四川博物院馆藏东汉房形盖画像石棺结构性能及保护修复技术研究

刘 宇（四川博物院）

一 引言

中国古代丧葬文化中，棺椁制度起源非常早［1］。从文献记载及考古发现看，许多地方古代贵族的棺椁皆为木制［2］。因漫长岁月及地下环境的影响，木质棺椁难以保存。但四川地区出土的历代石棺因石质坚硬不腐，使石棺连同其上附着的图像文字都得以完整保存，成为研究丧葬制度乃至社会变迁的重要资料。四川博物院馆藏的东汉房形盖画像石棺于1957年出土于成都市北郊天回山崖墓M3［3］，石棺整体为仿木结构的木棺式样，棺盖为九脊庑殿式［4］，侧面刻有形象生动的人物、动物和建筑等浅浮雕纹饰，石棺体量大且完整，纹饰丰富精美，在同类型文物中少见。2010年，由于该石棺底部枕木年久腐烂，难以承受石棺本体的重量，导致石棺本体裂纹加深，最终完全断裂（图一、图二），严重影响了文物本体的完整性及其整体价值，亟需对其进行科学有效的研究和保护修复。

图一 画像石棺断裂情况（右侧面）

图二 画像石棺破损情况（后挡）

由于画像石棺体量大不易搬动，材质风化严重，其保护修复难度很大，尤其是修复后的文物需要能够维持自稳。目前，对画像石棺的研究主要集中在其纹饰图案、文化象征、丧葬制度等方面，对文物本体的保护技术研究较少。从文献来看，有将结构性能分析应用于大型石质文物保护技术的研究，如淳庆等采用有限元模拟分析方法对南京市明代襟湖石拱桥的结构性能进行分析，提出了适用于石拱桥的保护技术［5］；对金陵大报恩寺御碑遗址的结构进行分析，根据计算结果提出了相应的保护技术方案［6］。但目前对画像石棺这类由整块岩石凿空而成特殊中空形制的石质文物保护技术的研究较少。本次工作即以画像石棺为例，对石棺结构的保护技术展开研究，通过物理、化学分析检测和有限元模拟分析其结构性能，并对锚筋长度和排列位置进行模拟计算，在此基础上提出适合的保护方案，并以此方案为依据对石棺进行修复（图三）。

图三 修复后的画像石棺

二 病害分析

根据石棺现状分析，造成其破损的主要因素可分三大类：石材性质、环境因素和结构受力因素。具体破坏因素和破坏方式说明如下。

（一）石材性质影响

石材性质是影响其风化程度的内在决定因素。石材质量由岩石种类、孔隙率、胶结物类型等决定。四川地区雕琢造像所采用的岩石多为砂岩，结构疏松，在水的作用下胶结物易水化，使得岩石体积膨胀造成表面风化［7］。通过对石棺碎片的鉴定和化学成分分析可知，石棺材质为钙质粉砂质板岩，是沉积岩中孔隙率较大的一种，颗粒细腻，属粉砂级，质地较软，碎屑主要成分为方解石，钙质胶结物占多数，易被酸性气体侵蚀形成可溶性钙盐，造成风化。砂岩由于其形成时松散的结构和偏大的孔隙率，使得空气中的水分、有害气体及可溶盐等较易进入石材内部，造成破坏。岩石成分含量如表一。图四为扫描电镜下岩石表面的高倍照片。

表一 岩石成分（部分）含量表

图四 画像石棺岩石的松散多孔结构

（二）环境因素

环境因素主要指环境中可能对岩石造成破坏的物理和化学因素，包括温湿度、水分、可溶性盐的物态变化、大气中的污染物等。画像石棺出土以来，由于其体量大搬动不易，经历过露天、室内、半露天等多种保存环境，因此地区环境对其影响较大。而成都气候温暖潮湿，夏季多雨，季节湿度长期保持在80%以上，这种雨热条件和湿润气候下，各种物理、化学风化速度加快，水分蒸发吸收、盐分结晶潮解作用也随之增强。盐在石材微孔中结晶会产生巨大压力，结构内层的盐潮解向表面扩散时，由于界面效应，水分蒸发加快，促使盐在表面累积。长此以往，当盐分累积到一定程度，石材表面即会出现多处粉化现象，装饰图案变得模糊不清（图五）。大气中的酸性气体如硫氧化物、氮氧化物等与石材粉尘表面接触时形成气溶胶，溶蚀石质文物，使石材变成疏松甚至粉末状的物质，同时，某些化学反应之后生成的风化产物也会在原处形成坚硬壳层，甚至顽固黑垢（图六），影响文物外观。

图五 石棺表面析出的盐分（前挡）

图六 石棺表面的顽固污染物（左侧面）

（三）结构受力因素

画像石棺存在的最大问题是其结构不完整，棺底与棺壁完全分离，棺底从中断为两截，前挡和后挡中间破裂，棺壁断裂为两大块和若干小块，如图七所示。究其原因，一是长期风化及胶结物流失导致其材质强度下降，内部应力增大；二是石棺底部枕木腐朽无法承受石棺重量，同时棺体大范围重力分布不均导致棺体侧板拉应力增大，当拉应力超过岩石自身强度时，棺体断裂。目前画像石棺较严重的结构性断裂情况主要为：因抗弯强度不足出现横向水平裂隙导致石棺自身底板断裂；因抗剪强度不足出现斜裂缝和交叉斜裂缝导致横向侧板破损；因底板与侧板之间抗拉强度不足、横向侧板与纵向侧板抗剪强度不足造成两者连接处破损。

图七 石棺侧板及前、后挡断裂测绘图（虚线为断裂处）

综合以上分析结果，岩石自身风化导致性能下降是病害产生的内因，外界环境影响加快了风化进程，棺体应力发生改变则是导致病害产生的最主要原因。

三 结构性能分析

为探寻石棺断裂内因，保证修复后的稳定性，本研究采用ANSYS有限元软件对其进行分析。画像石棺修复后将恢复其原本的完整面貌，为确认石棺本体的结构安全性，为复设计提供科学依据，对画像石棺模型进行了有限元模拟分析。采用商用有限元软件ANSYS建立有限元模型，由于石棺原材料取自同一块岩石，故建模时将其定义为各向同性连续均质材料，几何外观尺寸按现场实际测绘尺寸建立模型，基础约束采用固接形式。现场测得画像石棺长213、宽78、高82、壁厚5.5、底厚9厘米。根据石材强度，按偏保守的原则进行参数取值，计算出岩石密度为2.35g/cm3，弹性模量取值为5000MPa，泊松比0.25［8］。

（一）工况类型说明

对画像石棺的应力进行有限元分析时，考虑石棺存放方式和搬运过程中石棺自重的影响，定义了2种工况：1.静止状态；2.倾斜30°状态（石棺在运输过程中，道路坡道夹角最大为30°，因此考虑石棺倾斜角度为30°时的受力状态）。

（二）应力的有限元分析结果

石棺在工况1（图八、图九）作用下最大位移值出现在石棺上部边缘，为0.94210-6m。应力分布均匀，最大应力值出现在石棺底部四周边缘，为26863.6Pa。在工况2作用下，石棺位移云图如图一〇所示，最大位移值出现在石棺横侧板上部边缘，为0.46110-5m（石棺的竖向边缘未与直角坐标Z轴重合，说明已将模型旋转30°），最大应力值出现在石棺底部边缘，如图一一所示，为81958.8Pa，在运输作用下（由于倾斜作用），此底边受力最大。从计算数据来看，无论在静止状态还是运输过程中的倾斜状态下，石棺受到的最大应力值远小于红砂岩的一般强度（约30～80MPa），因此修复后石棺可以维持自身稳定，不会发生破损。

图八 静止状态的位移云图（工况1）

图九 静止状态的应力云图（工况1）

图一〇 倾斜30°状态的位移云图（工况2）

图一一 倾斜30°状态的应力云图（工况2）

四 锚固方法分析计算

锚固是针对物体主要构件因力学状态变化诱发的应力开裂等失稳现象实施的活动力学加固技术。它通过锚杆连接构件施加拉应力、剪应力、压应力以调整构件本身应力状态，充分发挥构筑物自身的强度和自稳能力［9］。

（一）锚杆截面积计算

从石棺破损情况来看，主要存在抗弯、抗剪、抗拉强度不足，因此锚筋设计时，需考虑增加侧板横向受弯力、底板与侧板之间的受拉力、横向侧板与纵向侧板的受剪力。由于石棺可能需要搬运，若搬运时发生意外，各处破损位置的受力情况将十分复杂，可能同时受到剪力、法向拉力和弯矩的共同作用，此类最不利情况应按下列公式计算：

式中，AS——锚杆的截面积；

Md、Nd、Vd——弯矩、法向拉力、剪力设计值；

αv——锚筋的受剪承载力系数，此处取0.9；

z——沿剪力作用方向最外层与锚筋中心线之间的距离，底板平面内取值60mm，其他部位取值25mm；

fy——锚筋抗拉强度设计值；

ψM、ψN、ψV——弯矩、轴力、剪力的频遇系数，不同位置的构件遭遇剪力、法向拉力和弯矩的概率不同。

根据“等强度”设计原则，锚筋设计时的荷载效应设计值Sd应取原构件极限抗力值Rd，但由于原构件极限强度的不确定性，并且为保证一定的安全储备，应将原构件极限抗力值Rd乘以表二的增大系数作为效应设计值Sd。

表二 效应设计值增大系数

石棺构件极限承载力计算是基于验算截面最大应力不超基材的强度。计算公式如下：

①构件正截面受弯承载力M按照下式计算：

②石棺开裂前构件极限轴心受拉承载力N按照下式计算：N=ftbh

③石棺开裂前构件极限轴心受剪承载力V按照下式计算：V=αc ftbh

式中，γm——截面抵抗矩塑性系数，矩形截面取1.55；

ft——轴心抗拉强度设计值，取1.54；

b——矩形截面宽度；

h——矩形截面高度；

αc——剪跨比影响系数，一般矩形截面受弯构件取0.7。

将参数代入各公式，石棺构件极限承载力计算结果如表三所示，锚筋截面积计算结果如表四所示：

表三 效应设计值Sd 计算

表四 锚筋截面积计算

（二）锚固长度计算

为保证锚筋在受力时不被拉出，锚筋须有一定的锚固长度，计算公式如下：

ld≥ψnlS

lS=0.2dfy/fbd

式中，ld——锚筋锚固深度设计值；

ψn——考虑各种因素对锚筋受拉承载力影响需加大锚固深度的修正系数，此处取1.27；

lS——锚筋的基本锚固深度；

d——锚筋公称直径，取8mm；

fy——锚筋抗拉强度设计值；

fbd——锚筋用胶粘剂的粘结强度设计值，取5N/mm2。

将参数代入各公式，锚筋锚固长度计算结果如表五：

表五 锚筋锚固长度ld 的计算结果

（三）锚固方法设计

常用杆体可以选择钢筋、竹木、玻璃纤维等，考虑到文物保护对材料耐久性的要求，锚固长度取整150mm，选择锚筋直径为8mm的HRB400不锈钢筋作为锚筋。计算出单根锚筋的截面积，根据前面已得到的每个连接处的锚筋截面积，便可计算出锚筋的数量。由于石棺底板较厚，侧板较薄，因此底板锚筋可设计为两排“M字错列排布”结构，侧板锚筋单排“一字结构”。综合以上计算结果，锚筋排列设计如表六所示。

表六 锚筋设计结果

五 修复技术分析

（一）保护原则

根据文物保护修复要求，本着保证文物完整性、真实性和最小干预的原则，尽可能多地保存真实的历史信息，恢复画像石棺的原本面貌。根据现场残损和结构性能分析，制定适宜的画像石棺保护方案。

（二）保护修复措施的建议

1.整理收集文物的原始构件和碎片，将所有散落的构件和残片收集完整；

2.新做石棺底座，采用不锈钢材质，提供足够的承重能力以保证文物安全，加设硅胶缓冲垫，避免文物和底座刚性接触造成内部应力增大；

3.将石棺断裂后形成的构件逐一编号、拆解，对构件的破损和承载力情况进行全面检测和记录；

4.按照先底座后侧板、从下到上的原则对石棺进行预拼接复原。根据断裂前的原始照片，对应已编号的构件，逐一吻合断面，待所有散落的构件归位后，方可进行下一步；

5.锚固拼接。先用白色矿物颜料标记锚固点，采用低功率电锤，缓慢在锚固点打孔，孔径略大于锚杆直径，再将锚杆插入，同时在孔洞空隙灌入修复砂浆，再进行粘接，增加断裂部位的强度；

6.对拼接完整的石棺采取相应的抗风化加固处理，以提高岩石自身强度。

六 结语

本文通过对画像石棺的结构保护技术研究，为同类文物保护修复设计提供参考。

（一）在保护修复实施前，对文物进行详细的病害分析和受力分析，找出导致文物劣化的内在和外在因素，为保护设计提供科学可靠的分析。

（二）应力分析表明，画像石棺在静止状态和倾斜30°两种工况下，自重均不会影响其结构的完整性。

（三）在保护过程中，可预埋锚杆增加构件之间的拉应力和底板的承载力，锚固位置和锚杆长度通过计算确定，为保护修复工作提供理论依据。

附记：此项工作得到了朱占元教授的大力支持，致谢！

注释：

［1］袁胜文：《棺椁制度的产生和演变述论》，《南开学报（哲学社会科学版）》2014年第3期。

［2］栾丰实：《史前棺椁的产生、发展和棺椁制度的形成》，《文物》2006年第6期。

［3］四川省博物馆文物工作队：《成都天回山崖墓清理记》，《考古学报》1958年第1期。

［4］高文主编：《中国画像石棺全集》，第247页，三晋出版社，2011年。

［5］淳庆等：《明代石拱桥襟湖桥保护技术研究》，《文物保护与考古科学》2016年第3期。

［6］淳庆、潘建伍：《金陵大报恩寺御碑遗址结构性能及保护技术研究》，《文物保护与考古科学》2015年第1期。

［7］韦荃等：《四川摩崖造像岩石的工程物理特性》，《文物保护与考古科学》2009年第2期。

［8］徐志英主编：《岩石力学（第三版）》，第72页，水利电力出版社，1993年。

［9］王金华：《锚固加固技术及其在石质文物保护领域中的应用》，云冈石窟研究院编：《2005年云冈国际学术研讨会论文集·保护卷》，第310～321页，文物出版社，2006年。