黃土地區(qū)磚石古塔鉆孔取土糾傾技術(shù)研究*

張衛(wèi)喜， 陳 平， 趙 冬

(西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院， 西安 710055)

0 引言

古塔多用磚石、土及土木混用，以磚石結(jié)構(gòu)遺存的古塔最為多見。磚石古塔在陜西、山西等黃土地區(qū)分布較為集中。磚石古塔具有脆性、變形能力較差、自重大等特點(diǎn)，其穩(wěn)定破壞的成因以以下兩類最為常見：1)由于土體強(qiáng)度不足而導(dǎo)致承載力破壞；2)由于土體剛度不足而導(dǎo)致傾斜失穩(wěn)[1]。近年來，隨著人類活動(dòng)的加劇，塔地基受到擾動(dòng)，甚至地基局部失效而引起塔體失穩(wěn)的事故時(shí)有發(fā)生，磚石古塔糾傾保護(hù)技術(shù)的系統(tǒng)研究已成為亟待解決的課題。

自1962年意大利工程師Terracina針對比薩斜塔的傾斜加劇問題提出取土糾傾法(1999年施工)以來[2-3]，針對取土糾傾的數(shù)值分析、理論分析及試驗(yàn)的研究進(jìn)行得較多[4-8]。但磚石古塔因其文物屬性、自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等原因，糾傾往往具有較高的風(fēng)險(xiǎn)，有關(guān)研究成果較為少見。本文結(jié)合陜西萬壽寺磚石古塔糾傾的工程實(shí)踐，通過原位測試、正演與反演分析等方法，對鉆孔取土糾傾設(shè)計(jì)、施工的技術(shù)參數(shù)、影響因素及力學(xué)機(jī)理等主要問題進(jìn)行了討論。

1 磚石古塔鉆孔取土糾傾的機(jī)理

磚石古塔鉆孔取土糾傾是指經(jīng)過特別設(shè)計(jì)，在磚石古塔回傾方向的地基高應(yīng)力區(qū)按一定速率抽出一部分土，形成特定深度、直徑、方向和空間分布的(單層或多層)洞室，使基底下土體部分臨空，減小這部分地基的接觸面積，使之接觸應(yīng)力緩慢增加，當(dāng)上覆荷載壓力過大時(shí)，洞室將會(huì)合攏(坍陷)，導(dǎo)致其上部地基表面產(chǎn)生沉降，迫使基礎(chǔ)下沉，引起塔體按既定的軌跡產(chǎn)生近似“剛體”轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使不均勻沉降得到調(diào)整，達(dá)到糾傾的目的，屬迫降糾傾[9](圖1)。

圖1 糾傾原理示意圖(西安萬壽寺塔)

黃土地區(qū)傾斜磚石古塔鉆孔取土糾傾技術(shù)則利用了黃土工程性質(zhì)以及磚石古塔結(jié)構(gòu)高寬比大、地基壓力大的特點(diǎn)，通過人為地削弱局部地基承載力，引起塔體不均勻沉降，以達(dá)到糾正塔體傾斜的目的，這對于保護(hù)大量黃土地區(qū)傾斜的磚石古塔具有一定的通用性。

2 西安萬壽寺塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及地質(zhì)條件

西安萬壽寺(藏經(jīng))塔，初建于明萬歷年間。塔為6層樓閣式單筒結(jié)構(gòu)，塔體及塔基采用青磚砌筑。塔高22.25m，平面呈六角形，三層以上局部塔心填土。其中，一層高4.46m，外邊長為3m，內(nèi)邊長約0.6m，壁厚約2.4m，六層則外邊長遞減至1.73m，層高減至2.12m。塔體外壁承重，筒體自下向上直通塔頂，塔各層平面邊長呈規(guī)律性遞減，立面規(guī)則，自然緩和收攏，呈錐形體(圖2)。計(jì)算和測試結(jié)果表明，塔主體結(jié)構(gòu)自重約5 500kN，塔底平均壓力約210kPa。塔周邊地勢平坦，屬黃土梁洼地貌單元。

圖2 萬壽寺塔測繪圖(未糾傾)

良好的場地條件、合理有效的地基處理，加之塔體結(jié)構(gòu)規(guī)則對稱、傳力路徑明確，該塔雖以青磚、黃泥砌筑，400余年歷經(jīng)數(shù)次大震，結(jié)構(gòu)尚基本完好。

2011年5月28日之前，該塔塔尖西北向的傾斜約1 200mm，塔體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。2011年5月28日始，受連續(xù)降雨影響，塔西北側(cè)地表有水持續(xù)滲入，塔體旋即加速向北偏西方向傾斜，2011年6月1日19時(shí)塔剎偏移量達(dá)到2 231mm，2011年6月12日17時(shí)塔剎北偏西43°7′25″，偏移量2 635mm(傾斜6.5°)，重心偏移量775mm，塔體傾斜度約113‰，瀕臨失穩(wěn)。為防止塔體失穩(wěn)，采取設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)支撐(圖2)及在塔周邊設(shè)置防水、排水等多種措施進(jìn)行搶救性保護(hù)。鋼結(jié)構(gòu)支撐體系對塔體的水平作用力約500kN，合力作用點(diǎn)略高于塔體結(jié)構(gòu)質(zhì)心。

3 西安萬壽寺塔傾斜成因與機(jī)理的勘察與分析

為快速判斷萬壽寺塔傾斜成因，分析機(jī)理，采用地質(zhì)雷達(dá)法對塔周地基土質(zhì)、含水率、空洞等進(jìn)行了初步勘察；之后，對有缺陷區(qū)域和擬定施工區(qū)域進(jìn)行了詳勘。結(jié)果表明，塔西北側(cè)的地基含水率明顯大于東南側(cè)?？紤]到夯填土以下為黃土層，濕陷性中等，其濕陷系數(shù)平均值δs=0.053 ，局部濕陷性強(qiáng)烈，濕陷等級(jí)達(dá)Ⅲ(嚴(yán)重)級(jí)，壓縮系數(shù)平均值α1-2=0.93MPa-1，屬高壓縮性土。結(jié)合地表水勘察，可認(rèn)為塔西北方向地表水侵入地基，引起濕陷性黃土地基持力層局部含水量劇增，誘發(fā)濕陷變形，濕陷變形是一種下沉量大、下沉速度快的失穩(wěn)性變形，這是塔體加速傾斜的直接原因。

圖3為萬壽寺塔的基礎(chǔ)與地基剖面，其中厚度為2.1m的夯填土層是塔體地基的主要持力層，其下層為平均厚度為7.6m的黃土層，該層具有局部濕陷性強(qiáng)烈、高壓縮性的特點(diǎn)，對含水率變化尤為敏感，是影響塔體穩(wěn)定的主要土層。夯填土層較為均勻，塔底壓力大，宜布置取土孔。

圖3 萬壽寺塔地基與基礎(chǔ)剖面

4 西安萬壽寺塔體穩(wěn)定性保護(hù)與強(qiáng)度加固

4.1 整體穩(wěn)定性保護(hù)

考慮到塔底預(yù)留土體厚度和操作平臺(tái)高度的要求，以及取土孔所在土層對塔底壓力、地基土構(gòu)成和密實(shí)度等因素的要求，工作坑的深度一般宜取1.5～2.5m。工作坑使地基持力層一側(cè)被“掏空”，弱化了地基持力層一側(cè)的邊界條件、造成地基層緊鄰塔邊緣一側(cè)出現(xiàn)臨空面(圖4)，降低了地基抵抗塔體傾斜的整體傾覆力矩的能力，因此，工作坑對于地基的承載力和塔體的整體穩(wěn)定性都是不利的。

圖4 整體失穩(wěn)時(shí)地基和塔體位移及地基切應(yīng)力分布云圖

在鉆孔取土施工的過程中，在地基壓力較大的區(qū)域漸漸形成一道削弱的斜向平面(圖1)，這一斜向平面隨著鉆孔取土施工進(jìn)展可能會(huì)與傾斜一側(cè)壓力較大(或已局部進(jìn)入塑性)的地基區(qū)域貫穿，形成潛在的滑裂面，則塔體將面臨整體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，預(yù)防塔體在傾斜一側(cè)的塑性區(qū)與鉆孔施工過程中逐漸延伸的地基削弱面貫穿，是鉆孔取土糾傾方案的先決性條件，也是預(yù)加固首先要考慮的條件。

圖4所示為數(shù)值模擬得到的塔整體失穩(wěn)臨界狀態(tài)時(shí)的地基和塔體的位移分布及地基剖面的切應(yīng)力分布云圖。結(jié)果表明，以切應(yīng)力作為控制指標(biāo)，臨界失穩(wěn)時(shí)，塔傾斜一側(cè)地基局部塑性區(qū)擴(kuò)大，逐漸向塔底被鉆孔取土削弱的位置延伸，當(dāng)兩者貫穿時(shí)，塔體達(dá)到整體失穩(wěn)(傾覆)臨界狀態(tài)。

因此，對于特定的傾斜磚石古塔，能否采用鉆孔取土糾傾技術(shù)，首先應(yīng)根據(jù)塔體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、整體性、傾斜后重心投影的位置、地基持力層可能承受的最大壓力、地基土物理-力學(xué)參數(shù)等，分析塔體整體傾覆力矩、傾斜一側(cè)地基局部壓應(yīng)力、地基土的最大切應(yīng)力、誘發(fā)回傾的臨界線的范圍等，進(jìn)而綜合評估塔體整體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，采取控制塔體整體失穩(wěn)的措施。

計(jì)算表明，萬壽寺塔的整體穩(wěn)定依賴于外部支承的鋼結(jié)構(gòu)體系，鋼結(jié)構(gòu)在支承點(diǎn)提供了約500kN的水平力，以平衡塔體的傾覆力矩，這是塔保持現(xiàn)狀的外界條件。為保證塔體鉆孔取土施工過程中的穩(wěn)定性，施工前在塔底面設(shè)置了大型的箍梁和托梁(圖2)，而工作坑設(shè)置的鋼結(jié)構(gòu)水平支撐直接錨固于托梁上，增強(qiáng)地基的約束力以平衡塔體整體失穩(wěn)時(shí)的力矩。

4.2 整體性加固

糾傾過程中，塔底壓力和塔身應(yīng)力不斷變化，其中以塔底部截面的角部壓應(yīng)力和塔體開洞引起的應(yīng)力集中部位等為強(qiáng)度加固的重點(diǎn)部位。通過數(shù)值計(jì)算，對不同傾斜角度下塔體的危險(xiǎn)點(diǎn)及其應(yīng)力峰值進(jìn)行了預(yù)測，圖5為最不利傾斜狀態(tài)下塔身第三主應(yīng)力云圖?？梢娝捉遣康谌鲬?yīng)力峰值達(dá)到了1.08MPa，券洞和檐口部位第三主應(yīng)力峰值分別為0.83MPa和0.70MPa。因此，施工前，在塔底部截面設(shè)置底層箍梁和地圈梁，約束其變形，改善其應(yīng)力狀態(tài)，而在券洞位置則增加了施加預(yù)應(yīng)力的木結(jié)構(gòu)支承體系，用來分擔(dān)拱圈豎向荷載，防止券洞頂部砌體開裂和拱腳砌體壓碎。

圖5 塔體第三主應(yīng)力分布/Pa

較之垂直狀態(tài)，傾斜后塔體中軸面的剪應(yīng)力分布和剪應(yīng)力峰值均產(chǎn)生較大的變化，考慮到膠結(jié)材料(黃泥)強(qiáng)度退化嚴(yán)重，強(qiáng)度較低，加之回傾過程中塔身應(yīng)力的變化，中軸面的剪切失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較為突出。為此，在各層檐口設(shè)置了鋼箍(即通過鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力)，塔身則以木板夾緊后，外貼強(qiáng)度和彈性模量較高的碳纖維織物，約束塔體橫向變形，使之處于三向受壓狀態(tài)，提高中軸面的抗剪強(qiáng)度(圖6)。

圖6 穩(wěn)定性與整體性加固做法

一般情況下，糾傾過程中為防止塔體發(fā)生強(qiáng)度破壞，正演分析時(shí)，磚石古塔塔體應(yīng)變限值建議不大于1.5‰。在塔體底部截面增設(shè)底層箍梁和地圈梁，使塔底周邊產(chǎn)生“箍”的約束作用(圖7)，改善了塔底砌體的應(yīng)力狀態(tài)，使砌體處于“三向受壓”狀態(tài)。塔體底部截面增設(shè)的托盤能局部托換塔體基礎(chǔ)，加強(qiáng)塔體空間上的“托”、“箍”聯(lián)合效應(yīng)，增強(qiáng)塔體整體性。多例磚石古塔原位測試成果和理論分析均表明，這一措施對于改善塔體截面應(yīng)力狀態(tài)，保證塔身回傾時(shí)不致塔底局部壓碎等具有積極的作用。

圖7 塔底平面加固做法

5 西安萬壽寺塔鉆孔取土糾傾的關(guān)鍵技術(shù)

塔底地基土多為人工夯實(shí)，長期處于高應(yīng)力狀態(tài)，較為均勻致密。為便于鉆孔施工，人工成孔直徑一般選用80～100mm，機(jī)械鉆孔直徑一般選用100～150mm。當(dāng)塔底面平均壓力較小、地基土質(zhì)均勻、碎石含量較少時(shí)，可優(yōu)先使用振動(dòng)小、成孔較慢的洛陽鏟成孔，這樣既可減小振動(dòng)對塔體的影響，也利于調(diào)整回傾速度。

萬壽寺塔塔底平均壓力約210kPa，地基為土質(zhì)均勻的黃土，不含碎石，土質(zhì)密度、含水量適中，適合人工成孔。

5.1 鉆孔臨界線與孔深度的確定

理論上，孔洞穿過一定深度后，被削弱的塔體地基壓應(yīng)力持續(xù)增大，土體產(chǎn)生塑性變形，從而誘發(fā)塔體產(chǎn)生不均勻沉降，可作為鉆孔臨界線依據(jù)。根據(jù)重心投影位置和傾斜方向計(jì)算臨界線(圖1)，萬壽寺塔的孔深為2.8～3.2m。

設(shè)計(jì)時(shí)，確定重心的投影位置，先讓部分孔(建議不超過總數(shù)1/3)緩慢穿過重心投影位置，再逐漸加深其他孔，直到孔受壓產(chǎn)生坍塌(圖8)，塔體正下方地基和周圍土體形成切割面(圖9)，則標(biāo)志著塔體進(jìn)入回傾階段。這種緩慢施工伴隨動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測且?guī)в小霸囂叫浴闭{(diào)整地基壓縮變形臨界狀態(tài)的方法，可防止塔體突然沉降和整體失穩(wěn)。

圖8 孔坍陷

圖9 塔體回傾時(shí)的切割面

塔體開始回傾后，則每次根據(jù)塔實(shí)時(shí)的回傾角度和速率，不斷地清理特定位置的孔中塌落的土體，或加孔、或擴(kuò)孔、或塞孔，使塔體按照既定的路徑和速率回傾。如此循環(huán)，直到塔體回傾到預(yù)定的位置時(shí)，即可回填、夯實(shí)孔洞(預(yù)先應(yīng)估計(jì)土體蠕變的影響)，并持續(xù)觀測，直到土體不再沉降，塔體靜止。

5.2 鉆孔土層的選取與工作坑設(shè)置

對于磚石古塔的鉆孔取土糾傾，塔底到取土層之間要預(yù)留一定的厚度，可利用預(yù)留土層的應(yīng)力重分布引起的不均勻沉降來緩慢地調(diào)整塔體傾斜。同時(shí)，鉆孔取土層會(huì)受到塔體較大壓力作用，對地基擾動(dòng)較為敏感，故還應(yīng)土質(zhì)均勻、含水量較低。

地質(zhì)勘察表明，萬壽寺塔標(biāo)高-2.6～-0.5m地基層為壓實(shí)的夯填土，土質(zhì)均勻、壓力較大，適于布置鉆孔，而標(biāo)高-2.6m以下則屬濕陷性黃土、具有高壓縮性，不利于控制其變形速率。因此，鉆孔的深度范圍確定為標(biāo)高-2.3～-1.5m，該土層壓應(yīng)力平均值約為245kPa，鉆孔與水平方向夾角設(shè)置為10°～15°。

開挖的工作坑位于擬定的塔體回傾一側(cè)，應(yīng)距離塔邊緣預(yù)留一定的寬度，避開塔地基的高應(yīng)力區(qū)。

5.3 孔徑與孔間距

為了控制回傾速度緩慢平穩(wěn)，防止“突然沉降、回傾”，應(yīng)該優(yōu)先選用孔徑較小、孔深度根據(jù)位置變化、孔間距和孔排數(shù)在空間上錯(cuò)開的方案。萬壽寺塔孔的直徑為80mm，間距則取1～1.2倍的孔徑。

文獻(xiàn)[10]給出了水平及斜孔掏土糾傾孔徑和間距與沉降量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。但磚石古塔地基往往壓力較大，對于沉降速率也有特殊的要求，預(yù)估的沉降量往往需要根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行不斷地修正。通常以實(shí)時(shí)監(jiān)測的沉降量和沉降速率作為雙重目標(biāo)值，更為安全、有效。

由于高應(yīng)力下土體蠕變的影響，沉降往往會(huì)在施工停止后持續(xù)發(fā)展。根據(jù)地基壓力值、孔徑、孔深、孔間距和孔排數(shù)等因素，合理預(yù)估停工后的沉降可提高糾傾精度。

6 影響塔體回傾的因素

6.1 控制切割面與回傾方向

回傾時(shí)，沿工作坑延伸的切割面不僅削弱了塔體地基的側(cè)向約束，而且對塔體的回傾角度有顯著的影響。由于地基-基礎(chǔ)-塔體的協(xié)同作用效應(yīng)，切割面位置、回傾方向、支護(hù)系統(tǒng)、鉆孔的布置等共同組成了調(diào)整塔體回傾的系統(tǒng)。文獻(xiàn)[11]對影響塔體回傾方向的因素和相應(yīng)的措施進(jìn)行了討論。

6.2 回傾速度

對塔體的應(yīng)變測試結(jié)果表明，回傾加速度對塔體的應(yīng)力變化有顯著的影響，而控制回傾速度的主要因素為孔的方向和角度以及地基土的均勻性，而回傾加速度則與孔的大小、排布、角度、深度等有直接關(guān)系。

回傾速度突變對塔體洞口、角部等應(yīng)力集中部位以及地基的變形都會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。降低回傾加速度，使土體的塑性變形緩慢發(fā)展，才能保證塔體回傾均勻、緩慢。常見的技術(shù)措施包括：深淺錯(cuò)落設(shè)置的孔深設(shè)計(jì)、有間隔的填塞孔洞、施工間歇的有效利用等。

結(jié)合地基有效壓力分布使孔深錯(cuò)落有致地布置，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，試探性的使部分孔逐漸延伸、穿越重心投影線，隨著土體的塑性變形范圍的擴(kuò)展、變形量的增大，地基對于塔體的支承力隨之變化，塔體平衡狀態(tài)也隨之動(dòng)態(tài)變化。

隨著孔徑擴(kuò)大與孔深的延伸，孔間土柱剪切漸次破壞，形成塌孔，導(dǎo)致地基變形、塔體產(chǎn)生不均勻沉降?？讖綌U(kuò)大與孔深的延伸是誘導(dǎo)塔體回傾速度和角度的關(guān)鍵性措施，結(jié)合實(shí)時(shí)反饋的塔體位移、應(yīng)變監(jiān)測信息，不斷地調(diào)整出土量、孔深、孔徑、孔數(shù)量以及新增孔的布置，往往是動(dòng)態(tài)施工的常見措施。

圖10為萬壽寺塔糾傾全過程中塔頂傾斜量和時(shí)間歷程關(guān)系曲線。其中5～20d的日均塔頂回傾量為66.3mm，速率無明顯突變。圖11給出了糾傾前后的西安萬壽寺塔的對比。

圖10 塔頂傾斜量與糾傾時(shí)間關(guān)系曲線

圖11 糾傾前后的西安萬壽寺塔

孔穿越重心投影線以后，間歇性施工，有序地取出孔內(nèi)坍陷土體，使塑性變形漸漸累積，以出土量作為回傾量預(yù)判的指標(biāo)，往往較為安全。值得指出的是，因故(或夜間)停止施工時(shí)，對孔體進(jìn)行堵塞、填實(shí)，既可使土體塑性(蠕變)得以充分發(fā)展，也可保障回傾平穩(wěn)緩慢。

7 結(jié)論

磚石古塔自重大、變形能力較差，而天然黃土地基承載力偏低、多具有較高的壓縮性、對含水率敏感的特點(diǎn)，使黃土地區(qū)磚石古塔傾斜具有普遍性。主要結(jié)論可概括如下：

(1)鉆孔取土糾傾方案的適用性決定于塔體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、塔體受損狀況、塔體傾斜的成因、地質(zhì)條件、地下水位和地基含水率等，尤其是評估施工過程可能誘發(fā)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性破壞的風(fēng)險(xiǎn)、準(zhǔn)確分析傾斜的機(jī)理和糾傾過程的力學(xué)行為是制定合理方案的基本條件。

(2)磚石古塔糾傾過程中，提高塔體安全性、降低風(fēng)險(xiǎn)主要在于以下三個(gè)方面：1)提高塔中軸面抗剪能力；2)改善塔體應(yīng)力狀態(tài)，提高塔體底部局部抗壓能力以及降低應(yīng)力集中效應(yīng)；3)增強(qiáng)塔體整體性。

(3)鉆孔取土糾傾涉及的主要因素包含塔整體失穩(wěn)、中軸面剪切破壞、塔底及塔身局部強(qiáng)度破壞的控制與預(yù)加固、鉆孔取土糾傾參數(shù)的設(shè)計(jì)、回傾角度和速度的控制、監(jiān)測與實(shí)時(shí)監(jiān)控等，其核心在于對糾傾過程中塔穩(wěn)定性和強(qiáng)度的保護(hù)。

(4)糾傾施工具有較大的風(fēng)險(xiǎn)性，以實(shí)時(shí)監(jiān)控得到的塔體位移、主要受力構(gòu)件應(yīng)變等數(shù)據(jù)作為目標(biāo)值，通過反演分析不斷修正鉆孔臨界線、鉆孔數(shù)量、出土量、孔間距等參數(shù)，預(yù)測回傾速率和方向，這種全過程控制的方法可降低結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)、削弱潛在風(fēng)險(xiǎn)，值得重視。