CN106869197A - 黄土地基上倾斜砖石古塔类建筑纠偏的方法 - Google Patents

Abstract

黄土地基上倾斜砖石古塔类建筑纠偏的方法，步骤为：1）对倾斜塔体采取有效可逆的箍紧加固措施，抵消纠偏过程产生的塔中轴面拉应力及在塔体下部产生的局部不均衡过大压应力；2）在塔体基础沉降较小一侧的地面距离塔基边缘开挖导坑，导坑深度应低于塔基底面；3）在塔基下钻孔抽土，抽土孔平面投影方向与塔倾斜方向一致，抽土孔深度越过塔重心所在竖直面；4）抽土孔的位置、数量、深度、顺序及抽土的速度不致在塔底产生不均衡破坏应力，使塔体缓慢平稳的回倾；5）利用塔身所受的重力及软土地基的蠕变特性，迫降古塔基础原来沉降较小一侧的沉降量，实现塔体安全纠偏；具有操作简单、安全可靠、适用范围广及工程成本低廉的特点。

Description

黄土地基上倾斜砖石古塔类建筑纠偏的方法

技术领域

本发明属于砖石古塔建筑纠偏技术领域，具体涉及黄土地基上倾斜砖石古塔类建筑纠偏的方法。

背景技术

中华民族历史悠久，留下了丰富的文化遗存。如珍珠般散布于祖国大地上的古塔建筑无疑在我国古文化传承与保护中占有非常重要的地位。在悠久而艰难的岁月中，这些塔已幻化为当地老百姓的精神支柱。

古塔作为现存不多的古建筑，不仅对于研究我国古代建筑技术的发展具有极其重要的意义，而且对于研究我国古老的历史、文化、艺术、宗教以及政治、外交及经济等均具有无法替代的价值。

塔无不斜，由于古代建造技术的限制及千年岁月的破坏，目前我国现存砖石古塔，大多存在倾斜，个别已经倒塌。倾斜是威胁古塔建筑长久保存的最主要因素。

古塔建筑是古代主要的高层建筑，一般高度较大，可达50~80m以上。加之砖石的容重比较大，一座高大砖石塔对地基的作用力是很大的。眉县净光寺塔地基压应力约400kPa，旬邑泰塔的地基压应力约560kPa。另一方面，古人建塔大多对地基不做特殊处理，一般通过延长建造周期，使天然地基得以逐渐压实，从而获得比较高的地基承载力。

黄土在在我国有着广泛的分布区域。黄土是一种特殊性质的土，其土质较均匀、结构疏松、孔隙发育。在未受水浸湿时，一般强度较高，压缩性较小。当在一定压力下受水浸湿，土结构会迅速破坏，产生较大附加下沉，强度迅速降低。随着环境的变迁，地下水位及土壤含水量可能发生变化，极易引起这些区域的砖石古塔建筑沉降不均匀或倾斜。据记载，我国历史上共造塔10000座左右，现存3000余座。倾斜是威胁古塔建筑长久保存的最主要因素，因保存释迦牟尼舍利而举世闻名的法门寺明塔即由于过度倾斜而于1981年倒塌，1987年重建。这使得文物界、文化界及宗教界的诸多学者无不痛心疾首。

偶亦可见现代钢筋混凝土及钢结构建筑物因不均匀沉降过大而对之实施纠偏者，然现代建筑有3大优势：①整体性较好，②材料强度高，③高宽比较小，因而对其实施纠偏的技术风险要小得多。

黄土地区砖石古塔类建筑的特点是：①塔体多以青砖黄泥砌筑而成，整体性较差，②砖石砌体本就抗拉强度较低，加之千余年岁月的剥蚀，故塔体材料多难以承担较大不均衡应力，③高宽比较大，塔体稳定性较差，④塔体地基压应力远超过其承载力特征值，故在黄土地区尚存在地基失稳的风险。因此对于黄土地区砖石古塔类建筑实施纠偏扶正，其技术风险及技术难度要大得多，绝对不可以缆绳拽拉以求端正！

目前有关黄土地区对倾斜砖石古塔类建筑成功实施纠偏的工程案例尚不多见。国内外见诸报道的其他地区古塔类建筑纠偏工程案例及方法特点见下表：

以上工程案例中，南京定林寺塔倾斜最严重，斜7.59°，但塔体高度较小，工程难度及风险也相对较小；太原双塔东塔塔体高大、纠偏量也较大，但塔体倾斜较小（2.93°），塔体倾斜变形速率较小，工程风险也相对较小。国际上最具影响的古塔纠偏工程唯意大利的比萨斜塔。比萨斜塔的纠偏与加固工程影响最大，持续时间最久，投入的资金最多，动员的技术力量最强。

以上国内工程案例中，其塔体纠偏多借助于竖井掏土纠偏，并结合钢缆牵引。其特征是：①在古塔基础沉降较小一侧的塔基边缘设置基干竖井；②在竖井与塔基底部设置若干与竖井井底相通的斜井；③通过竖井用压力水和空压气将塔基下部土体冲刷成淤泥状土；④将淤泥状土经斜井运至地面，根据排出泥土量控制古搭沉降较小一侧基础的沉降量；⑤经纠偏，古塔达到预定位置后，在竖井和斜井中回填砂或砂土。可以看出，这种方法不仅比较复杂，不便应用于地下水位较高的地区，在黄土地区还容易引起地基抗剪失效。至于比萨斜塔纠偏，虽影响较大，然其纠偏量较小（约450mm），其纠偏主要借助于一种专门开发的钻机，并有较大配重，其工程成本自然较高。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供黄土地基上倾斜砖石古塔类建筑纠偏的方法，具有操作简单、安全可靠、适用范围广及工程成本低廉的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：黄土地基上倾斜砖石古塔类建筑纠偏的方法，包括以下步骤：

1）对倾斜塔体采取有效可逆的箍紧加固措施，以抵消纠偏过程可能产生的塔中轴面拉应力及在塔体下部产生的局部不均衡过大压应力；

2）在塔体基础沉降较小一侧的地面距离塔基边缘3～5m处开挖导坑，导坑深度应低于塔基底面0.8-1.2 m，导坑水平尺度以便于设备操作为宜；

3）以洛阳铲或机械钻孔设备在塔基下0.5-1.2 m深度范围内钻孔抽土，抽土孔孔径不大于150mm，抽土孔平面投影方向与塔倾斜方向一致，立面投影与水平面呈10～15º夹角，抽土孔深度越过塔重心所在竖直面100～200mm，该竖直面与塔尖-塔倾斜方向构成的竖直面垂直；

4）抽土孔位置及顺序的布置原则是：均匀、逐渐加密；抽土孔数量及抽土速度需经过严格的结构力学及土力学计算，计算标准：确保不致在塔底产生可以破坏塔体的不均衡应力，控制塔基最大沉降量不大于30mm/d，使塔体缓慢平稳的回倾；

5）利用塔身所受的重力及软土地基的蠕变特性，有控制地迫降古塔基础原来沉降较小一侧的沉降量，从而达到塔体安全纠偏的目的。

本发明的有益效果是：

1）安全可靠，塔体纠偏全过程可控性好；

2）适用范围宽广，从实践经验看，可运用于20～60m砖石古塔纠偏；

3）操作方法简单，成本较低，成孔设备用一般洛阳铲或普通机械钻孔设备即可。

附图说明

图1为本发明基本原理示意图。

具体实施方法

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1，陕西眉县净光寺塔实施了试验纠偏。

眉县净光寺塔处于现眉县政府大院内，楼阁式7层砖塔，底层有塔室可入。塔平面正方形，底层边长4.46m，自现有地面塔高22.05m，底层塔体剥蚀严重。1998年测得塔体向北偏东7.525º倾斜，垂直方向倾角4.3º，塔尖中心偏差1.664m，正北方向偏差1.620m。

2001年7月5日开始试验纠偏，施工工艺是：在塔下距塔底约1m处打一排孔，孔径100～120mm，孔间净距100mm，孔与水平面的夹角控制在10˚左右，孔深度依理论分析结果以进入塔边线2/5左右为宜。孔大小与数量控制在当孔间土体塌落后，塔南侧边沿下沉不超过20mm为宜。成孔方法则简单采用“洛阳铲”人工成孔。

2001年10月21日复测表明，塔尖南北方向由原来的偏移1.62m缩小为0.62m，矫正61%；塔尖东西回倾0.52m，矫正70%。

实施例2，西安万寿寺塔实施了全方位的工程纠偏。

西安万寿寺塔位于西安市韩森寨万寿中路28中学田径场内。6层6边形楼阁式砖塔，青砖黄泥砌成。底层边长3.1m，通高23.45m，其中1~3层为正六边形空心筒，空心直径约1.2m。塔三层南壁有一券龛与下部空心相通。塔4～6层为6边形实心结构，内部构造不详。塔基砖砌，六角由青石垫砌加固。

万寿寺塔多年向西北方向倾斜，2011年5月底之前，塔顶虽然存在1.2m偏移量，但倾斜趋势发展较为缓慢，处于稳定状态。监测表明：2011年5月28日前后，西安市连降大雨，万寿寺塔倾斜值骤然增加，并持续加剧。针对这一情况，西安市政府经过多方论证，对万寿寺塔采取抢救性保护措施：塔身以钢架支撑。

纠偏方法采用抽土迫降及顶升校正综合法。本工程特点：①地基土自重湿陷性Ⅲ级（严重），含水量24～28%，土体接近软塑状态，力学性能较差；②塔斜6.45°，倾斜严重；③塔体单壁中空，结构整体性较好，但塔底6角垫以形状大小不一青石，易产生不均勻应力。

为保证工程安全可靠地进行，对塔体进行了全面的可逆性预加固，对塔底基础则宜采用永久性措施加固，主要有上下2道混凝土基础圈梁。上圈梁纠偏施工前完成，下圈梁纠偏施工中分段完成。

工程工期从2013年9月1日开始，2014年12月25日结束，塔体基本完全矫正，对塔下地基亦实施了加固。

实施例3，陕西旬邑泰塔实施了抢救性纠偏。

泰塔位于陕西省旬邑县县城的泰塔路北侧，与旬邑体育场隔路相望。场地地貌单元为山前冲洪积扇。泰塔为楼阁式七层砖塔，高50.162米，平面八边，底层直径11.930m，单壁中空，底层壁厚4.300m，砖砌基础，基础埋深约2.500m，底面积约119.6m2，塔体砖砌实体体积约3400m3。

泰塔多年倾斜，根据2006年8月18日观测资料，塔倾斜方向北偏东27°32′，倾斜量2.268m，倾斜速率大约10mm/y。观测表明2013年11月份塔倾斜开始加速，至2014年3月18日，在4个月时间内，倾斜由2.334m猛增至2.482m，后2月倾斜速率1.9 mm/d。至2014年6月20日，倾斜值为2.499m。2014年11月29日，塔体倾斜3.013。监测单位呼吁：泰塔急需纠偏加固。

鉴于泰塔险情的发展情况，抢险施工方果断采取措施：①加强对塔体倾斜变形的观测；②对塔体尽快以环箍加固保护，以防止塔体因过度倾斜而在塔中轴面引起过大剪力而使塔体破裂；③立即启动在塔体西南侧抽土的方案，以寻求塔底应力的平衡！截止2016年8月19日，塔体偏移量回归至899mm，纠倾量2.114m。

实施例4

湿陷性黄土地基上的倾斜砖石古塔类建筑纠偏的方法，包括以下步骤：

1）对倾斜塔体采取有效可逆的箍紧加固措施，以抵消纠偏过程可能产生的塔中轴面拉应力及在塔体下部产生的局部不均衡过大压应力；

2）在塔体基础沉降较小一侧的地面距离塔基边缘3～5m处开挖导坑，导坑深度应低于塔基底面1.0m，导坑水平尺度以便于设备操作为宜；

3）以洛阳铲或机械钻孔设备在塔基下1m内钻孔抽土，以塔体基本矫正后钻孔设备不伤及塔基为宜，抽土孔孔径不大于150mm，抽土孔平面投影方向与塔倾斜方向一致，立面投影与水平面呈10～15º夹角，抽土孔深度越过塔重心所在竖直面，该竖直面与塔尖-塔倾斜方向构成的竖直面垂直；

4）抽土孔位置及顺序的布置原则是：均匀、逐渐加密；抽土孔数量及抽土速度需经过严格的结构力学及土力学计算，计算标准：确保不致在塔底产生可以破坏塔体的不均衡应力，控制塔基最大沉降量不大于30mm/d，使塔体缓慢平稳的回倾；

5）利用塔身所受的重力及软土地基的蠕变特性，缓慢地、有控制地迫降古塔基础原来沉降较小一侧的沉降量，从而达到塔体安全纠偏的目的，塔基最大沉降量控制在每天不大于20mm。

旬邑泰塔抢险项目即是在眉县净光寺塔及万寿寺塔成功纠偏经验的基础上实施的。

实施例5

湿陷性黄土地基上的倾斜砖石古塔类建筑纠偏的方法，包括以下步骤：

1）对倾斜塔体采取有效可逆的箍紧加固措施，以抵消纠偏过程可能产生的塔中轴面拉应力及在塔体下部产生的局部不均衡过大压应力；

2）在塔体基础沉降较小一侧的地面距离塔基边缘3～5m处开挖导坑，导坑深度应低于塔基底面1.3m，导坑水平尺度以便于设备操作为宜；

3）以洛阳铲或机械钻孔设备在塔基下1.2m内钻孔抽土，以塔体基本矫正后钻孔设备不伤及塔基为宜，抽土孔孔径不大于150mm，抽土孔平面投影方向与塔倾斜方向一致，立面投影与水平面呈10～15º夹角，抽土孔深度越过塔重心所在竖直面，该竖直面与塔尖-塔倾斜方向构成的竖直面垂直；

4）抽土孔位置及顺序的布置原则是：均匀、逐渐加密；抽土孔数量及抽土速度需经过严格的结构力学及土力学计算，计算标准：确保不致在塔底产生可以破坏塔体的不均衡应力，控制塔基最大沉降量不大于30mm/d，使塔体缓慢平稳的回倾；

5）利用塔身所受的重力及软土地基的蠕变特性，缓慢地、有控制地迫降古塔基础原来沉降较小一侧的沉降量，从而达到塔体安全纠偏的目的，塔基最大沉降量控制在每天不大于29mm。

实施例6

湿陷性黄土地基上的倾斜砖石古塔类建筑纠偏的方法，包括以下步骤：

1）对倾斜塔体采取有效可逆的箍紧加固措施，以抵消纠偏过程可能产生的塔中轴面拉应力及在塔体下部产生的局部不均衡过大压应力；

2）在塔体基础沉降较小一侧的地面距离塔基边缘3～5m处开挖导坑，导坑深度应低于塔基底面0.7m，导坑水平尺度以便于设备操作为宜；

3）以洛阳铲或机械钻孔设备在塔基下0.8m内钻孔抽土，以塔体基本矫正后钻孔设备不伤及塔基为宜，抽土孔孔径不大于150mm，抽土孔平面投影方向与塔倾斜方向一致，立面投影与水平面呈10～15º夹角，抽土孔深度越过塔重心所在竖直面，该竖直面与塔尖-塔倾斜方向构成的竖直面垂直；

4）抽土孔位置及顺序的布置原则是：均匀、逐渐加密；抽土孔数量及抽土速度需经过严格的结构力学及土力学计算，计算标准：确保不致在塔底产生可以破坏塔体的不均衡应力，控制塔基最大沉降量不大于30mm/d，使塔体缓慢平稳的回倾；

5）利用塔身所受的重力及软土地基的蠕变特性，缓慢地、有控制地迫降古塔基础原来沉降较小一侧的沉降量，从而达到塔体安全纠偏的目的，塔基最大沉降量控制在每天10mm。

以上国内工程案例中，其塔体纠偏多借助于竖井掏土纠偏，并结合钢缆牵引。其特征是：①在古塔基础沉降较小一侧的塔基边缘设置基干竖井，竖井中心距为3～5m，竖井的内径1.5～2.0m，竖井井底离塔基下底1～25m；②在塔基沉降较小一侧，离竖井若干距离处等距设置若干与竖井井底相通的斜井，其中心距1.8～2.2m，直径0.3～0.8m，向下倾角30°～60°；③在竖井井底用压力水和空压气将竖井井底处位于塔基下部的土体冲刷成淤泥状土；④用排泥设备将淤泥状土经斜井运至地面存放，⑤用监测设备测量古塔基础每天的沉降量；⑥根据排出泥土量控制古搭沉降较小一侧基础的沉降量（不大于20mm/d）；⑦经纠偏，古塔达到预定位置后，在竖井和斜井中回填砂或砂土。

参见图1，图中：H—塔体高度（m）；h—塔体重心高度（m）； B—塔体底边宽度（m）；x ₀—塔底受压区宽度（m）； M—塔体倾斜引起的塔底倾覆弯矩（kN-m）； G—塔体重量（kN）。

Claims (1)

1.黄土地基上倾斜砖石古塔类建筑纠偏的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）对倾斜塔体采取有效可逆的箍紧加固措施，以抵消纠偏过程可能产生的塔中轴面拉应力及在塔体下部产生的局部不均衡过大压应力；

2）在塔体基础沉降较小一侧的地面距离塔基边缘3～5m处开挖导坑，导坑深度应低于塔基底面0.8-1.2 m，导坑水平尺度以便于设备操作为宜；

3）以洛阳铲或机械钻孔设备在塔基下0.5-1.2m深度范围内钻孔抽土，抽土孔孔径不大于150mm，抽土孔平面投影方向与塔倾斜方向一致，立面投影与水平面呈10～15º夹角，抽土孔深度越过塔重心所在竖直面100～200mm，该竖直面与塔尖-塔倾斜方向构成的竖直面垂直；

4）抽土孔位置及顺序的布置原则是：均匀、逐渐加密；抽土孔数量及抽土速度需经过严格的结构力学及土力学计算，计算标准：确保不致在塔底产生可以破坏塔体的不均衡应力，控制塔基最大沉降量不大于30mm/d，使塔体缓慢平稳的回倾；

5）利用塔身所受的重力及软土地基的蠕变特性，有控制地迫降古塔基础原来沉降较小一侧的沉降量，从而达到塔体安全纠偏的目的。