孔洞填充支架及古建筑物地下孔洞填充结构的制作方法

本实用新型属于古建筑物保护技术领域，更具体地说，是涉及一种孔洞填充支架及具有该支架的古建筑物地下孔洞填充结构。

背景技术：

中国的古建筑，不仅具有悠久的历史气息，更具有深厚的艺术价值以及文化研究价值。在世界建筑长廊中，中国的古建筑以其独特的风格闻名于世，可谓建筑界的一枚瑰宝。而古建筑的不可再造的性质也将古建筑推到了一个弥足珍贵的地步。因此，古建筑的保护是十分重要的。

近年来地震事故在世界各地频发，中国某些地区也发生过不同等级的地震。地震不仅会带给现代建筑物的破坏，也会对古建筑物带来破坏。如何利用现代手段修复古建筑物，增强其抗震能力，也是古建筑物保护的一种重要手段之一。

过去人们由于战争或是生活所需，加上文物保护观念不足，有时会在古建筑物下以及古建筑物附近挖设地下孔洞，如防空洞以及冬日储菜的菜窖等等(如图3所示)。这些地下孔洞会对古建筑物的构造性能、稳定性以及抗震性能产生一定的危害性影响。因此，古建筑物下以及古建筑物附近的地下孔洞应得到有效地填充。

由于古建筑物的重要研究价值因素及不可复制的独特性，如采用一般的孔洞填充施工方式，会对孔洞以及周边产生较小的扰动，加上孔洞的大小不规则，有相当一部分的地下孔洞本身较小，难以采用传统的夯实做法。因此，古建筑物下及其附近的地下孔洞的填充施工方式，不适于直接采用传统的填充或支护方式。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种孔洞填充支架，以避免对地上的古建筑物地造成扰动破坏的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种孔洞填充支架，包括一个定位钢杆，所述定位钢杆的两端分别至少铰接连接一个支撑钢杆，所述支撑钢杆的自由端分别铰接一个形状记忆合金杆，所述定位钢杆的两端分别设有一个用于插入孔洞顶壁的定位件，两个所述形状记忆合金杆对接后，所述定位钢杆、所述支撑钢杆和所述形状记忆合金构成一个多边形框架，所述多边形框架的所述定位钢杆和两个对接后的所述形状记忆合金杆平行。

进一步地，对接后的所述形状记忆合金杆的总长度L大于或等于安装位置处孔洞的中心孔的直径d。

进一步地，所述定位件为碳素钢钉。

进一步地，所述碳素钢钉的长度为80mm-120mm。

进一步地，所述铰接连接均采用螺栓连接，并在所述螺栓的一端设有防脱螺母。

本实用新型提供的孔洞填充支架的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型孔洞填充支架，将形状记忆合金应用到古建筑的构造保护中，利用记忆合金支架可以自动膨胀，贴合洞内的不规则形状，使洞壁与支架紧密贴合；利用连接件将支架与洞壁，各杆支架铰接，增强支架与孔洞的贴合性以及稳固性。

本实用新型的目的在于提供一种古建筑物地下孔洞填充结构，包括多个支撑于孔洞内的所述的孔洞填充支架，所述孔洞填充支架沿所述孔洞的长度间隔设置，两个所述形状记忆合金杆沿孔洞的中心直径水平支撑在孔洞相对的孔壁上，所述定位钢杆水平支撑在孔洞的顶壁，两个所述形状记忆合金杆的自由端焊接相连，自孔洞内洞底向上顺次铺设有生石灰层和砌筑砖砌体层，所述砌筑砖砌体层位于所述形状记忆合金杆的下方，所述形状记忆合金杆处铺设一层生石灰层，所述生石灰层上面铺设碎石加中粗砂层，自此以上，生石灰层和碎石加中粗砂层交替铺设直至孔洞被填满，与孔洞顶壁紧贴的一层为生石灰层。

进一步地，孔洞内相邻孔洞填充支架的放置间距为250mm-400mm。

进一步地，所述定位钢杆的安装位置距孔洞顶壁的高度为支撑位孔洞最大高度的1/10-1/5。

进一步地，两个所述形状记忆合金杆的总长度L大于相应支撑处的孔洞中心孔的直径d，记为L＝1.05d。

进一步地，所述生石灰层的总高度占孔洞高度的30％-35％，碎石加中粗砂层高度占孔洞高度的30％-35％，砌筑砖砌体层高度占孔洞高度的30-40％。

本实用新型提供的古建筑物地下孔洞填充结构的有益效果在于：本实用新型中利用形状记忆合金特殊的随温度变化而膨胀的性能使支架最大程度贴合不规则洞壁，并在孔洞中部逐步提供横向的贴合应力，使形状记忆合金在初期起到支撑洞壁作用，而生石灰可在施工完成后吸水吸热膨胀，进一步加强回填物本身的密实性并在其膨胀力作用下，将支架与洞壁进行二次贴合，二者共同作用，可将孔洞中各个方向可能产生的缝隙尽可能地进行填充，增强土层的坚固性与稳定性，避免土壤塌陷且不会对古建筑物造成扰动，延长古建筑物的寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的孔洞填充支架的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的采用孔洞填充支架的进行填充后的孔洞的截面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的采用孔洞填充支架沿的孔洞的长度方向分布的结构示意图；

图4为古建筑物下面设有地下孔洞的剖面结构示意图；

图5为古建筑物下面设有地下孔洞的长度方向的结构示意图。

其中，图中各附图标记：

1-定位件；2-螺栓；3-定位钢杆；4-支撑钢杆；5-形状记忆合金杆；6-生石灰层；7-砌筑砖砌体层；8-碎石加中粗砂层；9-焊接缝；10-古建筑物；11-孔洞；12-连接钢杆。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，现对本实用新型提供的孔洞填充支架进行说明。所述孔洞填充支架，包括一个定位钢杆3，所述定位钢杆3的两端分别至少铰接连接一个支撑钢杆4，所述支撑钢杆4的自由端分别铰接一个形状记忆合金杆5，所述定位钢杆3的两端分别设有一个用于插入孔洞顶壁的定位件1，两个所述形状记忆合金杆5对接后，所述定位钢杆3、所述支撑钢杆4和所述形状记忆合金构成一个多边形框架，所述多边形框架的所述定位钢杆3和两个对接后的所述形状记忆合金杆5平行。

本实用新型提供的孔洞填充支架，与现有技术相比，本实用新型孔洞填充支架，将形状记忆合金应用到古建筑的构造保护中，利用记忆合金支架可以自动膨胀，贴合洞内的不规则形状，使洞壁与支架紧密贴合；利用连接件将支架与洞壁，各杆支架铰接，增强支架与孔洞的贴合性以及稳固性。

本文采用镍钛记忆合金材料制作孔洞填充支架，镍钛形状记忆合金的工作原理为：采用镍钛记忆合金材料制作孔洞填充支架。镍钛形状记忆合金的工作原理为：形状记忆合金的原子排列顺序是随着外界环境的改变而改变的。当温度下降到某个临界温度以下时，原子按某一种规律进行排列，此时的结构成为马氏体相；而当温度升高到某个临界温度以上时，原子的排列规律就会发生改变，原子又按另一种规律进行排列，此时又称之为奥氏体相或母相。形状恢复的推动力是由在加热温度下母相和马氏体相的自由能之差产生的。而在宏观视角下，形状记忆合金的特殊性能表现为：形状记忆合金可在临界温度以上加工变形为一特定的形状，之后急剧制冷，当其温度改变为临界温度以下时，形状记忆合金便会产生极大的塑性，在一定的范围内可任意变形。之后给合金加热，当合金第二次达到临界温度时，合金就会恢复初始形状，即随着温度发生了特定方向的变形。而形状记忆合金效应可分为三类：单程记忆效应、双程记忆效应以及全程记忆效应。其中，单程记忆效应是指：形状记忆合金在马氏体状态下受力变形，加热时恢复高温相形状，再次冷却时却不再恢复低温相形状。本申请中的支架使用具有单程记忆效应的镍钛形状记忆合金，其临界温度为40摄氏度。由于镍钛形状记忆合金的特殊“记忆”性能，可在孔洞外高于40摄氏度的环境下对形状记忆合金支架施加特定方向的力调整支架的大小，再通过冷却恢复到室温甚至是低于室温以后，记忆合金支架产生极大的塑性，即可在一定范围内收缩，可轻易放入孔洞，并置于支撑位的位置，施加一定的温度后，将两个形状记忆合金杆5对接并进行焊接，随着洞内温度的继续恢复，记忆合金支架可以自动膨胀，贴合洞内的不规则形状。

其中，说明的是，支撑钢杆4和定位钢杆3均采用碳素钢制成，且均为条形板材，尽管图中标注为同一个部件，但是，各杆的长度根据测量的内截面形状而定，长度可以相同，也可以长短不一，形成的多边形框架为不规则的多边形，两个形状记忆合金杆5的长度也可以相同，可以不相同。

进一步地，请参阅图1至图3，作为本实用新型提供的孔洞填充支架的一种具体实施方式，对接后的所述形状记忆合金杆5的总长度L大于或等于安装位置处孔洞的中心孔的直径d。当L大于d，可使形状记忆合金杆5的两端与孔洞内壁紧密贴合。

进一步地，定位件1为碳素钢钉，该钢钉与定位钢杆3焊接相连，碳素钢钉的长度为80mm以上，以便于与孔洞内壁插接可靠，增强支架与孔洞的贴合性以及稳固性。

进一步地，各杆之间的铰接采用螺栓2连接，并用螺母锁紧，这种连接仅需在各杆端打孔，用标准的螺栓2和螺母连接即可。各杆之间采用铰接，支架放入孔洞后，可随外力的施加而扭转，进一步的贴合孔壁。

本实用新型的目的在于提供一种古建筑物地下孔洞填充结构，参见图1至图3，包括多个支撑于孔洞内的所述的孔洞填充支架，所述孔洞填充支架沿所述孔洞的长度间隔设置，两个所述形状记忆合金杆沿孔洞的中心直径水平支撑在孔洞相对的孔壁上，所述定位钢杆水平支撑在孔洞的顶壁，两个所述形状记忆合金杆的自由端焊接相连，自孔洞内洞底向上顺次铺设有生石灰层6和砌筑砖砌体层7，所述砌筑砖砌体层7位于所述形状记忆合金杆的下方，所述形状记忆合金杆处铺设一层生石灰层6，所述生石灰层6上面铺设碎石加中粗砂层8，自此以上，生石灰层6和碎石加中粗砂层8交替铺设直至孔洞被填满，与孔洞顶壁紧贴的一层为生石灰层6。

本实用新型提供的填充结构，利用形状记忆合金特殊的随温度变化而膨胀的性能使支架最大程度贴合不规则洞壁，并在孔洞中部逐步提供横向的贴合应力，而各杆之间采用铰接允许有一定程度的转动，减小填充物与洞壁的空隙，增强回填密实性，采用钢杆与形状记忆合金相结合的方式结合了的优点，即钢杆提供抵抗压力的高强度，而形状记忆合金的形变性能为支架提供后续的贴合洞壁能力。利用生石灰粉末吸热膨胀的原理，进一步减小人工施工孔洞填充所留下的空隙以及土壤自身随时间垂直向下移动与原古建筑物基础所留下的缝隙，利用其膨胀的体积，中和该缝隙，并加强填充物与原孔洞的贴合能力，加强孔洞填充物的坚固性以及稳定性。

参见图3，各支架安装到支撑位后，相邻的两个支架之间采用连接钢12焊接，以加强支撑的可靠性。

其中，形状记忆合金支架和生石灰均起到抵抗回填物收缩的作用。一般情况下，由于孔洞内难以进行夯实操作，因此填充完毕的回填物还存在一定的空隙。小体积的回填原料会由于自身重力随着时间慢慢下沉到这些空隙中，从而造成回填物顶部与洞壁产生脱离现象。孔洞本身也会由于其上部土壤以及建筑物对其产生的压力大于自身的承载能力而随时产生塌陷。而形状记忆合金放置在空洞内再次升温以后，便会维持“预设”好的自身形状，因此可在初期起到支撑洞壁作用，抵抗孔洞自身的塌陷应力。生石灰可在施工完成后吸水膨胀，进一步加强回填物本身的密实性并在其膨胀力作用下，将支架与洞壁进行二次贴合。二者共同作用，可将孔洞填充做法中各个方向可能产生的缝隙尽可能地进行填充，增强土层的坚固性与稳定性。

采用本实用新型提供的填充结构，能尽量少的产生对于古建筑物地下物质的扰动，对古建筑物整体的构造性能产生保护效果。

其中，支架形成的多边形框架，其边数根据洞内的实际情况进行设置，为使测量精确，使用扫描仪等工具，做到精密确定洞内各部位的内截面形状，进而制作能够与洞壁贴合的多边形框架。

其中，形状记忆合金支架放置在测量设定的支撑位置后，即可进行填充工作。在底层平铺设一层生石灰，尽量铺平，其他砌筑砖砌体层7及其他的各层均尽量铺平，最上一层，也即与孔洞顶壁相贴的一层仍为生石灰层6，填充满孔洞即可。另外，尽管图中标注的生石灰层6为同一个标号，但是各层的厚度不一定相同，其中，形状记忆合金钢杆完全在生石灰层6包覆之内。

其中，两个形状记忆合金杆5的自由端对接并焊接时，采用氩弧焊进行焊接，焊接时间为2s，焊接电流为30A。

进一步地，参见图3，作为本实用新型提供的古建筑物地下孔洞填充结构的一种具体实施方式，孔洞内相邻孔洞填充支架放置间距h为250mm-400mm。孔洞内支架的间距，根据孔洞的内截面积、孔洞长度、地上古建筑物的重量及土层的地质特性进行设置，不局限于此，一般，孔洞高度大，长度长，土层较松软，支架设置的可以密一些。

进一步地，请参阅图2，作为本实用新型提供的古建筑物地下孔洞填充结构的一种具体实施方式，定位钢杆3的安装位置距孔洞顶壁的高度为支撑位孔洞最大高度H的1/10-1/5，并根据定位钢杆3的安装高度，制作定位钢杆3的长度，使定位钢杆3的两端抵顶孔洞内壁。也即，支撑位处孔洞竖直方向的最大高度即为H，则由上自下取孔洞最大高度H的1/10或1/5处，放置定位钢杆。

进一步地，请参阅图2，作为本实用新型提供的古建筑物地下孔洞填充结构的一种具体实施方式，各孔洞填充支架的形状记忆合金杆5的总长度L大于测量的相应支撑位处的孔洞中心孔的直径d，记为L＝1.05d。根据记录的各个标记点处截面形状，在该温度下对形状记忆合金施加相应的拉力或压力，使其形状尽量贴合原标记形状，在具体制作时，宜将该支架的周长制作得比原记录周长稍稍大一点，也即，形状记忆合金杆5大于记录的中心孔的直径，以使支架在洞内贴合洞壁更加紧密。

进一步地，请参阅图2，作为本实用新型提供的古建筑物地下孔洞填充结构的一种具体实施方式，孔洞内生石灰层6和砌筑砖砌体层7的高度按洞内实际高度进行设置，生石灰层6总高度占孔洞高度的30％-35％，碎石加中粗砂层8高度占孔洞高度的30％-35％，砌筑砖砌体层7高度占孔洞高度的30-40％。

其中，所述碎石加中粗砂层8，碎石以及中粗砂的配制比例为1：3。

制作孔洞填充支架中，在一定温度下对形状记忆合金杆5进行初次定形，根据记录的各支撑位处孔洞的内截面形状，对形状记忆合金杆5施加相应的拉力或压力，使多边形框架尽量符合测量的内截面形状，其中所述温度小于等于80℃。

总之，本实用新型提供的优点在于：

(1)将形状记忆合金应用到古建筑的构造保护中，利用该合金有自动恢复原形状的特点，使洞壁与支座紧密贴合。

(2)采用形状记忆合金与碳素钢结合构成支架，并应用可转动的螺栓2连接方式，即提供了抵抗洞内压力的高强度，又可允许支架后期的形变，提供其孔洞填充所需的膨胀力。

(3)解决了古建筑物地下无法进行强烈扰动的施工方法的困难。利用生石灰吸热吸水自动膨胀的特性，不需要人工夯实，也可逐渐自主贴合内壁，增强密实性。为施工提供了方便。

(4)布置生石灰回填层，按其本身性质，生石灰吸收水汽膨胀，抵消了回填后期回填物的沉降，并能加强回填物强度，解决了接近既有古建筑物地面附近，由于施工做法的限制无法做到紧密贴实的问题。生石灰在膨胀过程中，与既有地面慢慢日渐贴实，不会对地上古建筑物造成扰动，延长了古建筑物的使用寿命。

本文中，参见图4及图5，以洞口位于侧面的孔洞为例，对于竖直的孔洞，也可采用本实用新型提供的支架进行支撑，并填充生石灰进行提高密实性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。