倾斜砖石古塔纠偏方法研究

张贤双李 战

(1.陕西普宁工程结构特种技术有限公司，陕西西安 710049; 2.陕西省华阴市西岳庙文物管理处，陕西渭南 714200)

倾斜砖石古塔纠偏方法研究

张贤双1李 战2

(1.陕西普宁工程结构特种技术有限公司，陕西西安 710049; 2.陕西省华阴市西岳庙文物管理处，陕西渭南 714200)

结合西安市万寿塔纠偏加固工程实例，研究了湿陷性黄土地基砖石古塔的倾斜灾害成因及纠偏方法，并利用有限元软件，对纠偏效果进行了验证，结果表明，不均匀沉降是湿陷性黄土地基砖石古塔建筑出现倾斜的主要成因;塔体倾斜后，其不稳定性显著增加;抽土迫降法对既有倾斜古塔的纠偏效果显著。

砖石古建筑，湿陷性黄土，稳定性，纠偏方法

中国作为四大文明古国之一，其历史遗迹和名胜古迹享誉全球［1-4］。作为最为重要的历史遗迹——古塔，其往往在长期的自然和人为作用下发生不同程度损伤，给中国古代历史文明研究带来无法估量的损失［3，4］。砖石古塔是世界古塔中的重要代表，与现代建筑相比，其整体性和稳定性均较差。西安是古丝绸之路的起点，其承载古代中国与其他国家文化交流的中心枢纽作用，该地区存在大量砖石结构古塔建筑。由于该地区地质条件属于典型湿陷性黄土，故该地区砖石古塔较易发生倾斜，进而引起坍塌。

古塔纠偏技术是挽救古塔破坏的有效手段［5，6］。然而，当地质条件和古塔保存状况均存在差异时，纠偏技术便成为较难解决的工程难题。目前，针对砖石结构古塔建筑的纠偏工程较少，可借鉴的工程技术经验尚不多见。因此，如何对现有砖石古塔建筑进行完好保护以及怎样对已发生倾斜古塔进行纠偏，是文物工作者和土木工程技术人员所面对的严峻课题。本文结合西安市万寿古塔的纠偏加固工程，针对湿陷性黄土地区古塔建筑的倾斜灾害成因及纠偏措施进行分析研究，旨在为砖石结构古塔建筑的纠偏加固提供一定理论支持。

1 工程背景

万寿寺藏经塔俗称万寿寺塔，寺址相传为唐代“章敬寺”的旧址，距今已有三百余年历史，万寿寺古塔为砌体结构，由粘土烧结青砖砌筑，黄泥石灰抹缝。该塔高度为23.4 m，塔身呈等边六角形。塔底座与转角均为石基，支撑采用砖石固端约束。该塔塔身出现向西北侧的倾斜，且塔顶最大偏移量大于2 000 mm，如图1所示。

图1 塔身倾斜状况

该塔塔体尺寸见表1。

自2008年起，文物部门开始对塔基进行沉降监测，沉降观测布点及沉降结果见图2和图3。

由图3可知，2011年以前，塔体沉降量可忽略不计。由于2011年本地区降雨量较往年明显增大，故塔体于该年5月份发生较为明显的沉降变形，致使塔身向西北方向倾斜。随着变形累积，该方向倾斜量随时间持续增大。

表1 塔体各层形状尺寸状况

图2 沉降监测点布置

2 塔体应力应变分析

2.1 模型建立

为了解万寿塔发生倾斜后的应力应变特征，本节采用ANSYS软件对其进行数值分析。由于该塔属于重点保护文物，无法通过力学试验获得其物理力学参数。基于该塔与小雁塔属于同时期古建筑，故其单元参数参考小雁塔数值分析模型［5］。青砖规格采用MU15型号;砂浆层采用M1;材料泊松比采用0.15;青砖密度为1 900 kg/m3;考虑砖石年代久远，故其弹性模量E=1 076 MPa;单元类型为三维实体单元Solide92;约束条件为底部固端约束。有限元模型见图4。

2.2 剪应力分析

通过上述分析建立万寿古塔的有限元模型，该模型只考虑自重作用下的静力分析。通过有限元计算，得到该塔的数值分析结果。

古塔作为塔式建筑的代表，当其发生倾斜后，其极易沿中轴线发生劈裂破坏，且塔体的剪应力较为明显。另外，塔身XY方向的剪应力最大值出现在塔筒中心位置处且最大应力值为68 kPa，该值小于塔体抗剪强度;XZ方向和YZ方向的剪应力最大值均出现在塔筒与塔拱连接处，最大应力值分别为22 kPa和20 kPa，且该组值分别大于塔体极限抗剪强度和抗剪强度。由此可见，该塔塔身薄弱部位位于塔筒位置，且在倾斜状态引起的剪应力作用下极易发生沿中轴线的劈裂破坏。

3 工程实例

图3 塔基沉降量

3.1 抽土纠偏原理

抽土迫降纠偏是通过对基底范围内开设孔洞，降低影响范围内地基表面承载能力而实现的。当基底下方特定深度开挖孔洞时，其在上部荷载作用下发生应力集中，挖空部位的应力扩散。当应力扩散范围内应力值大于土体抗压强度后，该范围内的地基发生沉降，以此引起建筑物达到局部下沉效果。由此可见，抽土孔范围内地基沉降量主要取决于土孔大小及其应力应变状况。对于抽土迫降实现建筑纠偏的相关研究目前仍较少。然而，随着倾斜建筑纠偏工程的快速增加，为满足实际工程的要求，需要对抽土迫降纠偏方法进行更为深入全面的研究。

3.2 施工方案及纠偏效果

抽土孔布置方式是抽土法纠偏倾斜建筑的主要内容。通常情况下，建筑物的倾斜方式分为两种，即单向倾斜和双向倾斜。对于单向倾斜而言，可通过控制土孔量和深度对建筑物进行纠偏;而对于双向倾斜而言，倾斜建筑物则需调整土孔深度以及不同区域内土孔密度进行纠偏。结合本工程建筑物的倾斜方式，纠偏方案采用调整土孔深度和密度的方式。本次万寿古塔采用倾斜背侧设置4排土孔进行纠偏，且土孔密度随距离塔底距离增加而减小，减小幅度为100 mm/排，如图5所示。另外，本工程中土孔直径设置为65 mm，抽土孔方向为沿垂直方向夹角80°。同时，应确保塔基沉降侧既有变形量保持稳定，且纠偏过程中，大沉降侧的旋转位移不可引起新沉降的产生。本工程中，规定万寿塔塔基底部较小沉降一侧的下沉量为ΔS，则抽土深度从ΔS递减为零，ΔS为三角形分布。

图4 古塔数值模型

图5 抽土孔布置图

通过抽土迫降法纠偏，万寿塔顶部的倾斜量减小为0.04 m，且该值仍在不断减小。由此可见，抽土迫降方法对湿陷性黄土地区既有倾斜砖石结构古塔的纠偏效果较为显著。

4 结语

通过对湿陷性黄土地区砖石结构古塔建筑的倾斜灾害分析，结合抽土迫降法在实际纠偏工程的应用，可以得到以下结论: 1)湿陷性黄土地区砖石古塔的倾斜灾害成因较为复杂，主要由于地基湿陷所造成的不均匀沉降引起。2)剪应力可造成倾斜古塔塔身沿中轴线发生劈裂破坏，且塔体中筒属于整个结构的薄弱部位。3)抽土迫降法对古塔纠偏作用明显，且该作用随纠偏作用的持续不断显著。

［1］ 张 炜，徐 磊.陕西省古塔现状调查研究［J］.文博，2012 (2):64-67.

［2］ 王运栋.掏土纠倾法作用机理的分析研究［D］.北京:北京交通大学，2009.

［3］ 阮仪三，林 林.文化遗产保护的原真性原则［J］.同济大学学报(自然科学版)，2003，14(2):1-5.

［4］ 陈 平，赵 冬.眉县净光寺塔纠偏工程［J］.西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2003，35(1):44-47.

［5］ 卢俊龙.湿陷性黄土地区砖石古塔纠偏技术研究［D］.西安:西安建筑科技大学，2005.

［6］ 龚士良.意大利比萨斜塔纠偏工程简介［J］.上海地质，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

张贤双(1967-)，男，工程师