某古塔地基不均匀沉降实例分析

王 刚

(煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030001)



某古塔地基不均匀沉降实例分析

王 刚

(煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030001)

以潞城某宋代古塔地基沉降为例，分析了湿陷性黄土地基在浸水工况下土体工程特性变化程度，通过直接剪切、无侧限抗压强度、压缩等室内土工试验，探讨了土体在天然湿度及增湿后强度指标、压缩性指标的变化规律，得出了古建筑地基沉降的原因。

古建筑，湿陷性黄土，增湿效应，不均匀沉降

1 概述

某寺庙坐落于山西潞城市东部的凤凰山顶，东北侧临浊漳河，西南侧瞰辛安村，地势高貌，殿堂巍峨，宝塔高耸，地处黎城、潞城、平顺三地交界，是古今交通要塞的标志性景观；并于2001年6月25日被国务院批准公布为第五批全国重点文物保护单位。

幽幽古寺屹立在凤凰之巅，历经千年，在风、雨、地震等自然营力和近年来人为破坏下，已是满目苍痍；石砌高台树木杂草丛生，局部塌落，围墙断裂下沉，地面铺装损害严重，自然排流方式基本阻塞，整体排水不畅。寺内重要文物青龙宝塔建于宋代，目前塔身倾斜，西北角台基变形下沉、局部墙体出现倾斜开裂。

实测宝塔塔身高度达到21.36 m，向东北方向倾斜，向北倾斜值约为2°，向东倾斜值约为1°；古塔西北角基础较东南角基础的沉降差为17.2 cm，地基倾斜变形值达0.049。依据相关规范，高耸结构基础的倾斜(20 m≤Hg≤50 m)地基变形允许值为0.006，现状已远超出规范限制。

2 工程地质条件

2.1 自然地理条件

潞城地处山西省东南部，太行山西麓，上党盆地东北边缘；该寺庙所属区域地貌单元为潞城黄土丘陵区，寺庙建于山丘之上，居高临下。当地属中温带大陆性气候，四季分明，冬长夏短，雨热同季，季风强盛。全年平均日照为2 477.3 h，日照百分率为56%。地表水资源主要来源于天然降水量，多年平均降水量521.9 mm。

2.2 地质构造

潞城地处燕山运动太行山复式背斜隆起带，曾经历新生代构造活动的格局，形成潞城市地势南北高，西南与东部低的岩溶地貌景观。本区域内无全新活动断裂和不良地质发育。

2.3 古塔结构形式

青龙宝塔为阁式砖塔，八角形，七级。宝塔底层原设回廊(已毁)。底层设二门二窗，塔身逐级降低，2层～4层设二窗，5层以上不设窗，塔内3层以下为空心，不可攀登。其基础形式类似于现代毛石基础，宽1.0 m左右，埋深0.5 m左右，采用天然地基。

2.4 地层岩性

为查明青龙宝塔地基土的特性，在其基础周边布置了若干探井；根据勘探揭露的地层情况结合区域地质资料，场地勘察深度范围内的地基土按照沉积时代、成因类型划分，自上而下为第四纪晚更新世冲洪积层多沉积韵律轮回、侏罗纪上侏罗世沉积岩，岩性以黄土状粉土、卵石、黄土状粉土、砂岩为主。各层土的厚度分布及土体工程特性指标见表1。

表1 场地各土层天然状态下物理、力学指标统计表

①层黄土状粉土层厚均匀，带有轻微湿陷性，作为古塔天然地基的直接持力层，基底以下层厚约0.5 m；②层卵石骨架粒径介于2 cm～10 cm，充填物以砾砂为主，颗粒级配较好，中密～密实状态，模量高，厚度小，压缩性低，本文不考虑其对地基变形的影响；③层黄土状粉土厚度大，具有轻微～中等湿陷性，对地基变形值产生决定性影响。勘察时间为当地少雨季节，在勘察深度范围内未见初见水位及稳定水位，但西北角低洼地带地基土的含水量明显高于其余地段6%以上。

2.5 地震

潞城市抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值0.10g，设计地震分组为第二组；该场地类别为Ⅱ类，特征周期值0.40 s；近几十年来，该区域未有强度超过6.0级地震记录。

3 增湿条件下地基土工程特性指标的变化

勘探点位于青龙宝塔基础外侧，试验测得①层，③层黄土状粉土含水量介于5.7%～11.8%，分析含水量偏小的主要原因为勘察期间为旱季无雨，现场实测宝塔室外地坪标高明显低于周边0.1 m～0.3 m，宜在雨季积水。根据对以往大量建筑地基调查，建筑物周边长期积水可使基础下的地基土中含水量增大5%～7%，且难以蒸发转移。则对于本工程基础下地基土中含水量可达到14%～20%，故考虑地基土的增湿效应来验算地基土强度及变形。

3.1 地基土增湿后对室内试验抗剪强度指标的影响

①层，③层黄土状粉土天然含水量介于5.7%～11.8%，塑限含水量分别为15.8%，16.0%，将上述两层土含水量增湿至20%～22%，分别进行室内直接剪切试验，则抗剪强度值在增湿前后对比如下：①层土：天然湿度条件下ck=40 kPa，φk=25°；增湿条件下cw=8 kPa，φwk=15°。③层土：天然湿度条件下ck=45 kPa，φk=30°；增湿条件下cw=5 kPa，φwk=18°。

①层，③层黄土状粉土在天然湿度条件下的抗剪强度试验，土的饱和度大多在16.5%～25.3%；而增湿条件下土的饱和度控制在70%左右，也反映出了与实际工程地质条件较吻合的浸湿效应。

为了对比研究地基土在天然状态与增湿条件下强度指标的变化，湿陷性黄土评价时经常采用综合强度值来表述水对强度的敏感性，综合强度S=tanφ+0.01C，式中C值单位为kPa，以此对比同类土在增湿前后的强度变化。

试验数据表明①层土C值降低率达到[(40-8)/40×100%]=80.0%，③层土C值降低[(45-5)/45×100%]=88.9%，①层，③层黄土状粉土含水量增加时，土体强度明显降低，增湿使土的粘聚力值发生显著降低；当降低率大于52%时，就属于强增湿敏感性土。

3.2 地基土增湿后对无侧限抗压强度指标的影响

无侧限抗压强度是反映土体结构强度、黄土状土固结粘聚力的有效试验。原状土样的无侧限抗压强度值qu与重塑土样在增湿条件下的无侧限抗压强度值qwu如下：①层土：天然湿度条件下qu=60.0 kPa；增湿条件下qwu=14.0 kPa。③层土：天然湿度条件下qu=55.0 kPa；增湿条件下qwu=11.0 kPa。

试验数据表明：①层、③层黄土状粉土含水量由天然状态增加到20%左右时，无侧限抗压强度值可降低了77%～81%。有学者曾对潞城黄土的土质进行了微观研究，发现Q3黄土的可溶盐含量较少，小于600 mg/kg，而且其中的中溶、难溶盐含量水平总体上低于陕北、晋西、陇东甚至低于关中地区，说明该区域黄土结构性作用弱。

3.3 地基土增湿后对压缩性指标的影响

室内压缩试验将①层、③层黄土状粉土含水量增湿至20%～22%，所施加的最大垂直压力为200 kPa时，压缩模量值增湿前后对比如下：①层土：天然湿度条件下Es=9.0 MPa；增湿条件下Ews=6.0 MPa。③层土：天然湿度条件下Es=16.0 MPa；增湿条件下Ews=11.0 MPa。

①层、③层黄土状粉土在增湿前、后压缩系数变化比用ηa表示，试验数据表明：ηa=1.36～2.13，增湿使原状土样的压缩性明显增大，接近或超过2.0倍，使得低压缩性转化为中偏高压缩性，可见增湿效应对该区域黄土状粉土的压缩性状与强度性状有相似的敏感效应。

4 青龙宝塔不均匀沉降原因分析

根据实测结果和现场调查，古塔的倾斜和地基不均匀沉降是由于局部地质环境变化导致地基土性状改变促使二次沉降所造成的，究其原因，本文认为有以下几点：

1)地层结构特点。建筑物基底以下的主要压缩层①层、③层黄土状粉土结构性弱，具有轻微～中等湿陷性，垂直节理发育，垂直向渗透系数大于水平向，现场地表水排水不畅，极易下渗，而②层卵石充填物以砾砂为主，属于强透水层，地表水会直接下渗到③层粉土，该地层结构极易使地基土遭受完全浸水工况。

2)降雨积水对地基土工程特性的影响。本区湿陷性黄土对水分的敏感性高，当黄土的天然含水量低于塑限时，水分变化对强度的影响大。通过对比天然状态及增湿条件下地基土强度指标、压缩性指标，增湿条件下地基土抗剪强度降低了87.5%，无侧限抗压强度降低77%～81.9%，压缩系数增高1.5倍～2.0倍。证实了地基土对水的敏感性，以及水对土的强度和变形形状影响明显。

3)人为破坏。在近几十年间古建筑物周边遭到了极大的人为破坏，排水沟阻塞等改变了原有的地质环境，破坏了原有的平衡，导致目前塔身东北侧局部地段变成低洼地段，致使雨后地表水大量聚集于此处，无法顺畅快速排泄，地表水通过土体的垂直孔隙渗透入地基土，软化地基土。从土力学的角度分析，西北角地基土在浸水增湿的工况下，土体内摩擦角、粘聚力、压缩模量和承载力都会急剧下降，在上部荷载的作用下，地基土再次变形(沉降)；导致地基土产生不均匀沉降，表现出塔身倾斜和墙体开裂。

5 结语

潞城Q3湿陷性黄土地基在浸水工况下，地基土强度可下降70%以上，完全改变了岩土体原有的特性，也直接导致了千年古建筑地基变形值远超建筑结构的适应能力，产生病害。

[1] GB 50007—2011，建筑地基基础设计规范[S].

[2] GB 50021—2001，岩土工程勘察规范[S].

[3] GB 50025—2004，湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[4] 关文章.湿陷性黄土工程性能新篇[M].西安：西安交大出版社，1992.

[5] 黄熙龄，秦宝玖.地基基础的设计与计算[M].北京：建工出版社，1981.

Analysis on uneven settlement instance of a ancient tower foundation

Wang Gang

(Coal Industry Taiyuan Design and Research Institute, Taiyuan 030001, China)

Taking the foundation settlement of a ancient tower foundation in Lucheng for example, this paper analyzed the variations of soil engineering characteristics of collapsible loess foundation under submerged conditions, through the directly shear, unconfined compression strength, compression and other indoor geotechnical experiment, discussed the change rule of strength index, compressibility index of soil after natural moisture meter humidification, gained the ancient building foundation settlement causes.

ancient building, collapsible loess, humidification effect, uneven settlement

1009-6825(2016)12-0071-03

2016-02-18

王 刚(1987- )，男，助理工程师

TU470

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