的典型代表。第二类后包砖城墙的典型代表有西安城墙、明长城居庸关一段等。西安城墙是在唐都城的基础上到明代包砖并扩建而成。第三类原始包砖城墙的典型代表为平遥古城墙、襄阳古城墙[1]。平遥古城虽始建于周宣王时期，但之后的 500 年间并未加固，到明代已近乎完全损毁。襄阳古城原城墙在元代被毁，现湖北襄阳的襄阳古城为明代后建同时包砖。
开封为八朝古都，早在战国时期魏国就在此建有“七仞之城”。在唐代汴州城的基础上历朝各代又修筑城墙多处。现在的开封城墙，就是清代重修的里城城墙。开封城墙是全国重点文物保护单位，位于河南省开封市，全长 14.4 km，是我国现存的仅次于南京城墙的第二大古代城垣建筑。由于历经战乱和黄河泛滥，如今的城墙之下叠压着 5 层古城墙，虽历经多个朝代修复，但其规模、格局乃至重要坐标都未改变。
开封城墙早在 1996 年就被列为第四批全国重点文物保护单位，历史上多次遭遇洪水灾害，现存城墙为清代所建。为了加强开封城墙的保护管理，河南省人大常委会于 2010年颁布了《河南省开封城墙保护条例》，为古城墙的研究和保护提供了规范和参考。开封市政府曾多次组织开展开封城墙的修复工程，但随着时间的推移，开封城墙还是出现了剥落、开裂、局部坍塌等破坏情况，影响了城墙的整体美观，同时造成了安全隐患。
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1.2 选题依据及研究意义
砖石质类文物（如砖质建筑、古砖塔、古城墙等）的建筑材料是由土坯经过人工高温烧制而成。砖是由土坯烧制而成，烧制过程中，会产生不均匀分布的孔隙，且孔隙尺寸较大，属于多孔类文物[2]。多孔类文物的结构特性如孔隙度、膨胀系数和吸水系数等都比较大，极易受到外界的自然因素而破坏，风化既包括物理现象，也包括化学现象，化学风化和物理风化协同进行，加上处于潮湿环境下的砖石质文物暴露在自然环境中，受到各种形态的水、微生物、有害气体等风化因素的影响，都产生了不同程度的风化状况，位于潮湿环境下的砖石类的文物易受风化后而外观表现出颜色变深、表皮粉化脱落、出现细小裂缝，甚至造成文物建筑的力学强度降低。
造成城墙破坏的原因有很多，包括毛细水、风化、温度等。现存城墙的结构为内部夯土，外部包砖，同时设置了排水设施，因此，能够较为有效的保护内部夯土不受风化和雨水侵蚀。但是对于地下水的侵蚀缺乏有效的保护措施。开封素有北方水城之称，拥有龙亭湖、包公湖、大宋御河、开封西湖等丰富的地表水资源，开封市位于黄河冲积平原，降水入渗率较高，水资源总量多年平均约 10.62 亿 m3，地下水位在 2～10m 之间[3-4]。此外，在城墙的东、西、南三面还存在护城河，对城墙的含水率有非常重要的影响。因此，毛细水对城墙造成的损害要远远高于其它因素。
由于城墙长期暴露于自然环境中，墙体砖表面碎片状剥蚀、脱落、砖与砖之间的灰浆老化失效，由于墙基或墙体的不均匀沉降导致城墙多处出现垂直贯穿裂隙、锯齿形斜向裂隙、顶面纵向裂隙。城墙顶部海墁局部出现外凸现象，里外墙体分离，病害严重的在凸起部位产生墙体开裂，这种病害对城墙的危害较大，凸起部位墙体随时可能塌落，并带动周边墙体发生墙体局部坍塌。 地下水通过毛细作用渗入城墙内部后，会对墙体结构产生一系列复杂的影响，主要体现在以下几个方面：
（1）对于城墙土，受地下水影响，可溶盐反复溶胀-结晶，同时引起水的迁移带走大量填充材料，从而扰动土体结构，引起芯墙失稳破坏和不均匀沉降。此外，由于水分赋存引起墙体鼓胀、裂缝滋生，以及芯墙重量增加也会使土体侧墙负荷增加引起破坏。
（2）对于城墙砖，由于开封地下水含有大量矿物质及可溶盐，在毛细水不断地上升、蒸发过程中，会在砖面产生泛碱现象，对砖体的内部和表面产生一定的侵蚀，破坏砖体原有结构，造成砖体力学性能降低。
（3）由于砖、土间通过常年的堆积，表面接触十分紧密，因此城墙土体产生的形变最终会反映到城墙包砖上，使砖面产生开裂、错动、鼓胀、脱落等现象，破坏城墙的完整性，同时造成一定的安全隐患。
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2 开封城墙材料基本性质
2.1 城墙砖的基本性质
2.1.1 密度测定
试验用砖取自开封城墙修复施工现场。由于城墙砖数量的限制，并且在工程现场取得的砖表面存在大量砌筑砂浆，出于试验的需要及砖尺寸的考虑，将砖块分割成50mm 50mm 50mm 的立方体。通过测定每个砖试块的重量，粗略计算城墙砖的密度，试验数据如表 2-1 所示：
表 2-1 砖试块重量
经计算，开封城墙砖的密度大致为 1.76g/cm3。试验完成后将试块烘干，作为力学试验试块备用。
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2.2 城墙土的基本性质
土是建造城墙的最原始采用的主要材料，因为土最容易获取，虽然后期制砖技术得到不断发展，至明清以后砖普遍用于包砌城墙，但筑城工程中仍然使用着几千年来传承下来的夯土砌筑技术方式，包砖墙的内部采用的还是夯土。
开封土质多为粉砂土，具有粘粒含量少、土体松散、毛细作用强、粘聚力小等特点，不适合做工程填料。因此，开封城墙的夯土主要为取自开封周边的黄土或黏土等。本节通过一系列物理性能试验，确定城墙夯土的基本性质，为深入了解城墙夯土的物理力学性能提供数据支持。
2.2.1 颗粒筛分试验
根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）[47]，对土样进行颗粒筛分试验。根据试验数据绘制土样的颗粒级配曲线，并分析土体颗粒粒径大小，分布情况以及占比。以便对土样类型进行判断，并了解该级配下的土体的物理力学性质，为力学试验提供参考。本次试验土样取自开封城墙顺城路段。
（1）试验方法与仪器
土体粒径组成不同，决定了土体的物理力学性质有所不同，所需采用的试验方法也不同。本试验采用筛析法测定土体的颗粒粒径组成。筛析法主要适用于粒径为 0.075mm～60mm 的土。试验分四组进行，根据规范，每组土选取重量为 300g，选用标准筛孔径分别为 0.2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm。试验采用震击式标准振筛机，实验结果见表 2-3 及图 2-1。
(2）试验结果
表 2-3 试样颗粒筛析结果
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3 城墙土毛细水破坏研究 ......................... 17
3.1 冻融循环试验 ................................. 17
3.2 直剪试验 ..................................... 18
4 城墙砖毛细水破坏研究 ........................... 29
4.1 可溶盐渗透试验 ...................................... 29
4.1.1 试验方案 .............................. 29
4.1.2 试验结果分析 .............................. 30
5 城墙劣化的数值模拟分析 ......................... 41
5.1 有限元模型建立 ................................. 41
5.1.1 城墙建筑结构形式 ............................ 41
5.1.2 材料力学参数 ........................... 42
5 城墙劣化的数值模拟分析
5.1 有限元模型建立
5.1.1 城墙建筑结构形式
根据在开封城墙金耀路段实测的开封城墙尺寸参数建立有限元模型。城墙外包砖分为两部分，外墙宽 0.8m，高 6.9m，顶部海幔厚 0.5m，宽 6.6m。城墙土分为两部分，第一部分为城墙内部夯土，第二部分为城墙底部地基土，由于部分城墙深埋地下，因此这部分夯土与城墙内部夯土材料相同，并左右外延 5m，深 5m。地基土在城墙底部地基土的基础上拓宽 15m，深 20m。几何模型界面尺寸如图 5-1 所示：
图 5-1 模型截面尺寸
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6 结论与进一步研究内容
6.1 结论
本文采用理论分析、试验研究、数值模拟相结合的方法，针对开封城墙，以毛细水对开封城墙材料力学性能的影响以及与城墙病
