（岩土工程专业论文）湿陷性黄土地区砖石古塔纠偏技术研究.pdf

两安建筑科技大学硕士学位论文 湿陷性黄土地区砖石古塔纠偏技术研究 专业：岩土工程 项士生：卢俊龙 指导教师：张荫教授 摘要 砖石古塔是古代高层建筑的典型代表，是研究古代建筑技术和建筑历史的良好素材。然而 由于自然和人为的损坏，现存的砖石古塔都存在不同程度的倾斜和结构破坏，对其进行保护意 义重大，而纠偏是其保护工作中的重点。本文结合黄土地区砖石古塔地基基础及结构特点、震 害现象，对砖石古塔的倾斜原因进行了分析，同时对眉县净光寺塔纠偏工程采用有限元模拟方 法进行了实例分析，并就计算结果与实测结果进行了对比。具体内容及结论如下： ( 1 ) 就湿陷性黄土的湿陷机理及变形计算方法进行了探讨，对黄土的弹性一理想塑性模 型矛u 弹性一硬化模型进行了分析。 ( 2 ) 就砖石古塔倾斜的机理和纠偏技术进行了分析，研究表明：引起砖石古塔倾斜的因 素有上部结构、地基土、其它自然和人为因素等；掏土法和注水法屉湿陷性黄土地区进行砖石 古塔纠偏的两种实用方法。 ( 3 ) 对砖石古塔纠偏过程进行了有限元模拟。按考虑共同工作和不考虑共同工作两种情 况进行建摸，重点对不考虑共同工作时的建模方法进行探讨。 ( 4 ) 通过对眉县净光寺塔纠偏工程的实例分析，就“成孔一软化”法给出了不考虑共同 二作时的模型算例，计算结果与实测结果吻合良好，工程实践表明“成孔一软化”法是湿陷性 黄土地区砖石古塔纠偏行之有效的一种方法。 砖石古塔纠偏是上部结构、基础和地基三者共同工作的复杂过程，还有很多问题需要研究 探讨。 关键词：湿陷性黄土；砖石古塔；纠偏技术：有限元分析 本研究得到国家科技部科技行动计划 建科 2 0 0 i 第0 0 2 号( 2 0 0 1 2 0 0 5 ) 的资助 曲安建筑科技凡带硕十学位论文 曼曼曼曼重量曼量曼勇重量量量皇曼量曼- i 堂勇曼量曼量曼勇曼苎苎曼曼舅苎苎苎苎苎! 堕苎苎曼兰曼曼苎! 兰曼! 曼曼苎堇 r e s e a r c ho nd e v i a t i o nr e c t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yo f m a s o n r yp a g o d a si nc o l l a p s i b l el o e s sr e g i o n s s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r n a m e ：l u - j u n l o n g i n s t r u c t o r ：p r o e z h a n g - y i n a b s t r a c t m a s o n r yp a g o d a sa r cd e p u t i e so fa n c i e n th i g h - r i s eb u i l d i n g sw h i c ha r es o l 3 a t em a t e r i a l si n s t u d y i n go na n c i e n tc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g i e sa n da r c h i t e c t u r eh i s t o r y w h i l ed a m a g e dn a t u r a l l yo r a r t i f i c i a l ，m o s tm a s o n r yp a g o d a sa l es t r u c t u r a li m p a i r e do rd e v i a t e d p r o t e c t i o nt om a s o n r yp a g o d a si s c 珈d 面a n 6o fa l ls a f e g u a 池d e v i a t i o nr e 酣i f i e a f i o ni sf o c a lp o i n t i nt h i s a r t i c l e c o n s i d e r i n g c h a r a c t e r so f p a g o d a s s u b g r o u n d ，f o u n d a t i o n , s t r u c t u r ea n de a r t h q u a k ed a m a g e , d e v i a t i n gc a b , s e $ o f p a g o d a sa r ea n a l y z e d 。a n da sme x a m p l e t h er e c t i f i c a t i o no fj i n g g u a n gt e m p l ep a g o d ai nm e i x i a n c o u n t yh a sb e e ns i m u l a t e dw i t hf e m t h er e s e to fc a l c u l a t i o nh a sb e e nc o m p a r e dw i t ht h ep r o j e c t s u c hw o r kh a sb e e nd o r 站a sf o l i o w s ： 1 f o rc o l l a p s i b l el o e s s ，i t sc o l l a p s i b l em e c h a n i s ma n dd e f o r mc a l c u l a t i n gm e a r l $ h a v eb e e n s t u d i e d t h e ni t se l a s t i c - p e r f e c tp l a s t i ca n de l a s t i c - h a r d e np l a s t i cc o n s t i t u t em o d e l sh a v eb e e n a n a l y z e d 2 ，r h ed e v i a t i n gm e c h a n i s mo fp a g o d a sa n dd e v i m i o nr e c t i f i c a t i o nc o n s t r u c t i o n sh a v eb e e n a n a i y z e d i n d i c a t e ：d e v i a t i n gc a u s e so fp a g o d a si n c l u d es l n l ( 电1 r a lf a c t , s u b - f f o u n df a c t sa n do t h e r f a c t s c o n s e q u e n t i a l l y , d r a w i n go u tc l a ym e t h o da n di n j e c l i n gm e t h o da r eu s e 叫l yd e v i a t i o nr e c t i f i e d m e t h o d si nc o l l a p s i b l el o e s sg r o u n d 3 f h ep r o c e s st od e v i a t er e c t i f i e do fp a g o d ah a sb e e ns i m u l a t e db yf e m t h em o d e lc a nb e e s t a b l i s h e de i t h e ri n c l u d i n go re x c l u d i n gc o - r e a c t i o n a n di nm a i np o i n t ，t h em e t h o dt oe s t a b l i s ha f e mm o d e le x c l u d i n gc o - r e a c t i o nh a sb e e ne x p l o r e d 4 b ya n a l y s i st od e v i a t i o nr e c t i f i c a t i o nc o n s t r u c t i o no fj i n g g u a n gp a g o d ai nm e i x i a nc o u n t y ，a m o d e lf o rd r i n i n gh o l ea n d i gw h i c he x c l u d ec o r e a c t i o nh a sb e e np r e s e n t e d ，t h er e s u l tc o i n c i d e w i t ht h ec o n s t r u c t i o np e r f e c t l y i n d i c a t e d ，t h em e t h o df o rd r i l l i n gh o l ea n ds o f t e n i n gi sa ne f f e c t i v e m e t h o dt or e c t i f yp a g o d a si nc o l l a p s i b l el o e s sg r o u n d h o w e v e r , t h ep r o c e s st or e c t i f yap a g o d ai sc o m p l e x i t y , w h i c hr e l a t e st ot h es t r u c t u r e ，t h e i l 两安建筑科技人学硕士学位论文 f o u n d a t i o n ，t h es u b - g r o u n da n dt h e r ea r em a n yi s s u e st or e s e a r c ho n k e yw o r d s ：c o l l a p s i b l el o e s s ；m a s o n r yp a g o d a ；d e v i a t i o nr e c t i f i c a t i o n ；f e ma n a l y s i s t h i ss t u d yi s s u p p o r t e db ys c i t e e d e p a r t m e n ts c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t p r o g r a m j i a n k e 2 0 0 1 n o 2 ( 2 0 0 1 - 2 0 0 5 ) i i l 声明 y8 z t l 9 0 8 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：声蚴 关于论文使用授权的说明 日期：a 。扩岁，占 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复e p 件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：声7 蜊 导师签名：；咨甄 日期：卫耐。5 ，7 、 注：请将此页附在论文首页。 ，。一i ；，一一一i 。皇窑錾鳖垒尘呈筌圣型曼曼苎舞舅苎一 ! 兰坚暮重至曼苎莹苎羞曼曼重型皇妻曼莹曼勇莹! 苎苎曼里! 曼曼! ! ! ! ! ! ! ! 1 2 2 2 2 2 1 绪论 1 1 研究课题的提出 我国是世界文明古国，历史留存下来的古建筑很多。砖石古塔是这些古建筑的重要组成部 分，是古代高层建筑的代表，堪称古代的摩天楼。砖石古塔现存数量很多：仅在西安地区就保 存了各类砖石古塔2 0 0 多处，在全国更是有成千上万座之多，可时在国外也保存了很多砖石古 塔。这些砖石古塔不仅为研究古代建筑技术和古建筑史提供了丰常的物质素材，而且对研究古 代的政治、经济、文化、外交、艺术、宗教均有无法替代的价值。同时，造型优美、各具特色 的砖石古塔还是先辈们留给我们的“不可多得，失而不复”的宝贵人文资源，是笈展旅游事业 和进行爱国主义教育的优秀文化素材。因此，砖石古塔是我们的财富，是我国的国宝。 但是，由于古代建筑技术发展水平的限制阻及自然与人为的破坏，大多数砖石古塔都存在 不同程度的结构搅坏和倾斜问题，且倾斜问题尤为严重，“十塔九斜”己成为公认的事实，个 别的古塔则由于倾斜过度已经倒塌，表1 1 、表1 2 分别为国内外一些有代表性的砖石古塔的结 构破坏和倾斜情况。 国内一些砖石古塔的结构破坏和倾斜情况 表1 1 塔名倾斜方向倾斜角或塔顶倾斜量 裂缝部位裂缝形式 大秦寺塔 东北3 。1 5 8 2 ”卜一3 层竖向、倾斜 八云塔 东北 1 o 3 6 2 5 2 ”1 层 倾斜 耀县塔西南 l 。2 4 2 7 4 ”l 层倾斜 兴平北塔东北 0 。1 6 7 3 65 ”1 层竖向 大像寿培东一匕 3 o 3 6 4 8 2 ”1 2 层倾斜 报本寺塔 东北4 。3 5 4 7 6 ”8 9 层竖向 圣寿寺塔东北 0 。1 9 3 1 5 ”1 层竖向 万佛寺塔 东北2 o 4 27 钾6 ” 1 层 倾斜 兴教寺塔 西南不详1 2 层竖向 常熟兴福寺塔+ 东北1 3 2 5 m7 胡层倾斜 兰州白塔 西北 8 ，打，” 不详竖向 太原永柞寺东塔。不详 0 8 6 4 6 埘 1 2 层竖向 都江堰耋光塔东北 1 。2 9 + 1 9 ” 1 4 层竖向、倾斜 阿安建筑科技大学矾士学位论文 国内外一些砖石古培的倾斜情况 表1 2 塔名倾斜冉向倾斜角或塔厩倾斜量 南京定林寺塔+ 不详7 。3 0 1 净光寺塔东北 4 0 2 0 苏州虎丘塔西北 3 。5 9 绥中蜡不详 1 2 。 护珠塔 不详 了。 玉泉塔不详1 5 9 广西崇左县斜塔 不详4 63 6 7 4 6 海盐镇海塔不详1 2 5 o 万寿塔西北 j 1 7 州 延安宝塔西北0 3 聊 意大利比萨塔南5 。2 8 0 9 ” 印度泰姬陵尖塔不详0 2 1 6 m 注：表1 1 、表1 , 2 中标。者已纠偏，表中所列倾斜值为纠偏前的数值。 所以，目前报多砖石古塔亟待纠偏或加固。在我国，虽然自】9 7 8 年以来，占塔倒塌现象 已基本杜绝，但一些地处经济欠发达地区或偏僻地区的古塔，尤其是一些不著名的小塔，例如 墓塔，基本无修茸，己岌岌可危，急需保护。些古塔虽未倒塌但倾斜量过大，加之风及地震 的影响，会在古塔地基内产生较高的不均匀应力，导致地基小均匀变形( 扰降) ，更加剧了塔身 的倾斜，会引起塔体整体倾覆；或是在结构内产生高应力，导致结构材料破环。特别是西北地 区的一些砖石古塔，因处于湿陷性黄土地区，且建造年代久远，上述破坏尤为严重更是迫切 需要保护( 表1 3 为对西安地区周围一些砖石古塔的调查结果) 。 西安地区周围一些砖石古塔现状调查结果 袁1 3 塔名 修 建 时期现状 大椎塔 唐永徽三年 沉降倾斜，划待保护 小雁蜡 唐景龙年问 表现良好，期待深入研究 兴教奇塔唐麟德元年 南斜，急待保护 法王塔 隋仁寿元年 破损严重，已迁移 香积寺塔 唐神龙二年 1 9 7 9 年维修，良好 半严寺塔唐贞元十九年 两塔破损倾斜急待维修 从上述分析可以看出，砖石古塔的各种破坏都与其倾制有很大关系，所毗在砖石古塔的保 护。作中，纠偏是极其重要部分。因此对古塔的纠偏技术进行研究在我国乃至世界都具有重 西安建筑科技大学硕士掌位论卫 大意义。一方面，可以保护砖石古塔，增强其稳定性和硎久性，提高其抗震能力；另一方面， 对其它，些高耸结构物诸如烟囱、水塔、筒仓等结构的纠偏、抗震加同、地基处理也有指导意 义。 1 2 湿陷性黄土地基处理及加固技术研究现状 湿陷性黄土是一种特殊的粘性土，具有一系，q 不同于一般的粘性土浅部物质成分和外部形 态特征。它在一定压力下遇水浸湿后，会发生显著的附加下沉现象，称之为湿陷，黄土的湿陷 性与其分布和成因有很大关系；湿陷性在工程上往往是有害的，它会引起建筑结构的不均匀附 加沉降，引发工程事故；为了减小或避免湿陷性带来的危害，可采用合适的处理方法对地基进 行处理。 1 2 1 湿陷性黄土 工程地质学中对黄土的定义为第四纪陆相沉积物i l 】，是由未经周结的并有5 0 以上为 o 0 0 5 0 0 5 m f 的粉土颗粒所组成，一般呈灰黄色，富含易溶盐及钙质结核。黄七中碎屑矿物 占7 0 左右，粘土矿物约占2 0 3 0 1 前者班长石和石英为主，其中重矿物占碎屑矿物的5 9 。黄十土性松散，具有肉眼可见的大孔隙，柱状节理发育，干燥时较坚硬，能保持直立徒壁， 遇水浸润后易崩解，并产生大量的沉陷( 湿陷) ，从而使工程地质条件复杂化。 黄土在我国分布面积广【2 】，约占全国面积的6 6 。主要分布在北纬3 0 。4 7 。，东经 7 5 。1 2 7 4 之间；尤其在黄河中游地区，有厚层黄土连续覆盖；在我国西北和华北等地区广 泛分布，面积达6 0 万i m 2 ，厚度一般为2 0 3 0 m ，最厚可达2 0 0 。 刘于黄土的成因国内外曾有多种学说【2 】 主要有风成说、水成说和多种成因既三种。风成 说认为在当时干旱的大陆性气候的作用下高度风化的黄土物质受到强人的反旋风从中部呈 离心状吹向荒漠的边缘地区，当遇到异向风或降雨时沉落于地面，经风化成土作用而形成黄土。 水成说认为黄土的整个堆积过程与整个地形、地貌的发展过程关系密切；早期，随着盆地四周 山坡降水下流而汇集于山间或三角洲处的黄土冲积物，堆积成黄土高原，在一定盆地内有一定 的分布高度，称之为黄土线，黄土线代表着过去河流淤积的最高地面，超过这一高度就没有黄 土的分布。多种成因说则认为各地区黄土形成的地质地理环境以及这些环境的演化历史是不 相同的。根据这一原则，将我国的黄土成因划分为十种类型，即冲积、坡积、洪积、风积、冰 水沉积、湖积、洪一坡积、冲一洪积、残坡积、冲一坡积。这些学说的分歧点主要在于高原 和高分水岭的黄土的成囡问题上，而对分布于河谷地带的黄土，则各种学说的意见基本一致， 都认为主要是冲积类型，也问有洪积、坡积、或洪一坡积类型。 黄土的湿陷性是指黄土当所受外荷不变时，经浸水后发生大量沉陷的性质，一般认为湿陷 是由黄土的结构被破坏引趁，湿陷会使建筑物发生附加的沉降或不均匀沉降危害性很大。 是由黄土的结构被破坏引起，湿陷会使建筑物发生附加的沉降域不均匀沉降，危害性很大。 曲安建筑科技大学硕士学位论文 1 2 2 黄土湿陷性的危害 在太多情况下，湿陷变形对结构物是有危害的。主要体现在两个方面：一是在静力方面， 地基湿陷变形会弓1 起结构物的不均匀沉降，导致结构物倾斜、墙体产生裂缝、结奉句下沉等t 见象， 影响其正常使用。二是在抗震方面，在地震发生时，地基士在液化的同时还含发生湿陷，产生 震陷，加重结构的震害。 1 2 3 湿陷性黄土地基处理及加固技术研究现状 消除湿陷性黄土的湿陷性对建筑物的影响可采用一些地基处理方法，这些处理方法主要是 通过消除湿陷性，提高地基承载力，减小地基的不均匀沉降：对由于沉降不均而引起倾斜的建 筑物，可用纠偏技术对其进行纠偏。 近年来【2 i ，国内外地基处理技术发展十分迅速，老方法4 ；断改进，新方法不断涌现。就地 基处理方法的性质而言，主要有：换填法、挤密法、化学加周法和土工聚台物法等。处理湿陷 性黄土的地基处理方法主要有以下几种： a 重锤表屡夯实该法是在基础底面标高以上待夯实的天然土层上进行的，适用于处理饱 和度不大于6 0 的湿陷性黄土地基。一般采用采用2 5 3 。o t 的重锤，落距4 o 4 ，5 m ，可消 除基底下1 2 1 7 5 m 黄士层的湿陷性。在夯实层范围内，土的物理、力学性质得到显著改善， 平均于重度明显增大，压缩性降低，湿陷性消除，透水性减弱，承载力提高。 b 强夯法该法是将8 4 0 t 的重锤( 最重的达2 0 0 t ) 超吊到1 0 2 0 m 高处( 最高可达4 0 r e ) 而后自由下落，对土进行强力秀实，以提高其强度，降低其压缩性和消除其湿陷性。是在重锤 夯实法的基础上发展起来的一种新的地基处理方法，其理论和设计计算方法目前尚未成熟与完 善。 c 换填法在湿陷性黄土地基上设置土垫层是我国一种传统的地基处理方法，已有近两千 年历史，目前仍被广泛采用。先将处理范围内的湿陷性黄土挖去，然后用素上或灰土在最优古 水量状态下分层回填夯( 压) 实。采用土垫层处理湿陷性黄土地基，可用于消除基础底面下1 3 m 厚土层的湿陷性，减少地基的压缩性，提高地基的承载力和降低土的渗透性。 d 土桩挤密土( 或灰土) 桩挤密是加固地下水位以上湿陷性黄土地基的一种方法。它是 利用打入钢套管或振动沉管、炸药爆扩等方法在土中形成桩孔，然后分层填入索土( 或灰土) 并夯实。在成孔和夯实的过程中，原处于桩孔部位的土全部挤入周围土层中，使桩周一定范围 内的天然士得到了挤密形成复合地基，从而消除了桩间土的湿陷性并提高了承载力。 e 化学加固法化学加固法是将种或多种化学溶液，通过注浆管，以外加压力或自流方 式轮番注 士中，溶液本：身与土中化学成分产生化学反应，产生胶凝将松散的土粒或土粒集合 体胶结成为整体，从而提高七的强度，消除湿陷性，降低透水性。注 的浆被材料主要有硅酸 西安建筑科技大学硕士学位论文 钠( 又称水玻璃) 、氯化钙、氢氧化钙、铝酸钠等，建筑工程中常用的主要有水玻璃和水泥浆 材。 f 预浸水法预浸水法是在修建建筑物前预先对湿陷性黄土场地大面积浸水，使土体在饱 和自重压力作用下发生湿陷产生压密，以消除全部黄土层的自重湿陷性和深部土层的外荷湿陷 性。 除了上述方法外，常用的方法还有热加固、水下爆破法、水泥土搅拌法、单液硅化法和碱 液法等地基处理方法。 1 3 砖石吉塔纠偏加固技术的研究现状 砖石古塔的形式很多且其结构各具特色，相应的基础形式也随之变化；但是，建造年代久 远和受人为或自然因素的影响，造成了砖石古塔的“十塔九斜”；因此，砖石古塔的纠偏是一 个迫切需要解决的问题。该类技术在国内外都有一定的发展，有很多成功的经验，同时也存在 着需要继续探讨的问题。 1 3 1 中国砖石古塔概述 塔是随佛教传入我国的【3 】，最初建塔的目的是为纪念释迦牟 尼，后来成了历代高僧圆寂后埋藏舍利子的建筑，最终成了一种 纪念性建筑。般由塔刹、塔身、基座构成，有的塔下有地宫， 可以用来存放舍利函( 如图1 1 所示) 。 我国的砖石古塔主要有佛塔和文峰塔两类，佛塔的形式主要 有楼阁式、密檐式、喇嘛塔( 即藏传佛塔) 、金刚宝座塔、无缝 塔几种类型；文峰塔是风水学说的产物，并且名称很多，有风水 塔、文笔塔、文峰塔等，多数称文峰塔，其形式多采取佛塔的式 样，甚至在塔身上也雕刻佛像，变化也比较多。除上述形式外， 还创造性的做出许多特殊式样，如云南大姚白塔，在八角塔身上， 安放一个大圆球，形象极为特殊。甘肃陇东塔儿弯塔，做成一个 极为纤瘦的像细柱式样的塔；河北正定广惠寺花塔，是个大塔 图1 1 古塔的构成 带五个小塔，互相连在一起，塔顶做成小型房屋，以代替瓦面，实质上是一座金刚宝座塔了； 山西阳城龙泉寺塔，在第十层支出平座，成为空中楼阁；河南安阳天宁寺塔，上大下小，式样 与常见的塔不同；呼和浩特万部华严经塔，上下一般粗，没有收分：山西曲沃一塔，平面做成 正圆形，如同一个烟筒；山西河曲一塔，做成一支大笔式样。 另外，从建塔的地点及位置看，一般佛塔都建在寺院里，个别的建在寺院外侧。寺院在我 国分布广泛，从平川到深山，从城镇到乡村，都建有寺院。凡是历史悠久的古老寺院，都必然 曲直建筑科技大学硕十学位论文 e l 有塔，只是有的寺院园年代久远而毁蛔：，就只剩下孤塔，这也是常见的情况，所以说“有塔必 有寺”但“有寺不一定有塔”。 我圈的占塔从小到大，从砖塔到右塔，从佛塔到文蜂塔，从方形到六角彤、八角形、圆形- 从经塔到造像塔：类型各种各样，形式电是变化多端，现今还保留着艰多，说明了我国古代劳 动久民在造塔工程技术方面的成就很高，以砖塔来说，一座十三层的塔可建造岛达8 0 余米， 相当于现代楼房2 0 多层。用砖块把塔建造到如此高度，而截面积相对又很小，如果没有很高 的工程技术水平是不可能建成的。 这些古塔耸立在祖国辽阔的大地上，展示着中华民族传统文化中的建筑兰术，以及建筑工 程技术的高超水平；不仅反映了佛教史逊，更主要的是体现了我国古代建筑的伟大业绩。 1 3 2 砖石古塔的基础形式 由于古代建筑技术条件的限制，砖石古塔的基础形式一般比较简单。通常是建造一高度不 大的基座作为基础，有的则不设基础，而是在地面上直接建造且很少采取相应的基础加强措施， 平面形状一般与塔体结构的平面形状一致，只是尺寸上 e 塔悻底面稍大一。点。基座的砌筑材料 一般为毛石或方砖，有的则为砖皮土芯，即仅在外围用砖砌筑，中间用土夯实，以整体作为基 座，同时由于上部结构对基础的约束作用，使得基础的抗弯刚度很大。因此，在对砖石古塔基 础进行受力分析时，可采用刚性基础模型。 1 3 3 砖石古塔的结构形式 砖石古塔的结构形式有实心、空心、职简式，还有中问为立柱的单简式的。其结构类型拨 内部构造的不同分为以下几种”j 。 a 空简式结构空筒式结构是一种象征性的叫法，它是由砖壁的形象概念引申出来的，它 的结构方式是外壁砖砌，各层采用木楼板、木楼梯：由于这类塔截面面积小，层身各层高也 成为丁一个“筒”的概念；它与实心结构的塔对比，一实一空也成了称其为空简的依据。空 筒式结构有方形、六角形、八角形、也有圆形，其变化基本遵循塔的形状的变化而变化。 b 壁内折上式结构这种结构方式的主要特征是以塔的壁体、楼层、塔梯三部分结台成为 一体，这种做法可以增加塔内空间，使塔室更加宽敞。由于它将塔梯藏于塔的外壁之中，所以 省去塔梯所占的空间位置，使塔室面积增大，与空筒式结构比较，增加了横向约束，加强了结 构的肇作性。此种结构的塔梯，一般都按塔的边角方向平行折上，平面方形的即采用方形折上， 平码i 六角形的即采用六角形折上，毗此类推。 c 壁边折上式结构此种结构也是以塔梯束确定即塔梯沿塔的内壁壁边曲折而上，故名 之；这种结构的塔内部仍然采用空筒式，只是并楼层与外壁连接在一起，并在内壁壁边设置塔 西安建筑科技大学硕士学位论文 梯，塔梯按照各层塔室内壁面角度曲折而上，各层间以塔梯连接。 d 穿壁式结构与穿心绕平座式结构由于砖塔外围都有一个厚壁，在设计造塔时采取穿壁 结构，塔梯在厚壁中穿入上下；第一层做塔室，不设塔梯，不存在穿壁问题，但从第二层开始， 则利用外壁作塔梯，穿上穿下，每一层均在门窗处调转方向，这就是穿壁式结构。 e 错角式结构错角式结构是按层边角相错，这在空筒式结构的塔中常见，它是在塔内各 楼层做方形空井，逐层边角相错，从底层可以一直望到顶层。 f 回廊式结构回廊式结构系指内廊而言。按塔的平面形式分别有三种：第一种是中柱回 廊式，塔梯在廊内；第二种为中柱回廊式，塔梯穿柱中；这样的塔面积与上述相仿，塔梯利用 中柱的中心部位前后穿通；第三种是塔内回廊式，塔梯分三类处理方式，分别为塔室设梯子、 梯子在回廊、梯子在塔的外壁内。 g 穿心式结构穿心式指塔的内部结构而言，其特征是一进塔门即是塔梯；塔梯通过塔中 心部位，斜着向上穿进，到上一层再调转方向穿进，层层如此；或者仅在下部二至三层采用此 种方式，各层塔梯中没有转折。凡属不做塔室的塔层，才做穿心式结构。 h 实心结构 实心式结构虽然由砖砌筑，但大多外部仿照木结构方式，故有“虽由砖做， 宛如木构”之说；实心结构塔的内部全部砌砖，从残破旧塔上可观察到，砌砖线没有规律性， 砌法也不整齐，灰缝过大，实际是一个乱砌的砖钵。 i 扶壁攀登式结构在塔中自底至顶扶壁攀登，还有一种是在塔中做壁内折上与扶壁攀 登的方式。在分析扶壁攀登式时，把它与壁内折上与扶壁攀登式相结合的方式放在一起来分析， 以便更充分地证明这种结构方法的意义，将其总称为扶壁攀登式结构。 j 螺旋式结构砖塔中有一种内部螺旋式的，是建塔时在内部即保留一种螺旋式样，自第 一层至顶端层层按圆形折上。螺旋式的特点，没有生硬的折角，顺其自然，登塔时有舒适之感， 是宋代对塔内部结构进行改革的又一创举。 k 混合式结构凡是一座塔的内部结构采用两种或两种以上的结构方式的，就可称作混合 式结构。有的塔将壁内折上式与穿心式合用，有的则运用穿心式、壁内折上式、回廊式构成内 部结构，不管是哪种结合方式，统成为混合式结构。 1 3 4 砖石古塔的震害分析 a 砖市古塔地震反应特点b i s l 砖石古塔属高耸结构，体形简单且构件单一，一个截面的 破坏就造成整个结构的破坏，属静定结构，从多道抗震防线这一点来看，其抗震能力远低于超 静定结构，地震反应主要有以下特点：地震时竖向地震反应显著，对结构破坏十分明显。 砖石古塔一般为高柔结构，基本自振周期正较长，以西安大雁塔为例，高6 3 2 5m ，z 为0 6 7 s ； 高振型对结构影响十分明显；由于竖向地震动主要周期与水平向相差不大，但砖石古塔的 西安建筑科技大学硕士学位论文 竖向自振周期则小于水平向，竖向地震反应仍以第一振型为t ：水平位移反应较大，故p 一 效应明显，对竖向地震反应的影响也很大。 b 砖市古塔震害分析7 】吲地震对古塔威胁很大，历史上每经一次强烈的地震，总会有一 批古塔遭至q 破坏，甚至倒塌而消失：地震区现今尚存的重要古塔，大部分已是经历地震的破坏 而后经过修复以保持了现今的概貌，多数已内伤累累，抗震能力降低。对历史震害资料进行分 析后，总结出砖石古塔具有以下震害现象和规律。 ( 1 ) 塔刹震落或震歪。位于塔顶端的塔刹一般质量比较集中，自身高度也比较高，塔刹 在地震作用下由于鞭梢效应将产生较大的地震力，因此塔刹震害比较普遍。例如西安大雁塔 1 5 5 6 年华县8 级大地震中，塔上宝顶被震倒：有的塔刹在6 度烈度影响下就产生震害，如北京 通县燃灯塔在1 9 7 6 年唐山大地震时，当时烈度约6 度，但该塔塔刹被震歪。 ( 2 ) 顶部震塌。在地震中，塔身中、下部被震断裂很少见，甚至塔壁产生类似“x ”之 斜裂缝亦很少见，但塔顶局部散塌现象却有不少震例，如西安小雁塔在1 5 5 6 年华县大地震中 使其顶上两层震毁，由原1 5 层变为现今1 3 层。砖塔一般愈往上愈急促收缩，截面变小，塔顶 部受到高振型影响比较大，加之砌筑塔的粘结材料强度低，在强烈地震作用下，顶层容易被震 散而导致局部塌落。因此，砖塔上、下部截面形状改变也是导致上部容易塌落的原因。 ( 3 ) 沿塔竖向中轴线劈裂。在强烈地震中，砖塔沿竖向中轴线劈裂是比较普遍而重要的 规律，它是导致砖塔严重破坏以致倒塌的主要原因和标志，也是研究砖塔地震破坏机理的重要 依据。按照传统理论分析，塔体的最危险截面应是在底部，而且抗剪能力要远高于抗弯能力， 在地震作用下，塔体底部会产生由弯矩引起的破坏，塔体应向一边倾倒，但实际震害却是底部 未坏，而在弯曲应力和剪切应力都很小的顶部产生竖缝和震落，这与传统观点是矛盾的。研究 表明，砖塔沿竖向中轴线发生的裂缝，以至破坏，主要是由剪应力引起的。砖塔结构可视为底 端固定的悬臂杆，在地震力的作用下，在弯曲杆中和轴处将产生最大剪应力，而古塔一般沿中 轴线习惯开设门窗洞，更增大了剪切破坏的可能性。从一些震害现象来看，砖塔在地震时沿中 轴线的破坏首先是在中轴线处沿竖向发生剪切错位，形成齿缝，然后随着余震的反复作用，剪 切变形亦来回错动，偶尔使变形复位，从而出现竖向裂缝闭合的现象，如历史资料所记载的西 安小雁塔“塔一夕如故，若有神之比台也”。但是，塔在地震中发生竖向裂缝闭合，只有在地 基或场地条件良好而具有一定弹性的情况下才可能发生；如塔基不良，当发生较大变形时，塔 身竖向裂缝还可能逐渐扩大，导致塔体倒塌，四川彭县龙兴寺塔即由于地基不良而劈裂后，其 中一半发生倒塌。 1 3 5 砖石古塔纠偏技术研究现状 建筑结构的纠偏技术是指既有的建筑物偏离垂直位置 9 1 ，发生倾斜而影响正常使用时所采 取的纠正措施，是一项难度较大，责任性较强和有一定风险的技术。纠偏中采用的思路和手段 硝安建筑科技人学地士学位论义 是人为地调整基础的差异沉降，以达到纠倾目的。常用的纠偏方法主要有顶升或抬升法、迫降 珐、阻沉法和调整上部荷载传递体系法几种。这些纠偏方法在宴际的纠偏工程中可选用一种或 同时采用几种，具体情况应依据一l ：程实际而定。 古塔的加固及纠偏是一个世畀毪难题且发展比较缓慢，其难度私风险性远远高于正常的地 基基础施工技术。我国工程人员主要在以下几个方面对古塔加固技术的研究【4 0 ：周 差i 环境状况 的研究、古塔现状测绘、塔体材斟性能试验、占塔结构可靠性诊断的系统方法研究、维修加固 等。国内外目前对古塔纠偏技术的研究主要是通过实际工程米进行的，采用的技术也是各种各 样，大多工程都可取得良好的纠偏效果，例如，列意太利比萨斜塔的纠偏是在第一层塔身套上 不锈钢加固套后，然后在塔身的一侧安放4 0 0 t 的铅块以“堆压”进行纠偏的。我国专家刘祖德 曾指出用“地基应力解除法”解决比萨斜塔的倾斜问题在理论上是合理的，但未进行实际工程 验证。 在我国，对砖石古塔的纠偏加固也积累了很多经验 1 。】 “心】。在苏州虎丘塔的地基加固工程 中，曾提出过采用钢板桩包围地基土、地下连续墙，或悬喷法成桩来加固塔基，进些方法理论 上可行，但因在实际工程存在斗；同的困难而被否定，最后决定先采用挖孔桩建造排桩式地下连 续墙，然后进行内外地基的钻孔瘫注水泥浆加圃，俞调梅、唐念慈等对虎丘塔的加固进行了论 证工作。在太原永祚寺双塔的修缮过程中，东塔的纠偏采用了“沉井掏土法”；在对其进行地 基加固时，先采用水泥土桩对塔基在一定深度范围内进行围箍，使其形成隔水帷幕，防止外部 水渗入塔基引起地基土湿陷变形，然后采用3 ：7 灰土垫层进行封闭，提高了地基土的承载力， 增强了地基的稳定性。位于陕西省西安市的大雁塔目前正以每年1 肌聊的速度向西北方向倾斜， 为了阻止大雁塔的倾斜，1 9 8 3 年成立了“大雁塔倾斜问题及其加固的研究”课题组，课题组提 出的对太雁塔加固维修的设想和建议如下：采取探查、保护、围基、箍体、防渗、排水等方法 进行加固，目前，大雁塔的加固维修方案正在报批中。在陕两属县净光寺塔纠偏工程中，采用 了“成孔注水软化”的纠偏方法，取得了极大的成功，倾斜矫正量达6 1 。位于江苏省南京 市江宁区方山北麓的定林寺塔，倾斜角达7 。3 1 5 3 ”，超过闻名于世的惫太利比萨斜塔，在 对其进行纠偏时，首先进行止倾加固，即采用人工挖孔，在离塔外壁3 m 处四周打1 6 根桩，直 径均为2 m ，并嵌入岩石，形成一个圈，把塔下的土体部分固定住；然后实旋纠偏：进行压力 注浆，适当掏土在动态控制中以极缓慢的速度，部分纠编2 3 。，使塔的斜度回到5 。左右。 另外，我国工程人员还采用“地下注水”的方案纠偏了位于陕西铜川市的延吕塔，用掏土纠偏 技术对常熟聚沙塔和上海嘉定法华塔进行了纠偏，采用组合纠偏法扶正了兰州白塔，这些纠偏 工程都为砖石古塔的纠偏提供了宝贵的经验。很多的工程经验表明，地处湿陷性黄土地区的倾 斜砖石古塔理论上是可阻通过注水，利用地基土的湿陷性或塑性变形进行纠偏的，眉县净光 寺塔纠偏： 程中采用的“成孔一注水软化”的纠偏方法即是利用了该点。 虽然国内外在对砖石古塔纠偏方面的经验很多，但对砖石古塔纠偏的理论研究和分析尚且 9 西安建筑科技人学硕士学位论文 不足，未形成完整的理论体系，在数值计算上的方法也不完善，需要进一步探讨。 1 4 本文的研究内容与方法 1 4 1 研究内容 本文的研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 对湿陷性黄土的湿陷机理及变形计算方法进行探讨，对湿陷性黄土地基变形的计算 方法进行分析。 ( 2 ) 结合砖石古塔的震害现象，对砖石古塔倾斜的机理及各种纠偏技术的适应性进行分 析，重点对湿陷性黄土地基条件下砖石古塔的纠偏技术进行探讨。 ( 3 ) 对砖石古塔纠偏的有限元模拟方法进行探讨，对地基基础一上部结构的相互作用 对砖石古塔纠偏有限元建摸方法的影响进行分析。 ( 4 ) 对眉县净光寺塔纠偏工程进行有限元模拟，并将计算结果与实际纠偏效果进行对比分 析，探讨“成孔一软化”纠偏方法在湿陷性黄土地基条件下对砖石古塔进行纠偏的适用性。 1 4 2 研究方法 ( 1 ) 理论分析：结合湿陷性黄土地基的特点与湿陷性的危害。分析砖石古塔倾斜的机理， 对各种纠偏技术的原理、特点、适应性以及砖石古塔纠偏的有限元建模理论和方法进行探讨。 ( 2 ) 试验研究：以眉县净光寺塔纠偏工程资料数据为试验数据。该工程采用了“成孔软 化”的纠偏方法，即先在塔基下一定位置打一排倾斜的孔，然后向孔内注水，使土体软化，从 而使塔体在自重作用下回倾。 ( 3 ) 有限元分析：结合眉县净光寺塔纠偏工程，以刚性基础模型作为塔基模型，采用地 基土( 湿陷性黄土) 的弹塑性模型，建立砖石古塔的纠偏计算模型，分析在纠偏过程中砖石古 塔地基的受力和变形特点，比较计算结果与实际工程之间的差异，并分析二者产生差异的原因。 西安建筑科技人学硕士学位论文 2 湿陷性黄土地基的变形机理及计算分析 2 1 引言 西北地区的砖石古塔均处于湿陷性黄土地区，黄土的湿陷特性对砖石古塔纠偏技术的选择 有重大影响，湿陷性黄土是- - ；f 十l l 较常见的特殊土，它的最大特点是，在土体自重压力或自重 压力与附加压力的共同作用下受水浸湿时将产生急剧而大量的附加下沉，即湿陷变形。由于各 地区黄土形成时的自然条件差异较大，其湿陷性也有较大区别。有些湿陷性黄土受水浸湿后在 土自重压力下就产生湿陷，而另一些黄土受水浸湿后只有在自重压力和附加压力共同作用下才 能产生湿陷，前者称为自重湿陷性黄土，后者称为非自重湿陷性黄土。不同类型的湿陷性黄土 在外力的作用下，变形的特点不同，引起地基变形的程度也不同。 2 2 湿陷性黄土的物理力学性质 湿陷性黄土的物理力学性质较复杂，主要有以下特点 1 3 】： a 孑l 隙率湿陷性黄土具有高疏松性的特点，土体中有肉眼易见的大孔隙。黄土的孔隙率 一般为4 0 6 0 ，非湿陷性黄土和已湿陷过的黄土孔隙率较小，湿陷性黄土的孔隙率较大。 黄土的孔隙率比普通土的孑l 隙率大，这与黄土成成与存在的具体条件有关，还与黄土浸水时是 否易于产生湿陷有关。 b 塑性黄土的塑性在很大程度上取决于黄土颗粒的分散度，矿物成分、形状和弹性，尤 其取决于黄土的结构和含水量，黄土的塑限含水量可以作为估计黄土湿陷“起始含水量”的指 标。 c 抗压强度天然含水量下黄土的抗压强度很大，沉陷通常 i p j , 。原状黄土具有相当高的 承载力和较小的变形，其压缩性与普通的低压缩性粘土没有多大的区别。但当含水量增加时， 黄土的强度急剧降低，所以在压缩荷载的作用下，黄土一般具有高压缩性。 由于含水量能改变黄土的物理状态，那么在不同的含水量下，黄土在荷载作用下可呈现弹 性状态、塑性状态和粘滞状态。试验表明，在同样的压缩荷载下，随着含水量的增加，塑性变 形将逐渐增加，相应的，弹性变形逐渐减少。 d 抗剪强度在天然含水量和天然密度的条件下黄土的抗剪强度和抗压强度一样，完全 取决于黄土的物理状态。同样的，天然状态下黄土的抗剪强度指标很高，浸水后会大大降低。 e 渗透性由于黄土中存在很大的孔隙，而且粘粒含量较低，所以，天然状态下黄土的渗 透性也较强。只有在湿陷过程全部结束后，即黄土处于密实状态时，它才具有固定的渗透系数 值。 西安建筑科撞人学硕十学位论文 山于黄土中大孔隙和铅直管状孔隙的存在，黄土的渗透具有各向异性的性质，铅卣向的渗 透性比水平向的高。 f 湿陷性黄土的湿陪性指标通常用湿陷系数8 ，来衡量。湿陷系数6 。为： 占一h - - h i ! 尘三t ，2 1 ) d = 一 z 1j ， ol 十 式中，厅一土样在压力p 作用是下沉稳定后的高度( c 州) ： 一上述加压稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定后的高度( 硎) ； 饥一土样的原始高度( c m ) ； p 一土样在压力p 作用下下沉稳定后的孔隙比； s 一上述加压稳定后的土样在浸水作用下下沉稳定后的孔隙比： “一土样的原始孔隙比。 湿陷系数占。很大程度上取决于土的密度和古水量，并且是随着密度和含水量的增加而减 小。在不同的压力下，湿陷系数并非常量，它将随着压力的增加而增大。当黄土浸水时，湿陷 系数也会大大减小。 黄土是在干旱和半干旱6 i 候条件下形成的欠压密土，但它并不是在任何荷载作j j 下受术浸 湿都会产生湿陷，因为黄土本身有一定结构强度，当压力较小时受水浸湮，田于它在颗粒接触 处所产生的剪应力小于其结构强度，q 一般粘性土一样，只产生少量的压缩变形。只有当压力 增加到某一数值以致剪应力大于其结构强度，下沉速度才突然加快，这个黄七开始湿陷时的压 力称为湿陷起始压力。当湿陷性黄土实际所受的压力大于或等于土的湿陷起始压力时，土就开 始产生湿陷，否则，只产生压缩变形而不产生湿陷变形。 2 3 影响黄土湿陷性的因素 黄土湿陷性主要是由它的特殊结构弓f 起的【1 i 1 3 1 【1 4 】，因此影响黄土湿陷性的因素，首先是与 组构有关的几个方面，如微结构，颗粒组成和矿物成分等，这也是各地区黄七湿陷性不同的主 要原因，就同一地区而言，显著影响湿陷性的因素使土的物理性质，其中起主要作用的是孔隙 比和含水量。 2 3 1 黄土微结构对湿陷性的影响 黄土结构是有许多单位和集合体共同组成的，而粘粒、粉粒、腐植质、易沼盐与水形成的 溶液，与沉积在该处的碳酸钙，硫酸钙一起形成胶结物，其聚集的形式随地医不同，差异较大。 以胶结物聚集类型为主的湿陷性强，以l = j i j 聚状为主的湿陷性弱。 2 3