黃土地區磚石古塔鉆孔取土糾傾技術研究*

張衛喜， 陳 平， 趙 冬

(西安建筑科技大學理學院， 西安 710055)

0 引言

古塔多用磚石、土及土木混用，以磚石結構遺存的古塔最為多見。磚石古塔在陜西、山西等黃土地區分布較為集中。磚石古塔具有脆性、變形能力較差、自重大等特點，其穩定破壞的成因以以下兩類最為常見：1)由于土體強度不足而導致承載力破壞；2)由于土體剛度不足而導致傾斜失穩[1]。近年來，隨著人類活動的加劇，塔地基受到擾動，甚至地基局部失效而引起塔體失穩的事故時有發生，磚石古塔糾傾保護技術的系統研究已成為亟待解決的課題。

自1962年意大利工程師Terracina針對比薩斜塔的傾斜加劇問題提出取土糾傾法(1999年施工)以來[2-3]，針對取土糾傾的數值分析、理論分析及試驗的研究進行得較多[4-8]。但磚石古塔因其文物屬性、自身結構特點等原因，糾傾往往具有較高的風險，有關研究成果較為少見。本文結合陜西萬壽寺磚石古塔糾傾的工程實踐，通過原位測試、正演與反演分析等方法，對鉆孔取土糾傾設計、施工的技術參數、影響因素及力學機理等主要問題進行了討論。

1 磚石古塔鉆孔取土糾傾的機理

磚石古塔鉆孔取土糾傾是指經過特別設計，在磚石古塔回傾方向的地基高應力區按一定速率抽出一部分土，形成特定深度、直徑、方向和空間分布的(單層或多層)洞室，使基底下土體部分臨空，減小這部分地基的接觸面積，使之接觸應力緩慢增加，當上覆荷載壓力過大時，洞室將會合攏(坍陷)，導致其上部地基表面產生沉降，迫使基礎下沉，引起塔體按既定的軌跡產生近似“剛體”轉動，從而使不均勻沉降得到調整，達到糾傾的目的，屬迫降糾傾[9](圖1)。

圖1 糾傾原理示意圖(西安萬壽寺塔)

黃土地區傾斜磚石古塔鉆孔取土糾傾技術則利用了黃土工程性質以及磚石古塔結構高寬比大、地基壓力大的特點，通過人為地削弱局部地基承載力，引起塔體不均勻沉降，以達到糾正塔體傾斜的目的，這對于保護大量黃土地區傾斜的磚石古塔具有一定的通用性。

2 西安萬壽寺塔結構特點及地質條件

西安萬壽寺(藏經)塔，初建于明萬歷年間。塔為6層樓閣式單筒結構，塔體及塔基采用青磚砌筑。塔高22.25m，平面呈六角形，三層以上局部塔心填土。其中，一層高4.46m，外邊長為3m，內邊長約0.6m，壁厚約2.4m，六層則外邊長遞減至1.73m，層高減至2.12m。塔體外壁承重，筒體自下向上直通塔頂，塔各層平面邊長呈規律性遞減，立面規則，自然緩和收攏，呈錐形體(圖2)。計算和測試結果表明，塔主體結構自重約5 500kN，塔底平均壓力約210kPa。塔周邊地勢平坦，屬黃土梁洼地貌單元。

圖2 萬壽寺塔測繪圖(未糾傾)

良好的場地條件、合理有效的地基處理，加之塔體結構規則對稱、傳力路徑明確，該塔雖以青磚、黃泥砌筑，400余年歷經數次大震，結構尚基本完好。

2011年5月28日之前，該塔塔尖西北向的傾斜約1 200mm，塔體基本處于穩定狀態。2011年5月28日始，受連續降雨影響，塔西北側地表有水持續滲入，塔體旋即加速向北偏西方向傾斜，2011年6月1日19時塔剎偏移量達到2 231mm，2011年6月12日17時塔剎北偏西43°7′25″，偏移量2 635mm(傾斜6.5°)，重心偏移量775mm，塔體傾斜度約113‰，瀕臨失穩。為防止塔體失穩，采取設置鋼結構支撐(圖2)及在塔周邊設置防水、排水等多種措施進行搶救性保護。鋼結構支撐體系對塔體的水平作用力約500kN，合力作用點略高于塔體結構質心。

3 西安萬壽寺塔傾斜成因與機理的勘察與分析

為快速判斷萬壽寺塔傾斜成因，分析機理，采用地質雷達法對塔周地基土質、含水率、空洞等進行了初步勘察；之后，對有缺陷區域和擬定施工區域進行了詳勘。結果表明，塔西北側的地基含水率明顯大于東南側。考慮到夯填土以下為黃土層，濕陷性中等，其濕陷系數平均值δs=0.053 ，局部濕陷性強烈，濕陷等級達Ⅲ(嚴重)級，壓縮系數平均值α1-2=0.93MPa-1，屬高壓縮性土。結合地表水勘察，可認為塔西北方向地表水侵入地基，引起濕陷性黃土地基持力層局部含水量劇增，誘發濕陷變形，濕陷變形是一種下沉量大、下沉速度快的失穩性變形，這是塔體加速傾斜的直接原因。

圖3為萬壽寺塔的基礎與地基剖面，其中厚度為2.1m的夯填土層是塔體地基的主要持力層，其下層為平均厚度為7.6m的黃土層，該層具有局部濕陷性強烈、高壓縮性的特點，對含水率變化尤為敏感，是影響塔體穩定的主要土層。夯填土層較為均勻，塔底壓力大，宜布置取土孔。

圖3 萬壽寺塔地基與基礎剖面

4 西安萬壽寺塔體穩定性保護與強度加固

4.1 整體穩定性保護

考慮到塔底預留土體厚度和操作平臺高度的要求，以及取土孔所在土層對塔底壓力、地基土構成和密實度等因素的要求，工作坑的深度一般宜取1.5～2.5m。工作坑使地基持力層一側被“掏空”，弱化了地基持力層一側的邊界條件、造成地基層緊鄰塔邊緣一側出現臨空面(圖4)，降低了地基抵抗塔體傾斜的整體傾覆力矩的能力，因此，工作坑對于地基的承載力和塔體的整體穩定性都是不利的。

圖4 整體失穩時地基和塔體位移及地基切應力分布云圖

在鉆孔取土施工的過程中，在地基壓力較大的區域漸漸形成一道削弱的斜向平面(圖1)，這一斜向平面隨著鉆孔取土施工進展可能會與傾斜一側壓力較大(或已局部進入塑性)的地基區域貫穿，形成潛在的滑裂面，則塔體將面臨整體失穩的風險。因此，預防塔體在傾斜一側的塑性區與鉆孔施工過程中逐漸延伸的地基削弱面貫穿，是鉆孔取土糾傾方案的先決性條件，也是預加固首先要考慮的條件。

圖4所示為數值模擬得到的塔整體失穩臨界狀態時的地基和塔體的位移分布及地基剖面的切應力分布云圖。結果表明，以切應力作為控制指標，臨界失穩時，塔傾斜一側地基局部塑性區擴大，逐漸向塔底被鉆孔取土削弱的位置延伸，當兩者貫穿時，塔體達到整體失穩(傾覆)臨界狀態。

因此，對于特定的傾斜磚石古塔，能否采用鉆孔取土糾傾技術，首先應根據塔體的結構特點、整體性、傾斜后重心投影的位置、地基持力層可能承受的最大壓力、地基土物理-力學參數等，分析塔體整體傾覆力矩、傾斜一側地基局部壓應力、地基土的最大切應力、誘發回傾的臨界線的范圍等，進而綜合評估塔體整體失穩的風險，采取控制塔體整體失穩的措施。

計算表明，萬壽寺塔的整體穩定依賴于外部支承的鋼結構體系，鋼結構在支承點提供了約500kN的水平力，以平衡塔體的傾覆力矩，這是塔保持現狀的外界條件。為保證塔體鉆孔取土施工過程中的穩定性，施工前在塔底面設置了大型的箍梁和托梁(圖2)，而工作坑設置的鋼結構水平支撐直接錨固于托梁上，增強地基的約束力以平衡塔體整體失穩時的力矩。

4.2 整體性加固

糾傾過程中，塔底壓力和塔身應力不斷變化，其中以塔底部截面的角部壓應力和塔體開洞引起的應力集中部位等為強度加固的重點部位。通過數值計算，對不同傾斜角度下塔體的危險點及其應力峰值進行了預測，圖5為最不利傾斜狀態下塔身第三主應力云圖。可見塔底角部第三主應力峰值達到了1.08MPa，券洞和檐口部位第三主應力峰值分別為0.83MPa和0.70MPa。因此，施工前，在塔底部截面設置底層箍梁和地圈梁，約束其變形，改善其應力狀態，而在券洞位置則增加了施加預應力的木結構支承體系，用來分擔拱圈豎向荷載，防止券洞頂部砌體開裂和拱腳砌體壓碎。

圖5 塔體第三主應力分布/Pa

較之垂直狀態，傾斜后塔體中軸面的剪應力分布和剪應力峰值均產生較大的變化，考慮到膠結材料(黃泥)強度退化嚴重，強度較低，加之回傾過程中塔身應力的變化，中軸面的剪切失穩風險較為突出。為此，在各層檐口設置了鋼箍(即通過鋼絞線施加預應力)，塔身則以木板夾緊后，外貼強度和彈性模量較高的碳纖維織物，約束塔體橫向變形，使之處于三向受壓狀態，提高中軸面的抗剪強度(圖6)。

圖6 穩定性與整體性加固做法

一般情況下，糾傾過程中為防止塔體發生強度破壞，正演分析時，磚石古塔塔體應變限值建議不大于1.5‰。在塔體底部截面增設底層箍梁和地圈梁，使塔底周邊產生“箍”的約束作用(圖7)，改善了塔底砌體的應力狀態，使砌體處于“三向受壓”狀態。塔體底部截面增設的托盤能局部托換塔體基礎，加強塔體空間上的“托”、“箍”聯合效應，增強塔體整體性。多例磚石古塔原位測試成果和理論分析均表明，這一措施對于改善塔體截面應力狀態，保證塔身回傾時不致塔底局部壓碎等具有積極的作用。

圖7 塔底平面加固做法

5 西安萬壽寺塔鉆孔取土糾傾的關鍵技術

塔底地基土多為人工夯實，長期處于高應力狀態，較為均勻致密。為便于鉆孔施工，人工成孔直徑一般選用80～100mm，機械鉆孔直徑一般選用100～150mm。當塔底面平均壓力較小、地基土質均勻、碎石含量較少時，可優先使用振動小、成孔較慢的洛陽鏟成孔，這樣既可減小振動對塔體的影響，也利于調整回傾速度。

萬壽寺塔塔底平均壓力約210kPa，地基為土質均勻的黃土，不含碎石，土質密度、含水量適中，適合人工成孔。

5.1 鉆孔臨界線與孔深度的確定

理論上，孔洞穿過一定深度后，被削弱的塔體地基壓應力持續增大，土體產生塑性變形，從而誘發塔體產生不均勻沉降，可作為鉆孔臨界線依據。根據重心投影位置和傾斜方向計算臨界線(圖1)，萬壽寺塔的孔深為2.8～3.2m。

設計時，確定重心的投影位置，先讓部分孔(建議不超過總數1/3)緩慢穿過重心投影位置，再逐漸加深其他孔，直到孔受壓產生坍塌(圖8)，塔體正下方地基和周圍土體形成切割面(圖9)，則標志著塔體進入回傾階段。這種緩慢施工伴隨動態實時監測且帶有“試探性”調整地基壓縮變形臨界狀態的方法，可防止塔體突然沉降和整體失穩。

圖8 孔坍陷

圖9 塔體回傾時的切割面

塔體開始回傾后，則每次根據塔實時的回傾角度和速率，不斷地清理特定位置的孔中塌落的土體，或加孔、或擴孔、或塞孔，使塔體按照既定的路徑和速率回傾。如此循環，直到塔體回傾到預定的位置時，即可回填、夯實孔洞(預先應估計土體蠕變的影響)，并持續觀測，直到土體不再沉降，塔體靜止。

5.2 鉆孔土層的選取與工作坑設置

對于磚石古塔的鉆孔取土糾傾，塔底到取土層之間要預留一定的厚度，可利用預留土層的應力重分布引起的不均勻沉降來緩慢地調整塔體傾斜。同時，鉆孔取土層會受到塔體較大壓力作用，對地基擾動較為敏感，故還應土質均勻、含水量較低。

地質勘察表明，萬壽寺塔標高-2.6～-0.5m地基層為壓實的夯填土，土質均勻、壓力較大，適于布置鉆孔，而標高-2.6m以下則屬濕陷性黃土、具有高壓縮性，不利于控制其變形速率。因此，鉆孔的深度范圍確定為標高-2.3～-1.5m，該土層壓應力平均值約為245kPa，鉆孔與水平方向夾角設置為10°～15°。

開挖的工作坑位于擬定的塔體回傾一側，應距離塔邊緣預留一定的寬度，避開塔地基的高應力區。

5.3 孔徑與孔間距

為了控制回傾速度緩慢平穩，防止“突然沉降、回傾”，應該優先選用孔徑較小、孔深度根據位置變化、孔間距和孔排數在空間上錯開的方案。萬壽寺塔孔的直徑為80mm，間距則取1～1.2倍的孔徑。

文獻[10]給出了水平及斜孔掏土糾傾孔徑和間距與沉降量的經驗計算公式。但磚石古塔地基往往壓力較大，對于沉降速率也有特殊的要求，預估的沉降量往往需要根據實時監測結果進行不斷地修正。通常以實時監測的沉降量和沉降速率作為雙重目標值，更為安全、有效。

由于高應力下土體蠕變的影響，沉降往往會在施工停止后持續發展。根據地基壓力值、孔徑、孔深、孔間距和孔排數等因素，合理預估停工后的沉降可提高糾傾精度。

6 影響塔體回傾的因素

6.1 控制切割面與回傾方向

回傾時，沿工作坑延伸的切割面不僅削弱了塔體地基的側向約束，而且對塔體的回傾角度有顯著的影響。由于地基-基礎-塔體的協同作用效應，切割面位置、回傾方向、支護系統、鉆孔的布置等共同組成了調整塔體回傾的系統。文獻[11]對影響塔體回傾方向的因素和相應的措施進行了討論。

6.2 回傾速度

對塔體的應變測試結果表明，回傾加速度對塔體的應力變化有顯著的影響，而控制回傾速度的主要因素為孔的方向和角度以及地基土的均勻性，而回傾加速度則與孔的大小、排布、角度、深度等有直接關系。

回傾速度突變對塔體洞口、角部等應力集中部位以及地基的變形都會產生明顯的影響。降低回傾加速度，使土體的塑性變形緩慢發展，才能保證塔體回傾均勻、緩慢。常見的技術措施包括：深淺錯落設置的孔深設計、有間隔的填塞孔洞、施工間歇的有效利用等。

結合地基有效壓力分布使孔深錯落有致地布置，根據實時監測數據，試探性的使部分孔逐漸延伸、穿越重心投影線，隨著土體的塑性變形范圍的擴展、變形量的增大，地基對于塔體的支承力隨之變化，塔體平衡狀態也隨之動態變化。

隨著孔徑擴大與孔深的延伸，孔間土柱剪切漸次破壞，形成塌孔，導致地基變形、塔體產生不均勻沉降。孔徑擴大與孔深的延伸是誘導塔體回傾速度和角度的關鍵性措施，結合實時反饋的塔體位移、應變監測信息，不斷地調整出土量、孔深、孔徑、孔數量以及新增孔的布置，往往是動態施工的常見措施。

圖10為萬壽寺塔糾傾全過程中塔頂傾斜量和時間歷程關系曲線。其中5～20d的日均塔頂回傾量為66.3mm，速率無明顯突變。圖11給出了糾傾前后的西安萬壽寺塔的對比。

圖10 塔頂傾斜量與糾傾時間關系曲線

圖11 糾傾前后的西安萬壽寺塔

孔穿越重心投影線以后，間歇性施工，有序地取出孔內坍陷土體，使塑性變形漸漸累積，以出土量作為回傾量預判的指標，往往較為安全。值得指出的是，因故(或夜間)停止施工時，對孔體進行堵塞、填實，既可使土體塑性(蠕變)得以充分發展，也可保障回傾平穩緩慢。

7 結論

磚石古塔自重大、變形能力較差，而天然黃土地基承載力偏低、多具有較高的壓縮性、對含水率敏感的特點，使黃土地區磚石古塔傾斜具有普遍性。主要結論可概括如下：

(1)鉆孔取土糾傾方案的適用性決定于塔體的結構特點、塔體受損狀況、塔體傾斜的成因、地質條件、地下水位和地基含水率等，尤其是評估施工過程可能誘發的結構強度和穩定性破壞的風險、準確分析傾斜的機理和糾傾過程的力學行為是制定合理方案的基本條件。

(2)磚石古塔糾傾過程中，提高塔體安全性、降低風險主要在于以下三個方面：1)提高塔中軸面抗剪能力；2)改善塔體應力狀態，提高塔體底部局部抗壓能力以及降低應力集中效應；3)增強塔體整體性。

(3)鉆孔取土糾傾涉及的主要因素包含塔整體失穩、中軸面剪切破壞、塔底及塔身局部強度破壞的控制與預加固、鉆孔取土糾傾參數的設計、回傾角度和速度的控制、監測與實時監控等，其核心在于對糾傾過程中塔穩定性和強度的保護。

(4)糾傾施工具有較大的風險性，以實時監控得到的塔體位移、主要受力構件應變等數據作為目標值，通過反演分析不斷修正鉆孔臨界線、鉆孔數量、出土量、孔間距等參數，預測回傾速率和方向，這種全過程控制的方法可降低結構安全風險、削弱潛在風險，值得重視。