虎丘塔的倾斜控制和加固技术.pdf

虎丘塔的倾斜控制和加固技术袁建力 刘殿华 李胜才 姚 玲杨福南(扬州大学研究生处)(苏州市市区文管所)摘要:虎丘塔是中国现存年代最久且倾斜度最大的楼阁式砖塔。1981年至 1986 年,中国工程界对这座濒临险境的古塔进行了全面加固修缮,采用了“围、灌、盖、调、换”的加固技术,以强化地基为主、塔体纠偏为辅,基本控制了塔基沉降,稳定了塔身倾斜,为保护人类文化遗产提供了有益的借鉴。本文依据虎丘塔的原始施工记录和二十多年的监测记录,结合现场实测和计算机模拟,重点研究和分析了虎丘塔的倾斜原因、加固技术和实施结果。关键词:古塔;倾斜控制;加固技术中图分类号:TU362文献标识码:A文章编号:1000-131X(2004)05-0044-06INCLINATION-CONTROL AND STRENGTHENING TECHNOLOGY APPLIED TO HUQIU PAGODAYuan Jinli LiuDianhua Li Shengcai Yao LingYang Funan(Yangzhou University)(Suzhou Administration of Cultural Relics)Abstract:Huqiu pagoda is one with the longest age and largest gradient in the existing Chinese pavilion style pagodas.From1981 to 1986,Chinese civil engineering community carriedout a complete strengthening and remedy project to this ancient pa-goda,which was near to dangerous situation.The strengthening technology used for the project includes“stockade,grouting,anti-seepage,rectification and replacement”according to the policy that strengthening groundbase is primary and that recti-fying inclination is considered as an assistance so as to controll the foundation settlement and stabilize the structure inclining ofthe pagoda basically.The project can provide a beneficial reference for protection of human culture heritages.Based on origi-nal construction records and monitoring data obtained in more than twenty years and combined with field test and computer sim-ulation,this paper puts emphasis on analysis of the incline causation the strengthening technology and execution result onHu-qiu Pagoda.Keywords:ancient pagoda;inclination control;strengthening technology收稿日期:2002-09-04,收到修改稿日期:2002-11-15中国意大利国际合作文化遗产保护技术项目(国科外 2000.N.11-2)1导言苏州云岩寺塔是一座七层八角形楼阁式砖塔,屹立于古城苏州的虎丘山颠,俗称虎丘塔(图 1)。虎丘塔建于公元 959 年(五代后周显德六年)至公元961 年(北宋建隆二年),是八角形楼阁式砖塔中现存年代最早、规模宏大而结构精巧的实物 1。1961 年3 月 4 日,虎丘塔由中国国务院公布为全国第一批重点文物保护单位,成为中国古代建筑的杰出代表。据考证,虎丘塔自建造时,塔基即产生不均匀沉降并导致塔身向北倾斜。历史上虎丘塔曾七次遭受兵火等破坏,多次维修,但未能控制不均匀沉降和倾斜的发展。公元 1638 年(明崇祯 11 年),因塔身倾斜加剧且损坏严重,重建了第七层并砌向南面以调整重心,至使塔身成抛物线形。到解放初期,虎丘塔已残破不堪,岌岌可危(图 2)。1956 年至 1957 年,苏州市政府拨款对虎丘塔进行围箍喷浆和铺设楼面加固,但未能取得稳定效果。随着塔身倾斜的发展,塔体于 1965 年复现裂缝;至1978年,塔顶已向北东偏移2.325m,倾斜角达 2 48,险情发展加剧。1981 年至 1986 年,中国国家文物局和苏州市政府组织力量,对这座千年古塔进行了全面加固,基本控制了塔基沉降,稳定了塔身倾斜 2。根据中国 意大利国际合作“文化遗产保护技术”协定,两国专家对包括苏州虎丘塔、比萨斜塔在内的古建筑的保护技术进行了研究。本文依据苏州市文管会提供的原始施工记录和二十多年的监测记录,第 37卷 第 5期土木工程学报Vol.37No.52 0 0 4 年 5 月CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNALMay.2004结合现场实测和计算机模拟,重点研究和分析虎丘塔的倾斜原因、加固技术和实施结果。图 1虎丘塔现状(2001年)Fig.1The current status of Huqiu Pagoda(2001)图 2濒临险境的虎丘塔(1956 年)Fig.2Huqiu Pagoda was near to dangerous situation(1956)2虎丘塔的结构及地质概况虎丘塔为七层楼阁式砖塔,塔身净高 47.68m,底层对边南北长 13.81m,东西长 13.64m;采用套筒式回廊结构(图 3),砖墙体由粘土砌筑;每层设塔心室,各层以砖砌叠涩楼面将内外壁连成整体,每层有内外门十二个。塔重 6100t,由 12 个塔墩(8 个外墩、4 个内墩)支承,塔墩直接砌筑在地基上。图 3虎丘塔结构(立、剖面图)Fig.3The structure of Huqiu Pagoda(elevation;section)虎丘塔的地基由人工夯实的夹石土形成,持力层南薄北厚,地基下为风化岩石。基底平面及地基剖面见图 4。图 4虎丘塔的基底平面、地基剖面Fig.4The base plane and foundation section of Huqiu Pagoda3虎丘塔的不均匀沉降状况及原因虎丘塔全面加固前,经调查、勘测发现存在如下险情:(1)北部外塔墩已下沉 45cm,二层楼面的南北高差达 60cm;塔顶向北东偏移 2.325m,倾斜角已达 2 48;塔重心偏离基础轴心 0.97m。(2)北部外塔墩外移,使南北对边大于东西对边 17cm;1957 年大修时浇入混凝土地坪内的南北走向 35 圆钢十字拉筋在北处已经断裂,拉距 5mm。(3)塔身竖向裂缝较45第 37卷第 5 期袁建力等虎丘塔的倾斜控制和加固技术多,裂缝最大长度达 2m。(4)塔墩的砖砌体损坏严重,北墩底部 40cm 左右的砖块大部分已经酥碎,承载力下降,部分外圈砖体回弹仪测试强度接近零。(5)东北、西北两个塔心墩破损严重,在 1.8 鶫2.0m 左右高度处,外圈一砖深度内 95%以上的砖已压碎龟裂,丁砌的砖几乎全部剪断;内壁半砖深度内裂缝宽约 1cm 左右,最宽达 2cm;墩边倚柱也拉裂。(6)东西北三个门拱顶的木过梁、木挑梁已腐朽或压损。国家文物局和苏州市政府于 1978 年至 1981 年期间,组织专家和技术人员对虎丘塔进行了周密勘测和论证,分析了不均匀沉降的主要原因:(1)塔无基础,塔墩直接砌筑在人工填土地基上,基底应力过大。(2)塔建于南高北低的岩坡土层上(图 4),地基土持力层北厚南薄,产生了不均匀的压缩变形,导致了塔身倾斜。(3)塔基及其周围地面未作妥善处理,因地表水渗入地基、由南向北潜流侵蚀等因素,使塔北人工填土层产生较多孔隙,造成不均匀沉降的发展。(4)塔体由粘性黄土砌筑,灰缝较宽,塔身倾斜后形成偏心压力,加剧了不均匀压缩变形。本课题组依据原始勘测资料,运用 ANSYS 有限元分析程序对虎丘塔的地基应力、变形及对塔体应力的影响进行了计算模拟(图 5、图 6),得出了与上述分析相应的结论。(a)轴测图(b)剖面图图 5虎丘塔加固前的地基变形Fig.5The deformation of ground before strengthening of Huqiu Pagoda4虎丘塔的倾斜控制和加固技术按照文物工程的维修原则和对虎丘塔产生倾斜、裂缝等原因的分析,虎丘塔加固工程采用了“加固地基、补作基础、修缮塔体,恢复台基”的整修方案,(a)模拟分析网格划分(b)塔体应力分布图 6地基不均匀沉降对塔体应力的影响Fig.6The influence of unequal settlement ofthe ground on the stress of pagoda s body并确定了保持塔身倾斜原貌的控制原则。加固方案具体分为“围”、“灌”、“盖”、“调”、“换”五项工程。4.1 围桩工程围桩是对地基加固的第一项工程,在塔基应力扩散范围内建造一圈密集的钢筋混凝土灌注桩,以控制地基加固范围、隔断地下水流、防止土壤流失和稳定地基。工程于 1981 年 12 月 18 日开始,到 1982 年 8月 30 日竣工。图 7围桩、灌浆布置及施工顺序编号图Fig.7Collocation and construction sequence ofstockade and grouting project4.1.1围桩布置工程中共布 桩 44 根,桩中心 距离塔 底形心10.45m,距离塔外壁 2.9m(见图 7)。单桩直径为1.4m(包括护壁厚 15cm,桩净直径为 1.1m,见图 8(a),桩底穿过风化岩插入基岩,然后在桩顶浇筑高46 土木工程学报2004年40cm 的钢筋混凝土圈梁。(a)挖孔桩构造(b)挖孔桩开挖图 8Fig.8Structure and diggingthe pile hole of manpower-dig pile4.1.2 施工措施(1)为避免机械振动和开挖面过大,采用人工开挖(图8b),并对施工影响作精细的监测。(2)严格按设计程序,采取跳档、南北交叉、深浅交叉开挖成桩,限制北部同时开挖的数量,开挖顺序见图 7。(3)为防止土体变形,除利用土拱作用外,每挖深0.8m即支护模板,用 200 号速凝混凝土浇制护壁,待达到一定强度时再挖下一段。(4)挖到基岩后,在坑内绑扎钢筋骨架,浇筑 150 号混凝土成桩,再在桩顶浇筑圈梁。4.1.3 施工监测整个施工中土体变形较小,但由于开挖面积较大且深,对地基仍有新的扰动。从位移、沉降、裂缝三项监测数据看,开工头三个月比较稳定;后因追求进度,增加开挖数量以及变形滞后效应,土体变形有明显反应;经过采取措施,变形渐趋缓和,达到预期要求。4.2 灌浆工程灌浆是对地基加固的第二项工程,在围桩范围内,钻直径为 9cm 的灌浆孔 161 个,进行压力注浆,填充地基内因水流冲刷等原因造成的孔隙,以增加地基的密实度、提高地基承载力。钻孔灌浆工程在围桩完成后进行,从 1982 年 10 月 14 日开始到 1983 年 8月 5 日竣工。4.2.1施工措施(1)采用防震干钻工艺,用改造的 XJ100-1 型工程地质钻机,不同地层分别用不同硬度的合金钻头。(2)以风冷却、提钻出土及空气压缩吸排岩屑等方法,尽量疏通地层中细小孔隙,以求灌浆填充密实。(3)采用全孔一次注浆法,根据地层的不同情况分别采取压浆机和气压注浆;注浆压力控制在塔内150kPa、塔外 200鶫 300kPa。(4)注浆顺序是从围桩内边沿向中心推进,先塔外,后塔内;先东北面,后南面;先垂直孔,后斜孔。(5)灌浆材料以水泥为主,并掺入占水泥重量 2.5%的膨润土,以提高渗透性。对可灌性较好的孔隙还掺加少量黄砂。钻孔灌浆的施工作业见图 9(a)(b)。4.2.2施工监测通过压力灌浆,证实北半部地基内孔隙较多,有7 个孔的单孔注浆量达 1 鶫 1.9m3,相当于孔体自身体积的 26 鶫45 倍,最多的孔注入水泥 42 包(2.1t)。灌浆施工过程中,塔体位移、沉降、裂缝的变化较小。(a)塔外钻孔灌浆47第 37卷第 5 期袁建力等虎丘塔的倾斜控制和加固技术(b)塔内钻孔灌浆图 9塔外、塔内钻孔灌浆Fig.9Drilling and grouting at outsideand inside of the pagoda4.3盖板工程盖板工程是塔基加固和地基防水相结合的工程,将防水板和塔基结合成整体,在塔下形成一个钢筋混凝土壳体基础。工程于 1984 年 6 月 23 日开工,1985年5 月 22 日完成。4.3.1 壳体构造壳体是一个直径为 19.5m、厚度为 45 鶫 65cm 的“覆盆式”构件,由塔内走道板、上环梁、下环梁和壳板几部分组成。下环梁与围桩相联结,以围桩为边缘构件;上环梁和塔内走道板则与各个塔墩下部相交接,交接部位都伸进塔墩周围 25 鶫 30cm(图 10),脱换其四周已经被压碎压酥的砖砌体,代之以混凝土。图11 为上环梁伸进外墩底部的钢筋布置。4.3.2 施工措施由于工程是在塔身自重影响下施工,因此难度更大、技术要求更高。除继续加强跟踪监测外,采取了如下施工技术措施。(1)控制各次施工开挖范围,小面积快速施工,当天开挖当天完成;塔内北半部每次施工面积控制在 3.7m2左右,占塔内总面积的 2.5%;整个壳体分33 次施工,塔内基础分 20次,塔外上环梁分 3 次,下环梁分 7 次,壳板分 3 次,每次施工都间隔 7 鶫 10 天的保养期。(2)恰当选择各次施工部位,先塔内、后塔外,先塔北、后塔南,先稳住危险部位,再逐步扩展。(3)严格操作规程,保证工程质量;开挖到达设计深度后,清理浮土、铲平压实,用5cm 厚 100 号细石混凝土填平拍实;然后绑扎钢筋,并预留施工缝。(4)加强现场技术指导和安全监控,图 10壳体结构施工图Fig.10Construction drawing of shell structure图 11上环梁伸进外墩底部的钢筋布置Fig.11Arrangement of the reinforcement extendedto the piers at the upper ring beam对危险部位施工进行跟踪监测,及时分析监测资料,及时处理疑难问题,防患未然。4.3.3施工监测壳体基础施工对塔体的变形及裂缝影响较大,在北部施工时各项数据反应敏感。壳体工程阶段累计平均沉降为 13mm,单次最大沉降值 1 鶫 1.4mm,裂缝也有相应变化,在施工结束后,渐趋稳定,不均匀沉降有所控制。4.4 调倾工程调整塔体倾斜度,是在归纳前期施工过程中塔体变形规律的基础上进行的尝试。根据施工监测数据分48 土木工程学报2004年析,塔下地基施工对塔体变形有直接的影响,这为适度调整塔体倾斜度提供了可能。4.4.1 施工方案(1)结合南半部壳体工程施工,适当扩大地基土方作业面,延长开挖暴露时间,并采用水平钻孔浅层掏土等技术措施,增大塔基南部土的压缩量;(2)北半部壳体工程采用小面积快速施工,开挖土方与灌注钢筋混凝土紧密衔接,以减少塔基北部土的沉降量。4.4.2 施工监测在本工程阶段,各施工环节都在变形监测的指导下有序进行,以确保塔体的安全。根据观测,塔体在壳体工程施工阶段采用了纠偏措施后,累计向南返回7mm,向西返回 25mm,总体向西南返回 26mm,且塔体向南微量返回对塔身裂缝无明显影响。4.5换砖工程换砖是对塔体的加固工程,通过对塔墩局部更换砌体,并作配筋加固,以提高塔身的承载力。塔墩换砖在盖板工程后进行,从 1986 年 3 月 22 日开始到1986 年 7月 4 日竣工。4.5.1 换砖部位及工程量(1)脱换各墩脚周围高度 20 鶫 40cm 已经碎酥损坏的砖砌体。(2)以西北、东北两个险情大的塔心墩为重点,更换其四周外圈高度在 1.7 鶫 2.0m 左右、一砖深度已经压碎剪断的砖砌体。(3)更换四个内门拱顶已经腐朽或压损的木过梁、木挑梁,改用预制钢筋混凝土过梁,并恢复砖砌叠涩拱顶。(4)对南面两个内塔墩的北侧壁,更换其在 1 鶫 1.2m 以下的已经破坏的砖砌体。(5)对北、东北、西北面三个外塔墩门两侧壁面,因裂缝较宽较长,对其在 0.8 鶫1.3m 高度这一段砖砌体作局部更换,对 1.2m 以上砖砌体,则用 10 螺纹钢作钢铆栓加固。4.5.2 施工措施换砖工程是在险情依然存在的情况下直接在塔身上施工,保证结构安全是施工措施中的关键。(1)利用砖砌体的拱作用,合理选择换砖部位的先后顺序和控制各次更换的长度、高度和深度;逐段逐块小面积脱换、预留接点、联成整体,每次更换控制在 0.6 鶫1.2m2左右(立面面积计算)。(2)新换砌体呈下部深,上部略浅的梯形结构,对其外貌则仍保持砖结构形式和原体量。(3)为提高砖砌体结构强度,在加固换砖部位,均作配筋砖砌体结构;每 2 皮砖布置 8钢筋 2 鶫 3 道,电焊搭接,环通塔墩(图 12)。(4)加强内外新老砌体结构搭接,采取丁、条交叉砌筑和钢筋浆铆连结等。4.5.3 施工监测图 12墩倚柱与壁体的配筋砖砌体连接Fig.12Reinforced brick masonry joint connectingangle column with wall at the inner pier除仪器监测外,在换砖壁面附近再增添石膏点,以直接观察裂缝变化。观察表明,在换砖部位以上30cm 的石膏点基本无开裂现象,且施工对塔体变形影响甚微。除了上述五项主体工程,还对塔身外壁和塔内装饰作了全面检查,在保持原状的前提下进行整修。此外,重建了塔座台基、台阶,重铺方砖地面、锁口青石等。为防止地基潮湿,挖掘清除台基外围高 70cm、宽 6鶫 8m 左右的填土 700多m3,恢复到古地坪标高。5虎丘塔加固工程的实施效果实践证明,对虎丘塔采取“围、灌、盖、调、换”五项加固工程,是成功有效的,也符合文物古迹维修原则。各项加固工程,既有各自的功能,又是相互联系,在共同作用下发挥了总体效果。5.1 围桩工程以连接密实的排桩形成了混凝土筒体,基本隔断了地下水的潜流侵蚀,稳定了地基,并有效地约束了地基的侧向位移、提高了地基抗变形能力。5.2 灌浆工程填实了孔隙,提高了地基承载力。根据上海特种基础研究所竣工报告,地基加固后密实度提高为:(1)塔外 与围桩 之 间,北半 部地 基增 加密 实度6.32%,南半部地基增加密实度1.21%;(2)塔内,北半部地基增加密实度 0.84%,南半部地基增加密实度0.39%。5.3 盖板工程达到了扩大基础的效果和防水的功能,使塔基的受力状态得到了改善和加强,也有益于稳定和控制地基的不均匀沉降。(下转 91 页)49第 37卷第 5 期袁建力等虎丘塔的倾斜控制和加固技术 6刘顺妮、林宗寿等.硅酸盐水泥的生命周期评价方法初探 J.中国环境科学,1998,18(4):328 鶫 332 7ISO CD 14042.2.Environmentalmanagement-Life cycle as-sessment-Life cycle impact assessment S.1997 8建筑材料咨询研究组.建筑材料咨询报告 M.北京:中国建材工业出版社,2000.12,166 鶫 185 9Hauschild M.and Wenzel H.Environmental assessment ofproducts.Volume 2:scientific background M.Chapman and Hall.London,United Kingdom,1998 10杨建新,徐成,王如松.产品生命周期评价方法及应用 M.北京:气象出版社,2002 11莫华.基于数据质量分析的建筑材料生命周期环境影响评价 D.北 京:清华 大学环境科 学与工程系,2003 12李涛平.水泥工业结构调整的瓶颈问题 J.水泥工程,2003(1)龚志起在读硕士,讲师。通讯地址:100084北京清华大学建设管理系张智慧清华大学建设管理系教授。(上接49 页)5.4调倾工程使塔身倾斜适度恢复,达到了辅助纠偏的效果。根据观测,塔身在盖板工程施工阶段采用了纠偏措施后,总体向西南返回 26mm。这一纠偏量,只占虎丘塔总侧移值2.325m 的 1.1%,但对我国的古塔修复史却有着重要的意义。5.5换砖工程加固了塔的主要承重结构,提高了塔墩砌体的承载力,经测试和评定,底层塔墩的平均砖强度等级达到了MU10。此外,通过对塔体内外壁的整修,改善了结构的耐久性并恢复了宝塔的原有风貌。本课题组依据加固后的资料对虎丘塔的地基应力和变形进行了验算(图 13),表明加固工程能有效地控制虎丘塔不均匀沉降和倾斜的发展。千年古塔的加固效果,需要时间来进一步验证。根据苏州市文管会多年的观测记录,自工程完成的1986 年8 月至2000 年 8月的 14 年间,虎丘塔的基底沉降的变动值不超过 1.25mm,倾斜变化率基本稳定在30 范围内,证明加固工程达到了预期的效果。虎丘塔的加固工程,提高了结构的可靠度,但是塔身已历经千年沧桑,自然风化现象仍将持续发展,对塔身防水、防风化问题尚待进一步研究,使古塔益寿延年还需作继续努力。(a)轴测图(b)剖面图图 13虎丘塔加固后的地基变形Fig.13The deformation of groundafter strengthening of Huqiu Pagoda参 考 文 献:1罗哲文,中国古塔 M.北京:中国青 年出版社,1985.294 鶫297 2陶逸钟,苏州虎丘塔中国斜塔的加固修缮工程 J.建筑结构学报,1987(6)袁建力 教授,扬州大学研究生处处长,科技部中意国际合作“文化遗产保护技术”项目主持人,研究方向:古建筑抗震鉴定与加固、结构工程检测和计算机建模。通讯地址:225009江苏省扬州市大学南路88号扬州大学研究生处刘殿华副教授,扬州大学土木工程系,国家注册一级结构工程师,研究方向:工程结构设计与加固。李胜才副教授,扬州大学建筑系,研究方向:建筑技术、建筑设计。姚玲研究生,江苏省建筑科学研究院。杨福南馆员,苏州市市区文管所副所长,从事文物保护、加固和管理工作。91第 37卷第 5 期龚志起等水泥生命周期中物化环境状况的研究