黃土地區(qū)古塔地基勘察要點(diǎn)與主要病害成因

蔡懷恩 張繼文 劉 帥 張 鵬 李 岸

（機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710043）

0 引言

塔來(lái)源于佛教，而佛教誕生于印度，其塔類建筑也是從印度隨著佛教而傳遍世界[1]。中國(guó)古塔具有重要的文物、旅游和科研價(jià)值。我國(guó)山西、陜西、甘肅及河南等地發(fā)育有濕陷性黃土，這些區(qū)域現(xiàn)存了大量的古塔，古塔因修建時(shí)對(duì)地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)有限，當(dāng)時(shí)的設(shè)備和工藝達(dá)不到現(xiàn)代的水平，地基處理的方式有限，地基處理的效果也不能達(dá)到對(duì)塔體永久承載能力，地基受水浸濕時(shí)黃土發(fā)生濕陷變形、塔體發(fā)生傾斜，威脅塔體的安全，不利于塔體的保護(hù)。本文在對(duì)古塔的結(jié)構(gòu)特征簡(jiǎn)要分析的基礎(chǔ)上，探討了濕陷性黃土地區(qū)古塔保護(hù)及維修加固的勘察過(guò)程與方法、勘察評(píng)價(jià)、病害特征及發(fā)生過(guò)程、主要巖土病害成因及保護(hù)措施建議等，為濕陷性黃土地區(qū)古塔的保護(hù)提供借鑒。

1 古塔的特征

（1）高聳結(jié)構(gòu)、高寬比大

古塔的高度相對(duì)較大，基礎(chǔ)面積相對(duì)較?。ㄒ?jiàn)表1）。

表1 塔的高度、平面形狀[2-19]及高寬比

（2）荷載相對(duì)較大

中國(guó)古塔高度相對(duì)較大、基礎(chǔ)底面積相對(duì)較小、單位面積的荷重相對(duì)較大。西安市萬(wàn)壽寺塔在修建初期的基礎(chǔ)底面荷載約220 kPa[19]；寶雞眉縣凈光寺塔基礎(chǔ)底面荷載約300 kPa[2]。

（3）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一般、基礎(chǔ)構(gòu)造相對(duì)較簡(jiǎn)單

中國(guó)古塔按建筑材料分有土塔、木塔、磚塔、磚木混合塔、石塔、磚石混合塔、鐵塔[3]。而木質(zhì)結(jié)構(gòu)不宜保留，現(xiàn)存很少，鐵質(zhì)結(jié)構(gòu)也較少，現(xiàn)存的塔多為磚塔、磚木混合塔及磚石混合塔，磚與磚之間泥土抹縫粘結(jié)，相對(duì)于現(xiàn)代的水泥砂漿抹縫的砌體和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，古塔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一般。

古塔的基礎(chǔ)一般采用磚或條石砌筑而成，有些塔的基礎(chǔ)有一定的放大或外擴(kuò)，有些塔的基礎(chǔ)沒(méi)有放大或外擴(kuò)，相對(duì)于現(xiàn)代建筑，其基礎(chǔ)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單[6,18,20]。

（4）自底層向上，截面逐漸減小

大部分塔體形狀為錐形體，自底層向上截面逐漸減?。ㄒ?jiàn)表2）。

表2 塔體的底層邊長(zhǎng)與頂層邊長(zhǎng)[9,10,13,16]對(duì)比表

（5）平面形狀特殊

現(xiàn)代建筑長(zhǎng)方形者居多，而古塔八邊形、六邊形、正方形者居多[6]，陜西省現(xiàn)存29 個(gè)宋朝古塔，八邊形12 個(gè)、六邊形5 個(gè)，正方形12 個(gè)[4]。

（6）建設(shè)年代久遠(yuǎn)

隋唐時(shí)期的塔距今1000 多年、明朝時(shí)期的塔已超過(guò)300年，清朝的古塔已超過(guò)100年[6]。

2 古塔的地基勘察

2.1 勘察方法、手段及評(píng)價(jià)的特殊性

古塔的地基勘察屬于文物病害的巖土工程勘察，在勘察目的、原則、手段和方法、勘察重點(diǎn)、結(jié)論分析等方面與傳統(tǒng)工程勘察項(xiàng)目有很大區(qū)別?？辈斓哪康牟坏M(jìn)行塔體地基的現(xiàn)狀分析，還要進(jìn)行地基變形的病害診斷，為塔體加固的設(shè)計(jì)、施工等提出安全可行的建議，在整個(gè)勘察過(guò)程中必須貫徹文物意識(shí)，達(dá)到勘察目的的同時(shí)又不能對(duì)塔體地基進(jìn)行進(jìn)一步的損壞。

2.2 勘察的方法與手段

（1）已有資料的收集

收集塔體的歷史、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、已有的維修記錄、變形觀測(cè)資料、區(qū)域地質(zhì)資料、塔體周邊其他項(xiàng)目的工程地質(zhì)資料等。

（2）環(huán)境地質(zhì)調(diào)查

塔體的地基變形與區(qū)域地質(zhì)環(huán)境（地形地貌、地層、地質(zhì)構(gòu)造、地下水）密切相關(guān)，周邊的環(huán)境變化往往加劇地基的變形。在地勢(shì)平坦區(qū)域及斜坡區(qū)域其調(diào)查的范圍、調(diào)查的主要內(nèi)容及關(guān)注點(diǎn)見(jiàn)表3。

表3 環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的主要內(nèi)容

（3）塔體的特征及病害特征調(diào)查

塔體（文物本體）的特征包括其高度、平面形狀及尺寸、基礎(chǔ)類型及尺寸、建造歷史、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征。

病害特征包括塔體裂縫（位置、長(zhǎng)度、寬度、走向、形成時(shí)間及發(fā)展過(guò)程）、塔體傾斜（傾斜的時(shí)間、發(fā)展過(guò)程及發(fā)展規(guī)律）、地基基礎(chǔ)變形（發(fā)生時(shí)間、發(fā)展過(guò)程及變形特征）。

（4）工程物探（地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)）

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)作為一種無(wú)損探測(cè)手段在文物病害的巖土工程勘察方面得到了較為廣泛地應(yīng)用，用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)地面以下的空洞、不密實(shí)土體等進(jìn)行探測(cè)，了解空洞、不密實(shí)土體的平面及縱向分布特征[21]。

（5）人工洛陽(yáng)鏟探測(cè)

人工洛陽(yáng)鏟探測(cè)孔口徑小，相對(duì)于鉆探設(shè)備、探井、探槽所需的操作空間較小，較易實(shí)現(xiàn)，可探測(cè)地面下10 m 深度范圍內(nèi)的土質(zhì)堅(jiān)硬程度、是否存在空洞以及采取擾動(dòng)土樣進(jìn)行含水率測(cè)試等。

（6）探槽、探井、鉆探

探槽較為直觀，能更清楚地了解地基處理的深度、厚度、外擴(kuò)范圍及處理效果等，探槽一般垂直于塔基底座，寬度0.6～0.8 m，長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)可操作的空間及揭露的巖土體特征確定，深度一般1.5～2.0 m。

探井采用人工開挖，相對(duì)鉆探，所需空間相對(duì)小一點(diǎn)，可清晰直觀地反映塔體周圍地面以下淺部土層的宏觀及微觀特征，同時(shí)可采取不擾動(dòng)土樣，一般在塔體周圍開挖探井，探井直徑約0.6 m，深度根據(jù)安全及開挖遇到的土質(zhì)情況確定，最大深度一般不超過(guò)12 m。

鉆探為巖土工程勘察的常用手段，但常受古塔周圍建筑或搶險(xiǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，沒(méi)有操作空間。當(dāng)操作空間具備時(shí)，可在塔體周圍開展鉆探工作，采取土樣，查明周圍的巖土體特征。

（7）室內(nèi)試驗(yàn)

對(duì)采取的不擾動(dòng)土樣和擾動(dòng)土樣進(jìn)行土體的基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)、濕陷性相關(guān)測(cè)試、擊實(shí)試驗(yàn)。

（8）資料的綜合分析

塔體的維修加固（保護(hù)）的巖土工程勘察是一個(gè)多學(xué)科、多種方法相融合的綜合工作，需在深入了解塔體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造的基礎(chǔ)上綜合分析其病害特征及形成發(fā)展變化過(guò)程、地基土的巖土工程性質(zhì)，采用排除法、工程地質(zhì)類比法等分析病害的成因，為維修加固提出安全、經(jīng)濟(jì)、合理、可實(shí)施的措施建議。

2.3 勘察工作實(shí)施過(guò)程

古塔維修加固的勘察可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件分步驟實(shí)施或一次性實(shí)施完成，如西安萬(wàn)壽寺塔急劇傾斜后的本體保護(hù)勘察時(shí)，因搶險(xiǎn)加固鋼構(gòu)的影響，不具備開挖探井、探槽的操作空間，先期進(jìn)行了資料收集、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、人工洛陽(yáng)鏟探測(cè)、擾動(dòng)土樣的含水率測(cè)試和資料的初步分析，為加固設(shè)計(jì)及論證提供了初步資料，后期條件具備后開挖了探井、探槽，獲取更詳細(xì)的資料，對(duì)資料全面分析后提交勘察報(bào)告。

2.4 勘察評(píng)價(jià)應(yīng)分析的主要內(nèi)容

（1）塔體的病害特征

主要為病害的現(xiàn)狀特征、形成和發(fā)展過(guò)程。

（2）塔體所在地的區(qū)域地質(zhì)特征

主要包括區(qū)域地形地貌、區(qū)域地層巖性、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、區(qū)域地下水及其變化等方面。

（3）塔體的基礎(chǔ)及人工地基處理特征

主要包括塔體的基礎(chǔ)埋深、基礎(chǔ)形式、基礎(chǔ)外放，原地基處理的厚度、范圍及處理效果。

（4）塔體下天然土層的巖土性質(zhì)

主要包括塔體下天然土層的物理力學(xué)性質(zhì)、壓縮性、濕陷性等。

（5）塔體病害的成因

在對(duì)塔體的病害的現(xiàn)狀特征、形成及發(fā)生發(fā)展過(guò)程、區(qū)域地質(zhì)特征、塔體的基礎(chǔ)及人工地基處理特征、塔體下天然土層的巖土性質(zhì)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上對(duì)塔體病害的成因進(jìn)行分析。

（6）維修加固（保護(hù)）措施建議及應(yīng)注意的問(wèn)題

根據(jù)病害的特征、塔體人工地基處理及天然土層的巖土性質(zhì)提出維修加固措施建議及應(yīng)注意的問(wèn)題。

3 病害特征及地基變形特征

3.1 塔體的主要巖土病害

塔體的主要巖土病害有塔體裂縫及塔體傾斜[6,10,12-13,22]，塔體裂縫與塔體傾斜除地震影響外，大部分由地基變形引起。

3.2 地基變形特征

濕陷性黃土地區(qū)古塔的地基變形有兩大特征：一為長(zhǎng)期的緩慢變形、二為地基發(fā)生突發(fā)變形。

（1）長(zhǎng)期的緩慢變形

古塔有“十塔九斜”之說(shuō)，濕陷性黃土地區(qū)的古塔也有類似特征。塔體的傾斜與地基長(zhǎng)期的緩慢變形有關(guān)，西安市萬(wàn)壽寺塔在急劇傾斜前已發(fā)生傾斜，塔頂偏離中心線約1.2 m[6,8,10,12,14,19]；西安市大雁塔在1996年塔頂偏離中心線達(dá)1.01 m[6]，寶雞眉縣凈光寺塔1998 塔頂偏離中心線1.7 m[2,15]。

（2）突發(fā)變形

因濕陷性黃土在地基受水浸濕后承載力急劇降低及塔體的特殊結(jié)構(gòu)，致使塔體地基變形也有一定的突發(fā)性和急劇性，西安市萬(wàn)壽寺塔在2011年5月28日以前已發(fā)生變形，但變形速率很小，2011年5月28日后發(fā)生突發(fā)性的急劇變形[8,12,14,19]。

4 病害成因

4.1 塔體下原地基處理效果一般

黃土地區(qū)古塔的地基處理一般采用黃土夯筑而成，由于當(dāng)時(shí)對(duì)地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)、施工設(shè)備及施工工藝的限制，夯土的均勻性差，地基處理效果與現(xiàn)代技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求相比存在較大差距。

4.2 地基承載力不能滿足上部荷載要求

黃土地區(qū)塔體下的天然土層主要為黃土，黃土具有大孔隙、強(qiáng)濕陷、高壓縮性，在含水量較低時(shí)承載力較高、含水量增加時(shí)承載力降低等特征。古塔因其塔高、塔基面積小而使基礎(chǔ)底面以下的荷載較大，如西安市大雁塔、渭南合陽(yáng)縣大象寺塔基礎(chǔ)底面荷載超過(guò)500 kPa[13]，寶雞眉縣凈光寺塔基礎(chǔ)底面荷載約300 kPa[15]，西安市萬(wàn)壽寺塔在修建初期的基礎(chǔ)底面荷載約220 kPa[19]。黃土在含水量較低時(shí)其承載力特征值約200～260 kPa，受水浸濕時(shí)發(fā)生急劇的增濕變形（見(jiàn)圖1AB 段）[19,23]，其承載力特征值僅100～150 kPa，即受水浸濕前荷載超過(guò)了承載力特征值，還未達(dá)到其承載力極限值，受水浸濕后承載力迅速降低，荷載已超過(guò)了承載力極限值，地基發(fā)生突發(fā)變形。

圖1 地基土變形過(guò)程示意圖

4.3 不均勻沉降形成偏心荷載、重心偏移、局部荷載增加

塔體未發(fā)生傾斜前，地基土受力基本均勻，發(fā)生傾斜時(shí)，重心向沉降大的一側(cè)偏移形成偏心荷載[7,10,13,16,18-19,24-25]，而沉降最大的一側(cè)地基受到的偏心荷載逐漸增加-地基不均勻變形逐漸增加-偏心荷載進(jìn)一步逐漸增加-地基不均勻變形進(jìn)一步加劇，偏心荷載和不均勻變形相互影響、相互促進(jìn)。

4.4 邊坡的蠕滑變形及人類工程活動(dòng)影響

位于斜坡坡頂或斜坡上的古塔，因自然因素或人類工程活動(dòng)（削坡、修建窯洞等）使塔基及周圍土體產(chǎn)生蠕滑變形而使塔體發(fā)生傾斜；位于平坦區(qū)域的古塔，地下墓室或其他洞室的坍塌及積水浸泡塔基使塔體發(fā)生傾斜，地面工程建設(shè)改變其排水條件塔基周圍地面積水滲入塔基使塔體發(fā)生傾斜。

西安長(zhǎng)安區(qū)華嚴(yán)寺塔位于少陵塬斜坡上，坡體的蠕滑變形使塔體周圍地面上產(chǎn)生多條裂縫，塔體發(fā)生傾斜；西安長(zhǎng)安區(qū)興教寺塔位于少陵塬邊，塔基附近修建窯洞及坡體的蠕滑變形使塔體發(fā)生不均勻沉降，塔體傾斜；西安市萬(wàn)壽寺塔位于西光中學(xué)校園內(nèi)，雖塔體周圍地面平坦，但塔體周圍地面以下有防空洞及墓室，防空洞及墓室的剝落坍塌，使降水灌入墓室及防空洞中浸泡地基，水分向塔基下黃土中入滲使黃土發(fā)生濕陷變形。

4.5 大面積地面不均勻沉降

平原區(qū)長(zhǎng)期過(guò)量抽取地下水形成降水漏斗引發(fā)了大面積的地面不均勻沉降，這些區(qū)域的古塔因地面不均勻沉降使塔基發(fā)生不均勻變形，塔體傾斜。西安市大雁塔周邊在20世紀(jì)60年代-80年代過(guò)量開采地下水，深層孔隙承壓水的水位下降了50～80 m，塔體周圍地面發(fā)生了大面積的地面沉降，地面向北傾斜，塔體向北傾斜[7]。

5 古塔的保護(hù)措施建議

（1）古塔地質(zhì)條件普查。對(duì)古塔的區(qū)域地質(zhì)、巖土體、地基、結(jié)構(gòu)、建造歷史等特征進(jìn)行普查，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）定期監(jiān)測(cè)與健康檢查。對(duì)古塔進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，建立自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，定期研判，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)應(yīng)對(duì)。

（3）加強(qiáng)防排水。排水不暢會(huì)使地表水滲入地下引發(fā)黃土濕陷變形，塔基發(fā)生不均勻沉降，在塔體周圍進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，不宜對(duì)塔體周圍地面形成低洼積水區(qū)，保證塔體周圍地面排水暢通。

（4）塔體周圍的地下洞室（墓道）應(yīng)采取相應(yīng)的措施，防止剝落坍塌和洞室內(nèi)積水，必要時(shí)對(duì)地下洞室（墓道）進(jìn)行封堵、夯實(shí)填埋。

（5）斜坡坡頂或斜坡上的古塔，采取有效措施防止坡體發(fā)生蠕滑變形，有蠕滑變形跡象時(shí)應(yīng)立即采取措施對(duì)斜坡進(jìn)行治理。

（6）因抽水引起的大面積地面沉降產(chǎn)生的塔體傾斜，應(yīng)控制地下水的開采，讓地下水保持在一個(gè)穩(wěn)定的水位。

6 結(jié)論及建議

（1）古塔地基勘察應(yīng)采用資料收集、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、物探、鉆探、井探、槽探及室內(nèi)試驗(yàn)等相結(jié)合的綜合勘察手段，在獲得滿足病害成因評(píng)價(jià)基礎(chǔ)資料的同時(shí)避免對(duì)塔體地基的過(guò)大損壞。

（2）古塔地基勘察除查明地基土物理力學(xué)性質(zhì)外，還應(yīng)查明塔體的病害特征、基礎(chǔ)類型、原地基處理方式與效果，分析病害成因，提出維修加固（保護(hù)）措施建議。

（3）塔基下地基處理效果與現(xiàn)代技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求相比存在較大差距、天然土層的性質(zhì)及承載力不能很好地滿足古塔荷載要求是濕陷性黃土地區(qū)古塔傾斜及地基變形的常見(jiàn)原因，地基受水浸濕加劇了地基變形。

（4）加強(qiáng)防排水、加固周圍地下洞室、治理影響塔體地基穩(wěn)定的斜坡是濕陷性黃土地區(qū)古塔保護(hù)的重要措施。