阿布都艾尼·阿不都拉

(新疆文物古跡保護(hù)中心，新疆烏魯木齊830000)

土遺址作為人類遺留下來的信息的載體，具有很高的歷史價(jià)值、社會(huì)價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值［1］。土遺址主要是粉質(zhì)沙土和粉質(zhì)黏土夯筑或者制成土坯進(jìn)行砌筑，在干燥環(huán)境中具有一定的強(qiáng)度。但歷經(jīng)千年的建筑在諸多因素的影響下出現(xiàn)大面積坍塌、風(fēng)化，正遭受著毀滅性破壞［2］。因此對(duì)其維修加固以及對(duì)其力學(xué)性能的研究顯得頗為重要。

1 臺(tái)藏塔土遺址概況

絲綢之路新疆段重點(diǎn)文物保護(hù)項(xiàng)目之一臺(tái)藏塔遺址保護(hù)工程，該遺址位于新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市三堡鄉(xiāng)尤喀買里村，東南距高昌故城土遺址1.2km，西距吐魯番市40km。臺(tái)藏塔始建年于公元6～7世紀(jì)，是當(dāng)時(shí)頗具影響力的佛教遺址。14世紀(jì)末期，察合臺(tái)汗國統(tǒng)治時(shí)期強(qiáng)迫高昌地區(qū)人民信奉伊斯蘭教之后，臺(tái)藏塔逐漸毀破。

臺(tái)藏塔高約20m，塔北面與東面均有佛教洞龕，分上下兩排，西面塔壁中有孔洞，貫穿整個(gè)墻壁其作用不明，南壁已毀。臺(tái)藏塔遺址占地面積約為939m2。塔身平面略呈回字形，朝向南偏西。塔基底部外邊南北長約36m，東西殘長34m，塔壁基部厚8～12m。塔內(nèi)中空，內(nèi)邊方約15m。南向正中有寬約3m的缺口。該塔屬國務(wù)院公布的第五批全國重點(diǎn)文物保護(hù)項(xiàng)目。

臺(tái)藏塔遺址長期以來由于自然因素、人為因素的破壞，塔身表面出現(xiàn)了較大的裂縫，全部的夯土體及塔頂面出現(xiàn)了嚴(yán)重的風(fēng)化酥碎現(xiàn)象。塔表面幾乎所有的佛龕拱券已完全開裂破壞，塔頂因防雨措施不當(dāng)造成塔表面出現(xiàn)嚴(yán)重的沖溝痕跡，所有這些已嚴(yán)重威脅整個(gè)遺址的安全。

2 有限元模型及計(jì)算參數(shù)

參考臺(tái)藏塔遺址測(cè)繪圖，根據(jù)實(shí)測(cè)尺寸適當(dāng)簡化，利用有限元軟件建立臺(tái)藏塔三維有限元實(shí)體模型。單元采用C3D20R單元，共劃分96 185個(gè)單元;土體和鋼支撐為各向同性線彈性均質(zhì)材料;接觸面采用完全約束;土基底部個(gè)方向位移自由度約束?？紤]到臺(tái)藏塔Ⅱ區(qū)北側(cè)土體出現(xiàn)裂縫，因此將風(fēng)載施加在其面上更為不利，風(fēng)載作用位置如圖1所示。

圖1 風(fēng)荷載作用位置示意

3 主要病害及結(jié)果分析

由于長期以來自然和人為等因素的破壞，臺(tái)藏塔遺址存在嚴(yán)重的病害［3］，基本類型包括三種:①人為孔洞、孔洞殘損;②掏蝕凹陷;③裂縫、土體懸空傾斜。針對(duì)上述病害臺(tái)藏塔土遺址保護(hù)工程主要采用四種方法:①土坯砌筑;②灌漿抹縫;③錨桿加固;④鋼架支撐。

3.1 臺(tái)藏塔原土遺址受力分析

臺(tái)藏塔與高昌故城相距接近，建造年代相同，土質(zhì)與所處環(huán)境相似，本文主要參考了高昌故城大佛寺土體的物理性質(zhì)(表1)。

表1 夯土、土坯原狀土各項(xiàng)物理參數(shù)

圖2 自重作用下臺(tái)藏塔原土遺址應(yīng)力云圖

圖3 風(fēng)載作用下臺(tái)藏塔原土遺址應(yīng)力云圖

3.2 灌漿抹縫對(duì)臺(tái)藏塔土遺址的影響

溫差交替作用、地震和風(fēng)荷等自然外力作用下，使得土遺址內(nèi)夯土產(chǎn)生縱橫交錯(cuò)的裂縫，以及風(fēng)蝕、人為破壞使土體產(chǎn)生孔洞，增大了結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。處理時(shí)先采用改性黃泥漿封閉裂縫邊緣，再配置一定濃度和配比的改性黃泥漿，進(jìn)行注漿修復(fù)。

圖6、圖7表示注漿修復(fù)后土遺址在風(fēng)荷載作用下的應(yīng)力云圖與側(cè)向位移云圖。計(jì)算結(jié)果表明:注漿修復(fù)后土體在風(fēng)荷載作用下最大側(cè)向位移為7.8mm，與圖5相比減小22%;由圖6風(fēng)荷載作用下注漿修復(fù)后土遺址應(yīng)力云圖可知，其頂部明顯出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，充分說明了裂縫會(huì)出現(xiàn)在此位置，與實(shí)際相符合。

續(xù)表1

圖2～圖5分別表示未加固前原狀土遺址在土體自重和風(fēng)載作用下應(yīng)力云圖與側(cè)向位移圖。計(jì)算結(jié)果表明:風(fēng)荷載作用下北側(cè)墻體最大側(cè)向位移為10.1mm;在自重作用下北側(cè)墻體向內(nèi)傾斜，而在風(fēng)荷載作用下墻體向外傾斜，即在風(fēng)荷載作用下裂縫會(huì)不斷加深擴(kuò)展，加速土體坍塌破壞。

圖4 自重作用下臺(tái)藏塔原土遺址側(cè)向位移云圖

圖5 風(fēng)載作用下臺(tái)藏塔原土遺址側(cè)向位移云圖

圖6 風(fēng)載作用下注漿修復(fù)后臺(tái)藏塔應(yīng)力云圖

3.3 土坯砌筑加固對(duì)臺(tái)藏塔遺址的影響

對(duì)危及土遺址穩(wěn)定的掏蝕凹陷和人為破壞孔洞，采用土坯砌筑技術(shù)。土坯砌筑采用改性黃泥漿(當(dāng)?shù)攸S土+少量草秸+5%改性硅丙溶液)，植入土工長絲與原結(jié)構(gòu)相連，保證其整體性(表2)。

圖8表示土坯砌筑后風(fēng)荷載作用下土遺址側(cè)向位移云圖，圖9表示土坯砌筑與注漿修復(fù)后風(fēng)荷載作用下土遺址側(cè)向位移云圖。計(jì)算結(jié)果表明:土坯砌筑后風(fēng)荷載作用下土遺址側(cè)向位移為4.1mm，與圖5相比減小59%;土坯砌筑與注漿修復(fù)后風(fēng)荷載作用下其最大側(cè)向位移為3.2mm，與圖8相比減小22%，與圖7相比減小59%。

圖7 風(fēng)載作用下注漿修復(fù)后臺(tái)藏塔側(cè)向位移云圖

表2 臺(tái)藏塔遺址夯土、無草土坯、帶草土坯抗壓強(qiáng)度

圖8 風(fēng)荷載作用下土坯砌筑后

3.4 錨桿加固及鋼支撐加固對(duì)臺(tái)藏塔遺址的影響

錨桿采用不等長工字鋼進(jìn)行加固，即拉力型錨桿桿體與灌漿體產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力，從而達(dá)到加固的效果。對(duì)于頂部懸空并產(chǎn)生裂縫的Ⅱ區(qū)墻體北段，上部質(zhì)量較大且高度較高，采用自重輕，強(qiáng)度高的鋼架支撐技術(shù)進(jìn)行支撐加固。避免了采用砌筑土塊而產(chǎn)生過量補(bǔ)砌的問題。

圖10表明修復(fù)完善后土遺址在風(fēng)荷載作用下的側(cè)向位移云圖。計(jì)算結(jié)果表明:北側(cè)墻體豎向位移明顯減小;修復(fù)后在風(fēng)荷載作用下最大側(cè)向位移明顯減小;錨桿加固與鋼支撐加固對(duì)土體側(cè)向位移影響不大，增強(qiáng)了臺(tái)藏塔土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

圖9 風(fēng)荷載作用下土坯砌筑與注漿修復(fù)后

4 結(jié)論

(1)在卸荷等自然外力下北側(cè)墻體將出現(xiàn)裂縫，與實(shí)際出現(xiàn)裂縫位置相符，且在荷載等自然條件作用下裂縫將會(huì)不斷加深擴(kuò)展，加速土體坍塌破壞。

(2)注漿修復(fù)后土體在風(fēng)荷載作用下最大側(cè)向位移減小22%。

(3)土坯砌筑后風(fēng)荷載作用下土遺址側(cè)向位移減小59%;土坯砌筑與注漿修復(fù)后風(fēng)荷載作用下其最大側(cè)向位移為3.2mm，與土坯砌筑后在風(fēng)荷載作用下最大側(cè)向位移相比減小22%，與注漿修復(fù)后在風(fēng)荷載作用下最大側(cè)向位移相比減小59%。

(4)北側(cè)墻體豎向位移明顯減小;修復(fù)完善后在風(fēng)荷載作用下最大側(cè)向位移明顯減小;錨桿加固與鋼支撐加固對(duì)土體側(cè)向位移影響不大，增強(qiáng)了臺(tái)藏塔土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

［1］ 張衛(wèi)喜，陳平．高昌故城西南大佛寺結(jié)構(gòu)病害分析與加固［J］．工業(yè)建筑，2007，37(8):86－88

［2］ 趙海英，李最雄．西北干旱區(qū)土遺址的主要病害及成因［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(增2)

［3］ 張海峰，劉俊卿．臺(tái)藏塔結(jié)構(gòu)病害分析與維修加固措施研究［J］．施工技術(shù)，2009，38(S2):502－504