傾斜磚石古塔糾偏方法研究

張賢雙李 戰(zhàn)

(1.陜西普寧工程結(jié)構(gòu)特種技術(shù)有限公司，陜西西安 710049; 2.陜西省華陰市西岳廟文物管理處，陜西渭南 714200)

傾斜磚石古塔糾偏方法研究

張賢雙1李 戰(zhàn)2

(1.陜西普寧工程結(jié)構(gòu)特種技術(shù)有限公司，陜西西安 710049; 2.陜西省華陰市西岳廟文物管理處，陜西渭南 714200)

結(jié)合西安市萬壽塔糾偏加固工程實(shí)例，研究了濕陷性黃土地基磚石古塔的傾斜災(zāi)害成因及糾偏方法，并利用有限元軟件，對(duì)糾偏效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，不均勻沉降是濕陷性黃土地基磚石古塔建筑出現(xiàn)傾斜的主要成因;塔體傾斜后，其不穩(wěn)定性顯著增加;抽土迫降法對(duì)既有傾斜古塔的糾偏效果顯著。

磚石古建筑，濕陷性黃土，穩(wěn)定性，糾偏方法

中國作為四大文明古國之一，其歷史遺跡和名勝古跡享譽(yù)全球［1-4］。作為最為重要的歷史遺跡——古塔，其往往在長期的自然和人為作用下發(fā)生不同程度損傷，給中國古代歷史文明研究帶來無法估量的損失［3，4］。磚石古塔是世界古塔中的重要代表，與現(xiàn)代建筑相比，其整體性和穩(wěn)定性均較差。西安是古絲綢之路的起點(diǎn)，其承載古代中國與其他國家文化交流的中心樞紐作用，該地區(qū)存在大量磚石結(jié)構(gòu)古塔建筑。由于該地區(qū)地質(zhì)條件屬于典型濕陷性黃土，故該地區(qū)磚石古塔較易發(fā)生傾斜，進(jìn)而引起坍塌。

古塔糾偏技術(shù)是挽救古塔破壞的有效手段［5，6］。然而，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件和古塔保存狀況均存在差異時(shí)，糾偏技術(shù)便成為較難解決的工程難題。目前，針對(duì)磚石結(jié)構(gòu)古塔建筑的糾偏工程較少，可借鑒的工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)尚不多見。因此，如何對(duì)現(xiàn)有磚石古塔建筑進(jìn)行完好保護(hù)以及怎樣對(duì)已發(fā)生傾斜古塔進(jìn)行糾偏，是文物工作者和土木工程技術(shù)人員所面對(duì)的嚴(yán)峻課題。本文結(jié)合西安市萬壽古塔的糾偏加固工程，針對(duì)濕陷性黃土地區(qū)古塔建筑的傾斜災(zāi)害成因及糾偏措施進(jìn)行分析研究，旨在為磚石結(jié)構(gòu)古塔建筑的糾偏加固提供一定理論支持。

1 工程背景

萬壽寺藏經(jīng)塔俗稱萬壽寺塔，寺址相傳為唐代“章敬寺”的舊址，距今已有三百余年歷史，萬壽寺古塔為砌體結(jié)構(gòu)，由粘土燒結(jié)青磚砌筑，黃泥石灰抹縫。該塔高度為23.4 m，塔身呈等邊六角形。塔底座與轉(zhuǎn)角均為石基，支撐采用磚石固端約束。該塔塔身出現(xiàn)向西北側(cè)的傾斜，且塔頂最大偏移量大于2 000 mm，如圖1所示。

圖1 塔身傾斜狀況

該塔塔體尺寸見表1。

自2008年起，文物部門開始對(duì)塔基進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，沉降觀測(cè)布點(diǎn)及沉降結(jié)果見圖2和圖3。

由圖3可知，2011年以前，塔體沉降量可忽略不計(jì)。由于2011年本地區(qū)降雨量較往年明顯增大，故塔體于該年5月份發(fā)生較為明顯的沉降變形，致使塔身向西北方向傾斜。隨著變形累積，該方向傾斜量隨時(shí)間持續(xù)增大。

表1 塔體各層形狀尺寸狀況

圖2 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2 塔體應(yīng)力應(yīng)變分析

2.1 模型建立

為了解萬壽塔發(fā)生傾斜后的應(yīng)力應(yīng)變特征，本節(jié)采用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析。由于該塔屬于重點(diǎn)保護(hù)文物，無法通過力學(xué)試驗(yàn)獲得其物理力學(xué)參數(shù)?；谠撍c小雁塔屬于同時(shí)期古建筑，故其單元參數(shù)參考小雁塔數(shù)值分析模型［5］。青磚規(guī)格采用MU15型號(hào);砂漿層采用M1;材料泊松比采用0.15;青磚密度為1 900 kg/m3;考慮磚石年代久遠(yuǎn)，故其彈性模量E=1 076 MPa;單元類型為三維實(shí)體單元Solide92;約束條件為底部固端約束。有限元模型見圖4。

2.2 剪應(yīng)力分析

通過上述分析建立萬壽古塔的有限元模型，該模型只考慮自重作用下的靜力分析。通過有限元計(jì)算，得到該塔的數(shù)值分析結(jié)果。

古塔作為塔式建筑的代表，當(dāng)其發(fā)生傾斜后，其極易沿中軸線發(fā)生劈裂破壞，且塔體的剪應(yīng)力較為明顯。另外，塔身XY方向的剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在塔筒中心位置處且最大應(yīng)力值為68 kPa，該值小于塔體抗剪強(qiáng)度;XZ方向和YZ方向的剪應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在塔筒與塔拱連接處，最大應(yīng)力值分別為22 kPa和20 kPa，且該組值分別大于塔體極限抗剪強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。由此可見，該塔塔身薄弱部位位于塔筒位置，且在傾斜狀態(tài)引起的剪應(yīng)力作用下極易發(fā)生沿中軸線的劈裂破壞。

3 工程實(shí)例

圖3 塔基沉降量

3.1 抽土糾偏原理

抽土迫降糾偏是通過對(duì)基底范圍內(nèi)開設(shè)孔洞，降低影響范圍內(nèi)地基表面承載能力而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)基底下方特定深度開挖孔洞時(shí)，其在上部荷載作用下發(fā)生應(yīng)力集中，挖空部位的應(yīng)力擴(kuò)散。當(dāng)應(yīng)力擴(kuò)散范圍內(nèi)應(yīng)力值大于土體抗壓強(qiáng)度后，該范圍內(nèi)的地基發(fā)生沉降，以此引起建筑物達(dá)到局部下沉效果。由此可見，抽土孔范圍內(nèi)地基沉降量主要取決于土孔大小及其應(yīng)力應(yīng)變狀況。對(duì)于抽土迫降實(shí)現(xiàn)建筑糾偏的相關(guān)研究目前仍較少。然而，隨著傾斜建筑糾偏工程的快速增加，為滿足實(shí)際工程的要求，需要對(duì)抽土迫降糾偏方法進(jìn)行更為深入全面的研究。

3.2 施工方案及糾偏效果

抽土孔布置方式是抽土法糾偏傾斜建筑的主要內(nèi)容。通常情況下，建筑物的傾斜方式分為兩種，即單向傾斜和雙向傾斜。對(duì)于單向傾斜而言，可通過控制土孔量和深度對(duì)建筑物進(jìn)行糾偏;而對(duì)于雙向傾斜而言，傾斜建筑物則需調(diào)整土孔深度以及不同區(qū)域內(nèi)土孔密度進(jìn)行糾偏。結(jié)合本工程建筑物的傾斜方式，糾偏方案采用調(diào)整土孔深度和密度的方式。本次萬壽古塔采用傾斜背側(cè)設(shè)置4排土孔進(jìn)行糾偏，且土孔密度隨距離塔底距離增加而減小，減小幅度為100 mm/排，如圖5所示。另外，本工程中土孔直徑設(shè)置為65 mm，抽土孔方向?yàn)檠卮怪狈较驃A角80°。同時(shí)，應(yīng)確保塔基沉降側(cè)既有變形量保持穩(wěn)定，且糾偏過程中，大沉降側(cè)的旋轉(zhuǎn)位移不可引起新沉降的產(chǎn)生。本工程中，規(guī)定萬壽塔塔基底部較小沉降一側(cè)的下沉量為ΔS，則抽土深度從ΔS遞減為零，ΔS為三角形分布。

圖4 古塔數(shù)值模型

圖5 抽土孔布置圖

通過抽土迫降法糾偏，萬壽塔頂部的傾斜量減小為0.04 m，且該值仍在不斷減小。由此可見，抽土迫降方法對(duì)濕陷性黃土地區(qū)既有傾斜磚石結(jié)構(gòu)古塔的糾偏效果較為顯著。

4 結(jié)語

通過對(duì)濕陷性黃土地區(qū)磚石結(jié)構(gòu)古塔建筑的傾斜災(zāi)害分析，結(jié)合抽土迫降法在實(shí)際糾偏工程的應(yīng)用，可以得到以下結(jié)論: 1)濕陷性黃土地區(qū)磚石古塔的傾斜災(zāi)害成因較為復(fù)雜，主要由于地基濕陷所造成的不均勻沉降引起。2)剪應(yīng)力可造成傾斜古塔塔身沿中軸線發(fā)生劈裂破壞，且塔體中筒屬于整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位。3)抽土迫降法對(duì)古塔糾偏作用明顯，且該作用隨糾偏作用的持續(xù)不斷顯著。

［1］ 張 煒，徐 磊.陜西省古塔現(xiàn)狀調(diào)查研究［J］.文博，2012 (2):64-67.

［2］ 王運(yùn)棟.掏土糾傾法作用機(jī)理的分析研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2009.

［3］ 阮儀三，林 林.文化遺產(chǎn)保護(hù)的原真性原則［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，14(2):1-5.

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［5］ 盧俊龍.濕陷性黃土地區(qū)磚石古塔糾偏技術(shù)研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2005.

［6］ 龔士良.意大利比薩斜塔糾偏工程簡介［J］.上海地質(zhì)，2011，10(4):59-62.

The analysis method applied to inclination-control for sloped ancient masonry pagodas

Zhang Xianshuang1Li Zhan2

(1.Shannxi Puning Engineering Structural Typical Techniques Co.，Ltd，Xi’an 710049，China; 2.Huayin Xiyue Temple Relics Management Office of Shannxi，Weinan 714200，China)

Combining with the inclination consolidation project of Wanshou Pagoda in Xi’an City，the paper researches the reasons for the inclination disaster and inclination-control methods for the brick-stone pagodas with collapsible loess foundation，adopts the finite element software to prove the inclination control effect，and proves by the result that the uneven settlement is the main reason for the inclination of the ancient brickstone pagodas with collapsible loess foundation，and indicates its instability of the structure increases after the pagoda inclination and the forced settlement method with pumped soil has evident inclination control effect for existing inclined ancient pagodas.

brick-stone ancient building，collapsible loess，stability，inclination-control method

TU318

A

1009-6825(2016)35-0045-02

2016-10-08

張賢雙(1967-)，男，工程師