甄 剛，秦立科，馬宏林，張 鑫，張 芳，陳國(guó)棟

(1. 陜西省文物保護(hù)研究院，陜西西安 710075； 2. 磚石質(zhì)文物保護(hù)國(guó)家文物局重點(diǎn)科研基地(陜西省文物保護(hù)研究院)，陜西西安 710075；3. 西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西西安 710054； 4. 乾陵博物館，陜西咸陽(yáng) 713300)

0 引 言

乾陵是唐王朝第三代皇帝高宗李治與中國(guó)歷史上唯一的女皇帝武則天的合葬陵，是陜西境內(nèi)唐代18座帝王陵墓中規(guī)模宏大、保存最為完整的一座。乾陵陵園石刻遺存包括無(wú)字碑、藩王像、翁仲、石獅等共有119件，是唐陵中石刻數(shù)量最多，規(guī)模最大的石刻群，具有極高的藝術(shù)和歷史價(jià)值。

乾陵石刻歷經(jīng)1 300余年，風(fēng)化嚴(yán)重，病害眾多，每件石刻均存在不同程度的裂隙發(fā)育和各類(lèi)表層風(fēng)化病害，而裂隙病害是影響石刻整體結(jié)構(gòu)安全的重要因素。

楊軍昌等[1]對(duì)乾陵石刻的保存現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查并給出了保護(hù)建議；和玲等[2]對(duì)乾陵石刻的化學(xué)風(fēng)化進(jìn)行了研究，認(rèn)為化學(xué)因素是巖石風(fēng)化的致命因素；馬濤等[3]、馬宏林[4]利用超聲波技術(shù)對(duì)乾陵石刻內(nèi)部的裂隙及風(fēng)化情況進(jìn)行了研究；甄剛等[5]對(duì)乾陵無(wú)字碑的裂隙分布情況進(jìn)行了調(diào)查并進(jìn)行了穩(wěn)定性分析；閻敏[6]對(duì)小氣候環(huán)境因素對(duì)乾陵石刻風(fēng)化的影響進(jìn)行了研究，指出日照、溫濕度變化及雨雪風(fēng)霜對(duì)石刻有很大的影響；楊忠堂[7]研究了微生物對(duì)石質(zhì)文物的腐蝕機(jī)理，并指出微生物是石質(zhì)文物破壞的重要因素。以上研究對(duì)乾陵石刻的保護(hù)工作提供了一定的科學(xué)分析和理論依據(jù)。

在乾陵石刻中，南門(mén)司馬道東一翁仲(以陵為中心向外，依次排序編號(hào)1～10)的裂隙病害最為突出，分布有多條淺表裂隙和結(jié)構(gòu)性裂隙，特別是有些結(jié)構(gòu)性裂隙已經(jīng)貫通，有發(fā)生整體失穩(wěn)的可能。本工作以乾陵?yáng)|一翁仲為研究對(duì)象，對(duì)其裂隙病害進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，在此基礎(chǔ)上利用離散單元法對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，為東一翁仲進(jìn)一步保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)其他大型石刻的調(diào)查和研究也有借鑒作用。

1 裂隙病害調(diào)查

1．1 東一翁仲現(xiàn)狀

東一翁仲為石灰?guī)r圓雕，重約13.6 t，總高度4.79 m，底座1.85 m×1.85 m×0.95 m。石刻五官清楚，雙目平視，闊鼻，八字胡，閉口，耳根下墜；頭戴平頭幘，身著廣袖過(guò)膝長(zhǎng)袍，下穿及地長(zhǎng)裙，腰束帶，足蹬朝靴，雙手柱劍于胸前，劍鞘有兩道雙弦紋，面西立于方形底座之上，底座四周刻線(xiàn)畫(huà)。東一翁仲的病害如圖1所示，石刻存在多種病害，如表面微生物風(fēng)化、表面溶蝕、孔洞狀風(fēng)化(深度有3～10 mm)及裂隙等。其中，裂隙病害最為突出，多條裂隙集中于石刻腿部，有些裂隙已經(jīng)貫通，嚴(yán)重危及石刻的整體穩(wěn)定。20世紀(jì)50年代，采取了鐵箍對(duì)石像小腿部位和基座進(jìn)行了加固，鐵箍無(wú)防腐措施，表面已經(jīng)全部銹蝕。

圖1 東一翁仲病害圖Fig.1 Damage of the first Wengzhong on the east side

1．2 東一翁仲結(jié)構(gòu)性裂隙

目前，東一翁仲整體前傾，裂隙發(fā)育，裂隙分布如圖2所示，紅色為影響穩(wěn)定性裂隙，綠色為淺表裂隙。東一翁仲的裂隙主要分布在石刻胸部以下，特別是集中于石刻的小腿部位，多條裂隙交錯(cuò)，裂隙寬度3～10 mm，嚴(yán)重危及了石刻的穩(wěn)定性。

圖2 東一翁仲裂隙分布Fig.2 Distribution of cracks of the first Wengzhongon the east side

影響石刻穩(wěn)定性的裂隙共有5條，裂隙產(chǎn)狀和描述如表1所示，分布如圖3所示。

表1 東一翁仲主要危險(xiǎn)裂隙

圖3 東一翁仲結(jié)構(gòu)裂隙分布圖Fig.3 View of cracks of the first Wengzhong on the east side

從裂隙描述和分布圖可以看出，影響石刻穩(wěn)定的裂隙主要分布于翁仲的底部，特別集中在小腿部位。裂隙J1和裂隙J2已經(jīng)完全貫通，均下寬上窄，底部寬度已達(dá)6～10 mm。裂隙J1和J2內(nèi)部如圖4所示，裂隙內(nèi)有植物生長(zhǎng)，并有壁虎、蜘蛛等小動(dòng)物居住，裂隙內(nèi)部中空無(wú)充填物，說(shuō)明裂隙兩側(cè)巖體之間完全沒(méi)有黏結(jié)力。裂隙J3上下巖體有明顯錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象如圖5所示，說(shuō)明裂隙已經(jīng)貫通而且有一定的相對(duì)位移。其余兩條裂隙為局部貫通，兩側(cè)巖體具有一定的黏結(jié)力。

圖4 J1和J2裂隙內(nèi)部Fig.4 Interior of Crack J1 and J2

圖5 J3裂隙兩側(cè)巖體錯(cuò)動(dòng)Fig.5 Dislocation of rock masses on the two sides of Crack J3

1．3 東一翁仲塊體分析

通過(guò)裂隙相對(duì)位置關(guān)系及分布深度分析可知，5條影響穩(wěn)定性裂隙將東一翁仲巖體分割成5個(gè)巖塊，分塊如圖6所示。從圖中可以看出，綠色塊體為石刻的中心塊體，綠色塊體的體積最大，形狀呈上大下小，特別是塊體的下部為楔形體，和底座接觸的寬度很小，呈北寬南窄，寬度0.1～0.4 m，最寬處僅為石刻總寬度的1/4。通過(guò)綠色塊體的形狀分析可知，塊體頭重腳輕，重心位于石刻上部前側(cè)，導(dǎo)致單獨(dú)塊體無(wú)自穩(wěn)能力，在自重作用下向前傾倒。由此可見(jiàn)，綠色塊體是整個(gè)石刻發(fā)生破壞的動(dòng)力來(lái)源，目前石刻向司馬道側(cè)前傾正是由綠色中心塊體自重引起。

圖6 東一翁仲分塊示意圖Fig.6 Block diagram of the first Wenzhong on the east side

紅色塊體和黃色塊體位于石刻底部前側(cè)，兩個(gè)塊體共同構(gòu)成上窄下寬的楔形體，楔形體高1.72 m，底部寬度0.31～0.37 m。藍(lán)色塊體位于石刻底部后側(cè)，同樣為上窄下寬的楔形體，楔形體高0.41 m，底部寬度0.21～0.23 m。前后兩個(gè)楔形體夾住中間綠色塊體，通過(guò)鐵箍纏繞，為綠色塊體提供了支撐，保證了整個(gè)石刻穩(wěn)定。紫色塊體位于藍(lán)色塊體上部，整體呈南寬北窄，對(duì)石刻整體穩(wěn)定性影響不大。

目前，石刻向南和向西傾斜，向南側(cè)傾斜約為1°04′，向西(前)傾斜約2°38′，以向西(前)傾斜為主。如圖7所示，石刻傾斜導(dǎo)致藍(lán)色塊體在鋼箍纏繞部位應(yīng)力集中，并已經(jīng)產(chǎn)生多條次生裂隙，表明藍(lán)色塊體和鋼帶之間存在較大的相互作用力。同時(shí)，次生裂隙的產(chǎn)生導(dǎo)致藍(lán)色塊體的支撐能力大為減弱。藍(lán)色塊體為整個(gè)石刻的關(guān)鍵塊體，一旦次生裂隙進(jìn)一步發(fā)展，藍(lán)色塊體上部破碎，將無(wú)法為綠色塊體提供約束和支撐。另外，由于鐵箍年代久遠(yuǎn)，且無(wú)防腐措施，鐵箍表面已經(jīng)完全銹蝕，一旦失效，石刻就會(huì)處于失穩(wěn)狀態(tài)。

圖7 應(yīng)力集中引起的次生裂隙Fig.7 Secondary cracks caused by stress concentration

2 東一翁仲失穩(wěn)過(guò)程分析

2．1 失穩(wěn)過(guò)程分析

當(dāng)不采取石箍加固措施時(shí)，東一翁仲將發(fā)生整體失穩(wěn)，圖8給出了東一翁仲失穩(wěn)倒塌過(guò)程示意圖。石刻的倒塌過(guò)程如下：綠色塊體在自重作用下向前傾倒，在傾倒過(guò)程中綠色塊體底部推擠藍(lán)色塊體向后移動(dòng)，同時(shí)綠色塊體中部推擠紅色塊體向前移動(dòng)。當(dāng)紅色塊體向前移動(dòng)一定距離后，綠色塊體繞著黃色塊體轉(zhuǎn)動(dòng)，最終石刻整體倒塌破碎。

圖8 東一翁仲失穩(wěn)過(guò)程示意Fig.8 Process of instability of the first Wengzhongon the east side

2．2 失穩(wěn)特征分析

圖9給出了失穩(wěn)過(guò)程中裂隙形態(tài)特征和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比。綠色塊體繞著黃色塊體轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致綠色塊體和黃色塊體之間裂隙即J1下半部分上窄下寬，如圖9a、c部分所示，與現(xiàn)場(chǎng)裂隙特征吻合。

紅色塊體向前移動(dòng)，導(dǎo)致紅色塊體和綠色塊體分離，在裂隙J3和J1的相交處，裂隙J1下面寬上面窄，如圖9c部分所示，與現(xiàn)場(chǎng)裂隙特征吻合。紅色塊體和黃色塊體將相互錯(cuò)動(dòng)，如圖9d部分所示，與現(xiàn)場(chǎng)錯(cuò)動(dòng)特征吻合。

藍(lán)色塊體向后移動(dòng)，藍(lán)色塊體和綠色塊體之間的裂隙J2上寬下窄，如圖9a、b部分所示，與現(xiàn)場(chǎng)裂隙特征相反，主要是由于鋼箍的存在，阻止了裂隙上部張開(kāi)。這也導(dǎo)致鋼箍和藍(lán)色塊體之間具有較大的相互作用力，從而在兩者接觸處產(chǎn)生了較多的次生裂隙。

圖9 失穩(wěn)過(guò)程裂隙特征與現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比Fig.9 Comparison of rock carving instability processand site characteristics

從以上分析可以看出，失穩(wěn)倒塌過(guò)程分析合理。同時(shí)，也可以看出石刻失穩(wěn)特征已經(jīng)出現(xiàn)，進(jìn)一步發(fā)展的話(huà)將非常危險(xiǎn)。

3 東一翁仲穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

如圖10所示，東一翁仲穩(wěn)定性采用了鋼箍加固。鋼箍通過(guò)纏緊藍(lán)色塊體和黃色塊體，共同為綠色中心塊體提供約束和支撐，阻止綠色塊體傾倒，保證了石刻整體穩(wěn)定性。鋼箍由兩根寬40 mm厚5 mm鋼條組成，鋼條兩端鉆直徑15 mm圓孔，在石刻正前和正后兩處通過(guò)直徑8 mm鋼筋穿孔連接。鉆孔處鋼條有效截面積為125 mm2，鋼筋截面積為50.3 mm2。當(dāng)兩者強(qiáng)度相同，連接鋼筋是鋼箍薄弱構(gòu)件。鋼箍距底座307 mm，位于藍(lán)色楔形塊體上部。鋼箍和藍(lán)色塊體接觸處斷面厚度北小南大，斷面厚度43～69 mm。由于連接鋼筋較細(xì)且接觸處的塊體斷面較薄，加固措施難以提供足夠安全富余的支撐。

圖10 東一翁仲加固措施Fig.10 Reinforcement measures of the first Wengzhong on the east side

加固措施于1957年實(shí)施，距今已有60余年。鋼條和連接鋼筋通體銹蝕，鋼箍下方有多處鐵銹痕跡；藍(lán)色楔形體和鋼箍接觸處有多條次生裂隙，塊體頂端局部已經(jīng)破碎掉落。以上情況說(shuō)明鋼筋和塊體的承載能力均有所減少，石刻穩(wěn)定性安全系數(shù)也隨著進(jìn)一步降低。

目前，導(dǎo)致東一翁仲失穩(wěn)主要有3個(gè)因素：關(guān)鍵塊體上部破碎、鋼箍斷裂失效和地震荷載。關(guān)鍵塊體上部破碎是指藍(lán)色關(guān)鍵塊體上部次生裂隙進(jìn)一步發(fā)育破碎無(wú)法提供有效約束；鋼箍失效是指由于鋼箍變形過(guò)大或斷裂而導(dǎo)致的鋼箍對(duì)石刻無(wú)約束作用；近年來(lái)地震活動(dòng)頻繁，已經(jīng)成為威脅東一翁仲的主要荷載。在較大的水平地震荷載作用下，將使綠色塊體進(jìn)一步傾倒從而導(dǎo)致石刻失穩(wěn)。穩(wěn)定性評(píng)價(jià)如表2所示，石刻目前已經(jīng)出現(xiàn)失穩(wěn)特征，故認(rèn)為石刻處于欠穩(wěn)定性狀態(tài)。

表2 石刻穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4 結(jié)論和建議

1) 東一翁仲現(xiàn)有5條影響石刻穩(wěn)定的裂隙，主要分布于石刻中下部，其中3條完全貫通，其余2條局部貫通，對(duì)石刻穩(wěn)定性極其不利。這些裂隙將石刻分割成5個(gè)塊體，中間(綠色)塊體上大下小，重心前傾，導(dǎo)致整個(gè)石刻向前傾斜，是石刻失穩(wěn)的主要?jiǎng)恿?lái)源。

2) 腳后跟(藍(lán)色)塊體是石刻穩(wěn)定的關(guān)鍵塊體，呈上窄下寬的楔形體。由于鋼箍位于楔形體上部，導(dǎo)致與之接觸的腳后跟塊體上部應(yīng)力過(guò)于集中。目前，已經(jīng)產(chǎn)生多條次生裂隙，使其為石刻提供的支撐約束力降低，進(jìn)一步發(fā)展將導(dǎo)致石刻向前倒塌。

3) 東一翁仲在目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)遇到關(guān)鍵塊體上部破碎、鋼箍斷裂失效和地震荷載等任一種狀況，東一翁仲處于失穩(wěn)倒塌狀態(tài)。建議對(duì)其作進(jìn)一步研究后采取合理的加固預(yù)防措施。