黄土地区古塔地基勘察要点与主要病害成因

2022-04-11蔡怀恩张继文

岩土工程技术 2022年2期

蔡怀恩张继文刘帅张鹏李岸

（机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043）

0 引言

塔来源于佛教，而佛教诞生于印度，其塔类建筑也是从印度随着佛教而传遍世界[1]。中国古塔具有重要的文物、旅游和科研价值。我国山西、陕西、甘肃及河南等地发育有湿陷性黄土，这些区域现存了大量的古塔，古塔因修建时对地质条件的认识有限，当时的设备和工艺达不到现代的水平，地基处理的方式有限，地基处理的效果也不能达到对塔体永久承载能力，地基受水浸湿时黄土发生湿陷变形、塔体发生倾斜，威胁塔体的安全，不利于塔体的保护。本文在对古塔的结构特征简要分析的基础上，探讨了湿陷性黄土地区古塔保护及维修加固的勘察过程与方法、勘察评价、病害特征及发生过程、主要岩土病害成因及保护措施建议等，为湿陷性黄土地区古塔的保护提供借鉴。

1 古塔的特征

（1）高耸结构、高宽比大

古塔的高度相对较大，基础面积相对较小（见表1）。

表1 塔的高度、平面形状[2-19]及高宽比

（2）荷载相对较大

中国古塔高度相对较大、基础底面积相对较小、单位面积的荷重相对较大。西安市万寿寺塔在修建初期的基础底面荷载约220 kPa[19]；宝鸡眉县净光寺塔基础底面荷载约300 kPa[2]。

（3）结构强度一般、基础构造相对较简单

中国古塔按建筑材料分有土塔、木塔、砖塔、砖木混合塔、石塔、砖石混合塔、铁塔[3]。而木质结构不宜保留，现存很少，铁质结构也较少，现存的塔多为砖塔、砖木混合塔及砖石混合塔，砖与砖之间泥土抹缝粘结，相对于现代的水泥砂浆抹缝的砌体和钢筋混凝土结构，古塔的结构强度一般。

古塔的基础一般采用砖或条石砌筑而成，有些塔的基础有一定的放大或外扩，有些塔的基础没有放大或外扩，相对于现代建筑，其基础构造相对简单[6,18,20]。

（4）自底层向上，截面逐渐减小

大部分塔体形状为锥形体，自底层向上截面逐渐减小（见表2）。

表2 塔体的底层边长与顶层边长[9,10,13,16]对比表

（5）平面形状特殊

现代建筑长方形者居多，而古塔八边形、六边形、正方形者居多[6]，陕西省现存29 个宋朝古塔，八边形12 个、六边形5 个，正方形12 个[4]。

（6）建设年代久远

隋唐时期的塔距今1000 多年、明朝时期的塔已超过300年，清朝的古塔已超过100年[6]。

2 古塔的地基勘察

2.1 勘察方法、手段及评价的特殊性

古塔的地基勘察属于文物病害的岩土工程勘察，在勘察目的、原则、手段和方法、勘察重点、结论分析等方面与传统工程勘察项目有很大区别。勘察的目的不但要进行塔体地基的现状分析，还要进行地基变形的病害诊断，为塔体加固的设计、施工等提出安全可行的建议，在整个勘察过程中必须贯彻文物意识，达到勘察目的的同时又不能对塔体地基进行进一步的损坏。

2.2 勘察的方法与手段

（1）已有资料的收集

收集塔体的历史、结构构造、已有的维修记录、变形观测资料、区域地质资料、塔体周边其他项目的工程地质资料等。

（2）环境地质调查

塔体的地基变形与区域地质环境（地形地貌、地层、地质构造、地下水）密切相关，周边的环境变化往往加剧地基的变形。在地势平坦区域及斜坡区域其调查的范围、调查的主要内容及关注点见表3。

表3 环境地质调查的主要内容

（3）塔体的特征及病害特征调查

塔体（文物本体）的特征包括其高度、平面形状及尺寸、基础类型及尺寸、建造历史、结构构造特征。

病害特征包括塔体裂缝（位置、长度、宽度、走向、形成时间及发展过程）、塔体倾斜（倾斜的时间、发展过程及发展规律）、地基基础变形（发生时间、发展过程及变形特征）。

（4）工程物探（地质雷达探测）

地质雷达探测作为一种无损探测手段在文物病害的岩土工程勘察方面得到了较为广泛地应用，用地质雷达对地面以下的空洞、不密实土体等进行探测，了解空洞、不密实土体的平面及纵向分布特征[21]。

（5）人工洛阳铲探测

人工洛阳铲探测孔口径小，相对于钻探设备、探井、探槽所需的操作空间较小，较易实现，可探测地面下10 m 深度范围内的土质坚硬程度、是否存在空洞以及采取扰动土样进行含水率测试等。

（6）探槽、探井、钻探

探槽较为直观，能更清楚地了解地基处理的深度、厚度、外扩范围及处理效果等，探槽一般垂直于塔基底座，宽度0.6～0.8 m，长度根据现场可操作的空间及揭露的岩土体特征确定，深度一般1.5～2.0 m。

探井采用人工开挖，相对钻探，所需空间相对小一点，可清晰直观地反映塔体周围地面以下浅部土层的宏观及微观特征，同时可采取不扰动土样，一般在塔体周围开挖探井，探井直径约0.6 m，深度根据安全及开挖遇到的土质情况确定，最大深度一般不超过12 m。

钻探为岩土工程勘察的常用手段，但常受古塔周围建筑或抢险支护结构的影响，没有操作空间。当操作空间具备时，可在塔体周围开展钻探工作，采取土样，查明周围的岩土体特征。

（7）室内试验

对采取的不扰动土样和扰动土样进行土体的基本物理力学性质试验、湿陷性相关测试、击实试验。

（8）资料的综合分析

塔体的维修加固（保护）的岩土工程勘察是一个多学科、多种方法相融合的综合工作，需在深入了解塔体的结构构造的基础上综合分析其病害特征及形成发展变化过程、地基土的岩土工程性质，采用排除法、工程地质类比法等分析病害的成因，为维修加固提出安全、经济、合理、可实施的措施建议。

2.3 勘察工作实施过程

古塔维修加固的勘察可根据现场条件分步骤实施或一次性实施完成，如西安万寿寺塔急剧倾斜后的本体保护勘察时，因抢险加固钢构的影响，不具备开挖探井、探槽的操作空间，先期进行了资料收集、地质雷达探测、人工洛阳铲探测、扰动土样的含水率测试和资料的初步分析，为加固设计及论证提供了初步资料，后期条件具备后开挖了探井、探槽，获取更详细的资料，对资料全面分析后提交勘察报告。

2.4 勘察评价应分析的主要内容

（1）塔体的病害特征

主要为病害的现状特征、形成和发展过程。

（2）塔体所在地的区域地质特征

主要包括区域地形地貌、区域地层岩性、区域地质构造、区域地下水及其变化等方面。

（3）塔体的基础及人工地基处理特征

主要包括塔体的基础埋深、基础形式、基础外放，原地基处理的厚度、范围及处理效果。

（4）塔体下天然土层的岩土性质

主要包括塔体下天然土层的物理力学性质、压缩性、湿陷性等。

（5）塔体病害的成因

在对塔体的病害的现状特征、形成及发生发展过程、区域地质特征、塔体的基础及人工地基处理特征、塔体下天然土层的岩土性质进行综合分析的基础上对塔体病害的成因进行分析。

（6）维修加固（保护）措施建议及应注意的问题

根据病害的特征、塔体人工地基处理及天然土层的岩土性质提出维修加固措施建议及应注意的问题。

3 病害特征及地基变形特征

3.1 塔体的主要岩土病害

塔体的主要岩土病害有塔体裂缝及塔体倾斜[6,10,12-13,22]，塔体裂缝与塔体倾斜除地震影响外，大部分由地基变形引起。

3.2 地基变形特征

湿陷性黄土地区古塔的地基变形有两大特征：一为长期的缓慢变形、二为地基发生突发变形。

（1）长期的缓慢变形

古塔有“十塔九斜”之说，湿陷性黄土地区的古塔也有类似特征。塔体的倾斜与地基长期的缓慢变形有关，西安市万寿寺塔在急剧倾斜前已发生倾斜，塔顶偏离中心线约1.2 m[6,8,10,12,14,19]；西安市大雁塔在1996年塔顶偏离中心线达1.01 m[6]，宝鸡眉县净光寺塔1998 塔顶偏离中心线1.7 m[2,15]。

（2）突发变形

因湿陷性黄土在地基受水浸湿后承载力急剧降低及塔体的特殊结构，致使塔体地基变形也有一定的突发性和急剧性，西安市万寿寺塔在2011年5月28日以前已发生变形，但变形速率很小，2011年5月28日后发生突发性的急剧变形[8,12,14,19]。

4 病害成因

4.1 塔体下原地基处理效果一般

黄土地区古塔的地基处理一般采用黄土夯筑而成，由于当时对地质条件的认识、施工设备及施工工艺的限制，夯土的均匀性差，地基处理效果与现代技术标准要求相比存在较大差距。

4.2 地基承载力不能满足上部荷载要求

黄土地区塔体下的天然土层主要为黄土，黄土具有大孔隙、强湿陷、高压缩性，在含水量较低时承载力较高、含水量增加时承载力降低等特征。古塔因其塔高、塔基面积小而使基础底面以下的荷载较大，如西安市大雁塔、渭南合阳县大象寺塔基础底面荷载超过500 kPa[13]，宝鸡眉县净光寺塔基础底面荷载约300 kPa[15]，西安市万寿寺塔在修建初期的基础底面荷载约220 kPa[19]。黄土在含水量较低时其承载力特征值约200～260 kPa，受水浸湿时发生急剧的增湿变形（见图1AB 段）[19,23]，其承载力特征值仅100～150 kPa，即受水浸湿前荷载超过了承载力特征值，还未达到其承载力极限值，受水浸湿后承载力迅速降低，荷载已超过了承载力极限值，地基发生突发变形。

图1 地基土变形过程示意图

4.3 不均匀沉降形成偏心荷载、重心偏移、局部荷载增加

塔体未发生倾斜前，地基土受力基本均匀，发生倾斜时，重心向沉降大的一侧偏移形成偏心荷载[7,10,13,16,18-19,24-25]，而沉降最大的一侧地基受到的偏心荷载逐渐增加-地基不均匀变形逐渐增加-偏心荷载进一步逐渐增加-地基不均匀变形进一步加剧，偏心荷载和不均匀变形相互影响、相互促进。

4.4 边坡的蠕滑变形及人类工程活动影响

位于斜坡坡顶或斜坡上的古塔，因自然因素或人类工程活动（削坡、修建窑洞等）使塔基及周围土体产生蠕滑变形而使塔体发生倾斜；位于平坦区域的古塔，地下墓室或其他洞室的坍塌及积水浸泡塔基使塔体发生倾斜，地面工程建设改变其排水条件塔基周围地面积水渗入塔基使塔体发生倾斜。

西安长安区华严寺塔位于少陵塬斜坡上，坡体的蠕滑变形使塔体周围地面上产生多条裂缝，塔体发生倾斜；西安长安区兴教寺塔位于少陵塬边，塔基附近修建窑洞及坡体的蠕滑变形使塔体发生不均匀沉降，塔体倾斜；西安市万寿寺塔位于西光中学校园内，虽塔体周围地面平坦，但塔体周围地面以下有防空洞及墓室，防空洞及墓室的剥落坍塌，使降水灌入墓室及防空洞中浸泡地基，水分向塔基下黄土中入渗使黄土发生湿陷变形。

4.5 大面积地面不均匀沉降

平原区长期过量抽取地下水形成降水漏斗引发了大面积的地面不均匀沉降，这些区域的古塔因地面不均匀沉降使塔基发生不均匀变形，塔体倾斜。西安市大雁塔周边在20世纪60年代-80年代过量开采地下水，深层孔隙承压水的水位下降了50～80 m，塔体周围地面发生了大面积的地面沉降，地面向北倾斜，塔体向北倾斜[7]。