万寿寺塔抽土纠偏保护工程研究.pdf

2023年7月总第337期陕西建筑6万寿寺塔抽土纠偏保护工程研究刘 凯（陕西省建筑科学研究院有限公司 陕西 西安 7 1 0 0 8 2）摘 要：砖石古建筑是我国文化遗产的重要组成部分，具有重要的研究价值。万寿寺塔是西安市重点文物保护单位，2 0 1 1 年5 月，万寿寺塔突然向西北方向倾斜，塔尖最大偏移量达到2.6 3 5 m，受到了社会各界的高度重视。本文通过对万寿塔的现状进行调查，以及有限元软件模拟塔体在倾斜状态下的受力情况，针对性提出了抽土纠偏前的预加固方案，接着进行抽土孔的布置，对其中的一些设计参数进行了修正，同时提供了一种多维联合的信息化监测手段，并辅以多种施工控制措施，纠偏效果良好，对类似工程有一定的借鉴意义。关键词：灾害调查；稳定性；抽土纠偏；预加固中图分类号：T U 4 文献标识码：A岩土工程与地基基础0 引言万寿寺藏经塔俗称万寿寺塔，其造型风格似属明代。该塔为六角六层阁楼式砖塔，外观稳重，造型精巧（如图1.1），经过几百年的地震风雨而屹立不倒，保存较好，蕴藏着丰富的文化资源，由于现有记载资料甚少，有待于进一步挖掘。现存塔通高2 3.4 米，由青砖黄泥砌筑而成，底座边长3.0 米。该塔自2 0 1 1 年5月出现明显的倾斜变形，至2 0 1 1年 6 月7 日塔尖偏移了2.6 3 0 m，塔体的倾斜度达到1 1 3，塔体倾斜变形相当严重（图1.2）。1 万寿寺塔主要病害调查1.1 地基裂缝塔基周边主要产生了两条地基裂缝，其中一条平行于塔基的西北边（图1.3 中测点2 3 边），距塔约1 m，地基外鼓，地表铺砖沿着砖缝被拉裂，并且裂缝较宽；另外一条沿着塔基东角（图1.3 中测点5 位置）础石由塔基根部向外延伸，并且裂缝沿着砖缝呈4 5 方向向外扩展，该条裂缝较窄，纹理较新。1.2 塔体裂缝万寿寺塔塔体裂缝较多，主要位于基座和塔身。在基座部分，主要产生于础石和青砖交界面，大部分础石上部的青砖开裂，并且松散，局部有脱落的趋势。另外，南面东角的础石和青砖交接的角部呈内切三角锥形开裂，塔基这部分产生的裂缝较作者简介：刘凯，研究生，工程师，主要研究方向：建筑设计及其理论。2023年7月总第337期陕西建筑7宽，并有新裹水泥砂浆，如图1.1所示。在塔体倾斜后，一层北面东角中部（图1.3 中测点4 位置）主要产生两条新裂缝，其中一条为单砖竖向裂缝，上窄下宽；另外一条呈贯通状态，沿4 5 向下延伸。如图1.2 所示。另外，还有许多小的单砖裂缝。1.3 万寿寺塔变形调查：万寿寺塔塔体变形较为严重，为便于说明问题，将塔体一层各角点编号如图1.3 所示。从2 0 0 8 年起，文物部门每年对万寿寺塔进行沉降监测 1，以便及时的掌握塔体的变化情况，确保文物的安全。现将万寿寺塔一层各角点的沉降曲线绘制如图1.4 图1.6 所示，截至2 0 1 1 年6 月7日各测点沉降量如图1.7 所示。从各测点的沉降数据变形曲线可知，万寿寺塔在2 0 1 0 年年底之前，塔体沉降变形基本处于稳定状态，但在2 0 1 1 年的5 月，塔体沉降变形骤然增大，持续向西北方向倾斜，塔体在短期内的不均匀沉降明显，变化幅度大，而且具有突变性。2 万寿寺塔倾斜无支撑状态有限元分析根据规范 2，砌体抗剪强度平均值,v mf和轴心抗拉强度平均值,t mf计算公式为：,32v mfkf=,52t mfkf=2f为 砂 浆 抗 压 强 度 平 均值，取1.0 M P a；3k对于普通砖取图1.1 倾斜前 图1.2 倾斜后 图1.3 一层各角点编号2023年7月总第337期陕西建筑80.1 4 1；5k对于普通砖取0.1 2 5，带入上式可计算得：,0.141v mfMPa=，,0.125t mfMPa=。本文以塔体最终倾角度为6.4 6 的情况进行建模分析塔体的受力状况。2.1 塔体拉压应力分析：通过图2.1 可知，塔体仅局部截面处于受拉状态，主要位于挑檐及一层底部东南角，其一层拉应力为0.0 4 MP a 0.2 7 MP a，大于砖砌体的抗拉强度平均值0.1 2 5 M P a，有受拉裂缝及持续扩展的趋势；图2.2 可知，塔体在第三主应力状态下，最大拉应力值约为0.0 4 MP a，对塔体的影响较小。通过对塔体倾斜无支撑状态下的拉压应力分析可知，塔体二层为薄弱层，可能在此处发生破坏。2.2 塔体剪应力分析由图2.3 图2.5 可知，X Y 方向剪应力最大值为0.0 6 8 M P a，位于中心筒部位，低于塔体的抗剪强度；Y Z 方向最大剪应力位于中心筒和拱券交接处，最大剪应力为0.2 MP a，超过了塔体的抗剪强度；X Z 方向的最大剪应力也出现在中心筒和拱券交接处，且最大剪应力为0.2 2 MP a，超过了塔体的抗剪强度值。通过对塔体倾斜无支撑状态下的剪应力分析可知，塔体中心筒部位是薄弱图1.4 1点和5点的沉降变形曲线 图1.5 2点和4点的沉降变形曲线 图1.6 3点和6点的沉降变形曲线 图1.7 截至2011年6月7日各测点沉降量2023年7月总第337期陕西建筑9图2.1塔体倾斜无支撑第一主应力云图 图2.2塔体倾斜无支撑第三主应力云图 图2.3塔体倾斜状态XY方向剪应力云图 图2.4塔体倾斜状态YZ方向剪应力云图图2.5塔体倾斜状态XZ方向剪应力云图2023年7月总第337期陕西建筑1 0部位，有沿中轴线劈裂破坏的可能。3 万寿寺塔预加固设计根据现场对塔体损害调查、有限分析以及提高塔体的整体性，保护塔体免受破坏，在塔体纠偏前进行预加固，此外，本工程还涉及文物保护的原则，所以预加固主要的技术特点表现为安全可靠、可逆性好、经济适用、施工简单。主要从以下几方面进行预加固。3.1 非结构构件的保护加固对塔的非结构构件进行全面的检查，对少数残损及安全隐患较大者进行拆卸，将塔顶的琉璃宝瓶采用柔性钢索等将其固定于结构本体，防止其坠毁。3.2 下圈梁的浇筑上部塔体预加固完成后，将六块青石用钢丝绳环箍，钢绳接头用花篮螺栓连接，以便施加预应力，将下部青石箍紧，然后开挖塔体南面及东南面。其中角部青石用两个千斤顶支撑，塔壁用支撑架支撑，然后绑扎钢筋，浇筑混凝土，截面呈L 型。随着塔体纠偏回正，待到塔体自身稳定以后，开挖西南、西北、北侧和东北另外四边，绑扎钢筋，浇筑混凝土，最终六边连成整体，做为塔体新的基础。4 抽土孔设计4.1 抽土孔直径的确定由于本工程的施工区域较小，直径减少后并没有对工作量产生较大的影响，于是采用了直径6 5 m m 的抽土孔，并且收到了良好的效果。4.2 抽土孔方向的确定本工程在纠偏过程中，采用了抽土孔和水平面呈1 0 的倾斜抽土的纠偏法，一方面，随着抽土深度的进行，有力于沉降小的一侧土体进行沉降，并且减少了对沉降较大一侧土体的扰动。4.3 抽土孔深度的确定经过前期的对塔体进行预加固施工，可视建筑物为一刚体，在纠偏过程中绕沉降较大一侧的基础底端转动而不能产生新的沉降，在沉降较小一侧建筑物下沉。这样，抽土深度从递减为零，为三角形分布。实际施工过程中，沉降较大一侧为敏感部位，在抽土施工时，尽量减少干扰，避免生成新的沉降，因此在沉降最低点一般要采取一些工程措施，防止地基土产生新的沉降。万寿寺塔抽土孔的深度应该控制到建筑物倾斜侧重心投影以外1 0 0 m m，并且根据建筑物的回倾情况，调整抽土孔的深度，使其满足纠偏工程的要求。4.4 抽土孔距塔底的高度的确定万寿寺塔纠偏时抽土孔距离塔基的高度为1.5 m，并且随着抽土孔中土体的开挖，塔体不断回倾，抽土孔距离塔基的距离也逐渐减少，纠偏效果良好。本文作者认为3 0 0 6 0 0 m m 的距离，只适用于一些上部荷载较小且倾斜程度较小的情况，结合眉县净光寺的施工经验，当上部荷载较大且倾斜较为严重时建议选取的范围为1.0 1.5 m，但是需要在抽土时采取必要的土坡支护措施。4.5 抽土孔间距的确定抽土孔间距的确定对古塔的纠偏效果影响较大，尤其是当地基土为粘性土时，如果抽土孔布置间距过大，由于粘聚力的存在会导致建筑物的纠偏效果不理想，会出现建筑物只抽不沉或者沉降缓慢的现象。由于土体发生塑性破坏的后果较为严重，引起地基的变形较大，并在上部结构产生不利的附加内力。因此对抽土孔间距的控制十分重要，建议抽土孔间距应略大于最大塑性区半径，最好使孔间塑性区接触或部分重合，这样可以加速地基土的沉降变形及应力重分布，加快纠偏进度。本次纠偏工程抽土孔间距采用1 5 0 m m。2023年7月总第337期陕西建筑1 14.6 抽土孔布置根据建筑物的倾斜方式来布置抽土孔，建筑物的倾斜一般有单向倾斜和双向倾斜两种。对于单向倾斜，可通过调节抽土孔的数量和长度来控制纠偏。双向倾斜可通过控制主倾斜方向抽土孔的长短和水平方向的疏密。本次万寿寺塔的纠偏工程中分为四次排孔，逐渐加密每次递减1 0 0 m m的方式进行抽土孔的布置。5 抽土纠偏效果分析在万寿寺塔预加固施工完成的前提下，按照抽土迫降孔的设计，进行孔的定位，同时辅以信息化监测手段，开始施工，通过监测数据的采集和分析，及时指导施工，包括调整迫降孔的深度、抽土的位置及速率等。2 0 1 3年1 0 月底开始抽土施工，如图5.1所示，在抽土施工期间，塔体按照预定计划平稳回倾。图5.2 5.4给出了本工程施工期间万寿寺塔一层底面各角点的沉降时程曲线，其各角点编号见图1.3。由监测数据可知，1 点和5 点的沉降差在1 1 月1 2 日之前基本同步沉降，之后两点出现沉降差，达到预期效果；2 点和4 点在施工前期基本同步沉降，后期也出现沉降差；3 点和6 点在1 1 月5 日出现沉降差，逐渐增大，此后3 点基本保持不变，并在后期有一图5.1塔底抽土纠偏 图5.2 1点和5点沉降 图5.3 2点和4点沉降 图5.4 3点和6点沉降2023年7月总第337期陕西建筑1 2定的抬升，而最高点6 点持续下沉，达6 0 0 m m，接近3 点所在的水平面。抽土纠偏施工期间，由于地基土含水量大，地基土较软且具有湿陷性，塔体一开始表现为在回倾的同时伴随着整体下沉，但在将塔底下圈梁全部浇筑完成以后，第3 点停止沉降，可见下圈梁的加固效果十分明显。抽土施工结束以后，塔尖的倾斜量由施工前的2.6 3 5 m，递减到施工结束后的4 8 m m。此外，随着地基土的进一步压实，塔尖还有一定的回倾量。6 结语针对塔体现状及有限元分析结果，提出了一种可靠的预加固措施，该方法操作简单、加固效果明显、可逆性强；根据该工程的实际情况对抽土孔设计中的一些参数进行了修正，并通过一套全面的监测方案对塔体进行静态和动态监测，用以指导施工，其纠偏效果较好，对类似工程有一定的借鉴意义。参考文献 1 汪龙龙.万寿寺塔纠偏保护工程关键技术研究 D .西安建筑科技大学,2 0 1 4.2 砌体结构设计规范：G B 5 0 0 0 3-2 0 1 1 S 北京：中国建筑工业出版社，2 0 1 1.