風荷載作用下臺藏塔不同加固維修措施的力學性能分析

阿布都艾尼·阿不都拉

(新疆文物古跡保護中心，新疆烏魯木齊830000)

土遺址作為人類遺留下來的信息的載體，具有很高的歷史價值、社會價值和藝術(shù)價值［1］。土遺址主要是粉質(zhì)沙土和粉質(zhì)黏土夯筑或者制成土坯進行砌筑，在干燥環(huán)境中具有一定的強度。但歷經(jīng)千年的建筑在諸多因素的影響下出現(xiàn)大面積坍塌、風化，正遭受著毀滅性破壞［2］。因此對其維修加固以及對其力學性能的研究顯得頗為重要。

1 臺藏塔土遺址概況

絲綢之路新疆段重點文物保護項目之一臺藏塔遺址保護工程，該遺址位于新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市三堡鄉(xiāng)尤喀買里村，東南距高昌故城土遺址1.2km，西距吐魯番市40km。臺藏塔始建年于公元6～7世紀，是當時頗具影響力的佛教遺址。14世紀末期，察合臺汗國統(tǒng)治時期強迫高昌地區(qū)人民信奉伊斯蘭教之后，臺藏塔逐漸毀破。

臺藏塔高約20m，塔北面與東面均有佛教洞龕，分上下兩排，西面塔壁中有孔洞，貫穿整個墻壁其作用不明，南壁已毀。臺藏塔遺址占地面積約為939m2。塔身平面略呈回字形，朝向南偏西。塔基底部外邊南北長約36m，東西殘長34m，塔壁基部厚8～12m。塔內(nèi)中空，內(nèi)邊方約15m。南向正中有寬約3m的缺口。該塔屬國務院公布的第五批全國重點文物保護項目。

臺藏塔遺址長期以來由于自然因素、人為因素的破壞，塔身表面出現(xiàn)了較大的裂縫，全部的夯土體及塔頂面出現(xiàn)了嚴重的風化酥碎現(xiàn)象。塔表面幾乎所有的佛龕拱券已完全開裂破壞，塔頂因防雨措施不當造成塔表面出現(xiàn)嚴重的沖溝痕跡，所有這些已嚴重威脅整個遺址的安全。

2 有限元模型及計算參數(shù)

參考臺藏塔遺址測繪圖，根據(jù)實測尺寸適當簡化，利用有限元軟件建立臺藏塔三維有限元實體模型。單元采用C3D20R單元，共劃分96 185個單元;土體和鋼支撐為各向同性線彈性均質(zhì)材料;接觸面采用完全約束;土基底部個方向位移自由度約束?？紤]到臺藏塔Ⅱ區(qū)北側(cè)土體出現(xiàn)裂縫，因此將風載施加在其面上更為不利，風載作用位置如圖1所示。

圖1 風荷載作用位置示意

3 主要病害及結(jié)果分析

由于長期以來自然和人為等因素的破壞，臺藏塔遺址存在嚴重的病害［3］，基本類型包括三種:①人為孔洞、孔洞殘損;②掏蝕凹陷;③裂縫、土體懸空傾斜。針對上述病害臺藏塔土遺址保護工程主要采用四種方法:①土坯砌筑;②灌漿抹縫;③錨桿加固;④鋼架支撐。

3.1 臺藏塔原土遺址受力分析

臺藏塔與高昌故城相距接近，建造年代相同，土質(zhì)與所處環(huán)境相似，本文主要參考了高昌故城大佛寺土體的物理性質(zhì)(表1)。

表1 夯土、土坯原狀土各項物理參數(shù)

圖2 自重作用下臺藏塔原土遺址應力云圖

圖3 風載作用下臺藏塔原土遺址應力云圖

3.2 灌漿抹縫對臺藏塔土遺址的影響

溫差交替作用、地震和風荷等自然外力作用下，使得土遺址內(nèi)夯土產(chǎn)生縱橫交錯的裂縫，以及風蝕、人為破壞使土體產(chǎn)生孔洞，增大了結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。處理時先采用改性黃泥漿封閉裂縫邊緣，再配置一定濃度和配比的改性黃泥漿，進行注漿修復。

圖6、圖7表示注漿修復后土遺址在風荷載作用下的應力云圖與側(cè)向位移云圖。計算結(jié)果表明:注漿修復后土體在風荷載作用下最大側(cè)向位移為7.8mm，與圖5相比減小22%;由圖6風荷載作用下注漿修復后土遺址應力云圖可知，其頂部明顯出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，充分說明了裂縫會出現(xiàn)在此位置，與實際相符合。

續(xù)表1

圖2～圖5分別表示未加固前原狀土遺址在土體自重和風載作用下應力云圖與側(cè)向位移圖。計算結(jié)果表明:風荷載作用下北側(cè)墻體最大側(cè)向位移為10.1mm;在自重作用下北側(cè)墻體向內(nèi)傾斜，而在風荷載作用下墻體向外傾斜，即在風荷載作用下裂縫會不斷加深擴展，加速土體坍塌破壞。

圖4 自重作用下臺藏塔原土遺址側(cè)向位移云圖

圖5 風載作用下臺藏塔原土遺址側(cè)向位移云圖

圖6 風載作用下注漿修復后臺藏塔應力云圖

3.3 土坯砌筑加固對臺藏塔遺址的影響

對危及土遺址穩(wěn)定的掏蝕凹陷和人為破壞孔洞，采用土坯砌筑技術(shù)。土坯砌筑采用改性黃泥漿(當?shù)攸S土+少量草秸+5%改性硅丙溶液)，植入土工長絲與原結(jié)構(gòu)相連，保證其整體性(表2)。

圖8表示土坯砌筑后風荷載作用下土遺址側(cè)向位移云圖，圖9表示土坯砌筑與注漿修復后風荷載作用下土遺址側(cè)向位移云圖。計算結(jié)果表明:土坯砌筑后風荷載作用下土遺址側(cè)向位移為4.1mm，與圖5相比減小59%;土坯砌筑與注漿修復后風荷載作用下其最大側(cè)向位移為3.2mm，與圖8相比減小22%，與圖7相比減小59%。

圖7 風載作用下注漿修復后臺藏塔側(cè)向位移云圖

表2 臺藏塔遺址夯土、無草土坯、帶草土坯抗壓強度

圖8 風荷載作用下土坯砌筑后

3.4 錨桿加固及鋼支撐加固對臺藏塔遺址的影響

錨桿采用不等長工字鋼進行加固，即拉力型錨桿桿體與灌漿體產(chǎn)生粘結(jié)應力，從而達到加固的效果。對于頂部懸空并產(chǎn)生裂縫的Ⅱ區(qū)墻體北段，上部質(zhì)量較大且高度較高，采用自重輕，強度高的鋼架支撐技術(shù)進行支撐加固。避免了采用砌筑土塊而產(chǎn)生過量補砌的問題。

圖10表明修復完善后土遺址在風荷載作用下的側(cè)向位移云圖。計算結(jié)果表明:北側(cè)墻體豎向位移明顯減小;修復后在風荷載作用下最大側(cè)向位移明顯減小;錨桿加固與鋼支撐加固對土體側(cè)向位移影響不大，增強了臺藏塔土體強度和穩(wěn)定性。

圖9 風荷載作用下土坯砌筑與注漿修復后

4 結(jié)論

(1)在卸荷等自然外力下北側(cè)墻體將出現(xiàn)裂縫，與實際出現(xiàn)裂縫位置相符，且在荷載等自然條件作用下裂縫將會不斷加深擴展，加速土體坍塌破壞。

(2)注漿修復后土體在風荷載作用下最大側(cè)向位移減小22%。

(3)土坯砌筑后風荷載作用下土遺址側(cè)向位移減小59%;土坯砌筑與注漿修復后風荷載作用下其最大側(cè)向位移為3.2mm，與土坯砌筑后在風荷載作用下最大側(cè)向位移相比減小22%，與注漿修復后在風荷載作用下最大側(cè)向位移相比減小59%。

(4)北側(cè)墻體豎向位移明顯減小;修復完善后在風荷載作用下最大側(cè)向位移明顯減小;錨桿加固與鋼支撐加固對土體側(cè)向位移影響不大，增強了臺藏塔土體強度和穩(wěn)定性。

［1］ 張衛(wèi)喜，陳平．高昌故城西南大佛寺結(jié)構(gòu)病害分析與加固［J］．工業(yè)建筑，2007，37(8):86－88

［2］ 趙海英，李最雄．西北干旱區(qū)土遺址的主要病害及成因［J］．巖石力學與工程學報，2003，22(增2)

［3］ 張海峰，劉俊卿．臺藏塔結(jié)構(gòu)病害分析與維修加固措施研究［J］．施工技術(shù)，2009，38(S2):502－504