风荷载作用下台藏塔不同加固维修措施的力学性能分析

阿布都艾尼·阿不都拉

(新疆文物古迹保护中心，新疆乌鲁木齐830000)

土遗址作为人类遗留下来的信息的载体，具有很高的历史价值、社会价值和艺术价值［1］。土遗址主要是粉质沙土和粉质黏土夯筑或者制成土坯进行砌筑，在干燥环境中具有一定的强度。但历经千年的建筑在诸多因素的影响下出现大面积坍塌、风化，正遭受着毁灭性破坏［2］。因此对其维修加固以及对其力学性能的研究显得颇为重要。

1 台藏塔土遗址概况

丝绸之路新疆段重点文物保护项目之一台藏塔遗址保护工程，该遗址位于新疆维吾尔自治区吐鲁番市三堡乡尤喀买里村，东南距高昌故城土遗址1.2km，西距吐鲁番市40km。台藏塔始建年于公元6～7世纪，是当时颇具影响力的佛教遗址。14世纪末期，察合台汗国统治时期强迫高昌地区人民信奉伊斯兰教之后，台藏塔逐渐毁破。

台藏塔高约20m，塔北面与东面均有佛教洞龛，分上下两排，西面塔壁中有孔洞，贯穿整个墙壁其作用不明，南壁已毁。台藏塔遗址占地面积约为939m2。塔身平面略呈回字形，朝向南偏西。塔基底部外边南北长约36m，东西残长34m，塔壁基部厚8～12m。塔内中空，内边方约15m。南向正中有宽约3m的缺口。该塔属国务院公布的第五批全国重点文物保护项目。

台藏塔遗址长期以来由于自然因素、人为因素的破坏，塔身表面出现了较大的裂缝，全部的夯土体及塔顶面出现了严重的风化酥碎现象。塔表面几乎所有的佛龛拱券已完全开裂破坏，塔顶因防雨措施不当造成塔表面出现严重的冲沟痕迹，所有这些已严重威胁整个遗址的安全。

2 有限元模型及计算参数

参考台藏塔遗址测绘图，根据实测尺寸适当简化，利用有限元软件建立台藏塔三维有限元实体模型。单元采用C3D20R单元，共划分96 185个单元;土体和钢支撑为各向同性线弹性均质材料;接触面采用完全约束;土基底部个方向位移自由度约束。考虑到台藏塔Ⅱ区北侧土体出现裂缝，因此将风载施加在其面上更为不利，风载作用位置如图1所示。

图1 风荷载作用位置示意

3 主要病害及结果分析

由于长期以来自然和人为等因素的破坏，台藏塔遗址存在严重的病害［3］，基本类型包括三种:①人为孔洞、孔洞残损;②掏蚀凹陷;③裂缝、土体悬空倾斜。针对上述病害台藏塔土遗址保护工程主要采用四种方法:①土坯砌筑;②灌浆抹缝;③锚杆加固;④钢架支撑。

3.1 台藏塔原土遗址受力分析

台藏塔与高昌故城相距接近，建造年代相同，土质与所处环境相似，本文主要参考了高昌故城大佛寺土体的物理性质(表1)。

表1 夯土、土坯原状土各项物理参数

图2 自重作用下台藏塔原土遗址应力云图

图3 风载作用下台藏塔原土遗址应力云图

3.2 灌浆抹缝对台藏塔土遗址的影响

温差交替作用、地震和风荷等自然外力作用下，使得土遗址内夯土产生纵横交错的裂缝，以及风蚀、人为破坏使土体产生孔洞，增大了结构的不稳定性。处理时先采用改性黄泥浆封闭裂缝边缘，再配置一定浓度和配比的改性黄泥浆，进行注浆修复。

图6、图7表示注浆修复后土遗址在风荷载作用下的应力云图与侧向位移云图。计算结果表明:注浆修复后土体在风荷载作用下最大侧向位移为7.8mm，与图5相比减小22%;由图6风荷载作用下注浆修复后土遗址应力云图可知，其顶部明显出现应力集中现象，充分说明了裂缝会出现在此位置，与实际相符合。

续表1

图2～图5分别表示未加固前原状土遗址在土体自重和风载作用下应力云图与侧向位移图。计算结果表明:风荷载作用下北侧墙体最大侧向位移为10.1mm;在自重作用下北侧墙体向内倾斜，而在风荷载作用下墙体向外倾斜，即在风荷载作用下裂缝会不断加深扩展，加速土体坍塌破坏。

图4 自重作用下台藏塔原土遗址侧向位移云图

图5 风载作用下台藏塔原土遗址侧向位移云图

图6 风载作用下注浆修复后台藏塔应力云图

3.3 土坯砌筑加固对台藏塔遗址的影响

对危及土遗址稳定的掏蚀凹陷和人为破坏孔洞，采用土坯砌筑技术。土坯砌筑采用改性黄泥浆(当地黄土+少量草秸+5%改性硅丙溶液)，植入土工长丝与原结构相连，保证其整体性(表2)。

图8表示土坯砌筑后风荷载作用下土遗址侧向位移云图，图9表示土坯砌筑与注浆修复后风荷载作用下土遗址侧向位移云图。计算结果表明:土坯砌筑后风荷载作用下土遗址侧向位移为4.1mm，与图5相比减小59%;土坯砌筑与注浆修复后风荷载作用下其最大侧向位移为3.2mm，与图8相比减小22%，与图7相比减小59%。

图7 风载作用下注浆修复后台藏塔侧向位移云图

表2 台藏塔遗址夯土、无草土坯、带草土坯抗压强度

图8 风荷载作用下土坯砌筑后

3.4 锚杆加固及钢支撑加固对台藏塔遗址的影响

锚杆采用不等长工字钢进行加固，即拉力型锚杆杆体与灌浆体产生粘结应力，从而达到加固的效果。对于顶部悬空并产生裂缝的Ⅱ区墙体北段，上部质量较大且高度较高，采用自重轻，强度高的钢架支撑技术进行支撑加固。避免了采用砌筑土块而产生过量补砌的问题。

图10表明修复完善后土遗址在风荷载作用下的侧向位移云图。计算结果表明:北侧墙体竖向位移明显减小;修复后在风荷载作用下最大侧向位移明显减小;锚杆加固与钢支撑加固对土体侧向位移影响不大，增强了台藏塔土体强度和稳定性。

图9 风荷载作用下土坯砌筑与注浆修复后

4 结论

(1)在卸荷等自然外力下北侧墙体将出现裂缝，与实际出现裂缝位置相符，且在荷载等自然条件作用下裂缝将会不断加深扩展，加速土体坍塌破坏。

(2)注浆修复后土体在风荷载作用下最大侧向位移减小22%。

(3)土坯砌筑后风荷载作用下土遗址侧向位移减小59%;土坯砌筑与注浆修复后风荷载作用下其最大侧向位移为3.2mm，与土坯砌筑后在风荷载作用下最大侧向位移相比减小22%，与注浆修复后在风荷载作用下最大侧向位移相比减小59%。

(4)北侧墙体竖向位移明显减小;修复完善后在风荷载作用下最大侧向位移明显减小;锚杆加固与钢支撑加固对土体侧向位移影响不大，增强了台藏塔土体强度和稳定性。

［1］ 张卫喜，陈平．高昌故城西南大佛寺结构病害分析与加固［J］．工业建筑，2007，37(8):86－88

［2］ 赵海英，李最雄．西北干旱区土遗址的主要病害及成因［J］．岩石力学与工程学报，2003，22(增2)

［3］ 张海峰，刘俊卿．台藏塔结构病害分析与维修加固措施研究［J］．施工技术，2009，38(S2):502－504