高昌故城城墙保护加固研究

阿布都艾尼·阿不都拉

内容摘要：城墙遗址是高昌故城的重要组成部分，在整个高昌故城的空间格局中有着不可代替的作用和地位，有重要的历史、科学和艺术价值。由于自然因素和人类活动的破坏，现存城墙普遍存在根部掏蚀凹陷、墙体坍塌、裂缝、风化剥落等病害。2005年，丝绸之路（新疆段）大遗址保护项目启动以来，对高昌故城的西城墙、南城墙、部分内城墙进行了保护加固。从工程实际效果看，城墙遗址得到了较好的保护，然而尚存不少问题和有待提高的地方。本文利用ANSYS有限元模拟计算软件模拟计算加固前后的应力及位移状态，结合前几期保护加固措施，在对其进行效果评估基础上，对保护措施和施工工艺进行优化，以期对新疆地区的土遗址加固提供参考。

关键词：土遗址；加固效果评估；ANSYS模拟计算；保护措施优化

中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2016）05-0150-08

Abstract： City wall sites are an important part of ancient Gaochang for their function and position in the framework of the city， and for their historical， scientific， and artistic value. The remaining walls have suffered from various kinds of deterioration caused by natural factors and human activities， however， including serious damage caused by basal sapping， fissuring， and general weathering. The western wall， southern wall， and part of the inner city of Gaochang have been protected and reinforced since 2005 and the conservation project has been effective to some extent， but there remain some problems regarding conservation methods that need improving. This paper calculates the stress and displacement of both consolidated and unconsolidated walls using ANSYS numerical simulation software and assesses the reinforcement effect of past conservation efforts， then carries out optimization calculations for protective methods and construction technologies， hoping to provide reference for the future conservation of earthen sites in Xinjiang.

Keywords： earthen site； assessment of consolidation effect； numerical simulation of ANSYS； optimization of conservation method

1 引 言

高昌故城位于新疆维吾尔自治区吐鲁番市区以东30km处的二堡乡古城村，是公元前1世纪至公元14世纪之间丝绸之路东天山南麓的第一大中心城镇，也是丝绸之路现存汉唐城址中唯一保存了三重城郭及原有城墙规模的古代城址。高昌故城于1961年被国务院公布为第一批全国重点文物保护单位，2014年作为“丝绸之路：长安和天山廊道的路网”的一个遗产地被列入世界文化遗产名录。高昌故城呈不规则正方形，选址在北高南低的台地上，因地制宜，建造了内外相套的外城、内城和宫城三重城墙（图1）。

由于自然和人为的因素，古城遗址毁坏的速度逐渐加快，而且还存在着严重的结构稳定性隐患以及各种病害。为保护、传承并利用遗址价值，现有的城墙遗址亟须进行科学保护加固。基于此，本文根据高昌故城的布局及建造特点，在阐明其现存病害的基础上，利用ANSYS有限元软件模拟计算加固前后遗址体的应力及位移状态，结合已有加固工程，对土坯砌补、裂隙注浆加固、表面防风化及顶面封护等措施的加固效果进行评价，并对加固措施进行优化，以期对新疆境内土遗址的加固提供借鉴。

2 城墙布局及建造特点

作为丝绸之路上重要的军事防御单位，城墙主要由墙体及其附属设施构成。城墙从结构和功能方面划分，可分为墙体、马面、城门（包括瓮城）、角台、雉堞、城壕及城墙附属设施等。外城墙都是夯筑而成，墙体内外面收分基本相同，收分约为4∶1，与北宋《营造法式》规制基本相一致。内城墙在外城正中，现仅残存南、西两面城墙，用含有一定数量砂砾的黄土夯筑而成。内城无马面和城壕，墙体收分比外城墙大，墙体保存状况较差。宫城又称可汗堡，位于内城北部，内有一个约900m2的土台，上有塔形建筑遗址。土台西侧有下沉式庭院遗址。地面上或疏或密地分布着直径、深度不等的圆坑，但城垣不存，其分布状况已不可辨识。

3 主要病害

常年风蚀、雨侵、温差、冻融、地震、生物侵蚀及人为破坏等因素的影响，使城墙遗址遭到了严重破坏，现存城墙普遍存在着墙体坍塌、墙基根部掏蚀、裂缝、风化剥落等病害（图2）。尤其是根部掏蚀、坍塌及裂缝，极大地威胁着墙体的稳定性。

4 墙体土的基本性质

4.1 遗址土体的物理性质

遗址土的物理性质测试均以《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）为依据，分别对遗址土的湿容重、干容重、含水率、液限进行测试。遗址夯土及土坯原状土的各项物理参数见表1。

从表1可以看出，无论夯土还是土坯含水量均很低，且具有较高的干密度，尤其是原状夯土密度高达1.85g/cm3以上。这就是高昌故城墙体高大，且能保存很长时间的主要原因之一。

4.2 遗址土体力学性质

根据《土工试验方法标准》（GB/T50123—1999）分别测试夯土原状土试块、泥浆试块、自制土坯试块的无侧限抗压强度，试验仪器采用型号为CSS-88100型电子万能试验机。试块尺寸为70mm×70mm×70mm，加压速度v=1mm/min，最终试块的破坏形式见图3，试验结果均取三组平行样的平均值，如表2所示。

从所测样品的抗压强度来看，遗址土体均有较高的抗压强度，这和测得较高干密度的结果是一致的。

5 保护加固对策及创新优化

从2005年开始至今，高昌故城抢险加固保护工程先后实施了五期，其中一至四期工程已经竣工，五期工程方案也顺利获得了国家文物局的批复。回顾这四期工程，从工程实际效果看，城墙遗址虽然得到了较好的保护加固，但依然存在不少需要提高和改进的地方。为了更好地保护、传承、利用城墙遗址，在严格遵循文物保护的基本原则和科学规律的前提下，对已竣工的城墙保护项目进行了系统总结，分析了已有的成熟技术和材料，以优化后期保护加固措施和施工工艺，提高城墙遗址保护加固工程的技术含量。

5.1 既有工程措施评估

现根据详细的现场调查、试验资料和室内分区试验资料，以有限单元法为基础，借助大型有限元软件ANSYS建立三维有限元模型，数值模拟分析了具有代表性的城墙遗址部分的受力和变形，从理论上对城墙遗址的工程加固措施进行评估。

5.1.1 计算基本假设

1） 土体为弹塑性体，采用摩尔—库伦模型；

2） 土体基本物理参数参照试验数据，取最小平均值，其他材料按常规取值；

3） 遗址顶面及凌空面为自由面；

4）荷载作用考虑最不利的组合。

5.1.2 荷载取值

1） 基本荷载数值

5.1.4 墙基掏蚀加固的评估

城墙根部掏蚀凹陷加固的有效措施是凹进行补填。高昌故城城墙，最严重且最多见的病害多为根部掏蚀，深度较浅，上方残存土体稳定性较差，土坯填补是比较适宜的方法，不但便于施工，而且不会对遗址产生震动破坏，同时也符合保护中“可识别”的原则。基于此，选取掏蚀严重的墙体为研究对象，拟采用土坯砌补措施来进行加固处理，在自重和风载荷最不利组合的作用下，利用ANSYS有限元模拟计算软件对加固前后墙体的受力及位移状况进行模拟计算。计算结果如图4所示。由图4可知，加固前墙体承受过大的拉应力，掏蚀严重部分存在应力集中现象，极易发生坍塌；并且悬空部分位移过大，亟须进行加固处理。采用土坯砌补加固后，有效地降低了最大拉应力，消除了应力集中的现象，尤其显著地减小了最大位移，仅为加固前的13%。该措施很好地满足了墙体结构对稳定性和安全性的要求，因此，采用土坯砌筑措施是合理的。

从图5可以看出，土坯支护对城墙遗址根部掏蚀区域的加固起到了有效的作用，砌筑后的效果较好，但是需要对原有城体以及新砌筑土坯表分析与定量化评估，进而确定最少干预的标准。

6 结论与展望

通过以上研究分析，我们形成了以下结论和建议：

1）从遗址土的物理力学性质来看，高昌故城遗址土具有较高的干密度和较大的抗压强度，加之较为干燥的气候环境，是高昌故城能够保存至今的主要原因之一。

2）长期的自然和人为因素的影响，使高昌故城亟须进行抢险加固。利用ANSYS有限元模拟计算软件，通过建模计算，评估了墙基掏蚀加固、裂隙加固、防风化加固、城墙顶面封护等及加固措施的保护加固效果，为下一步工作的开展奠定了坚实的基础。

3）考古研究为遗址区内一切保护工作的前提，高昌故城内现有考古工作相对薄弱，直接制约了其他工作的开展，建议系统地开展城址的考古，全面揭示遗产的价值。

4）高昌故城作为重要的文化遗产，现有展示设施的缺乏影响了遗产的合理利用。建议吸纳和借鉴国际、国内大遗址展示利用的先进经验，结合高昌故城遗址的特点，创新展示手段和工作方法，提高展示利用的水平。

5）土遗址保护是长期性的工作，应进行定期、不间断的保护养护和监测，以便积累病害情况和发展趋势的资料数据。建议按照世界文化遗产监测规程的要求，全面、持续和科学地进行监测，及时掌握高昌故城区域内各类文化遗产的变化，实现世界文化遗产信息化、精细化、智能化管理，为高昌故城的保护和利用提供有效的保障。

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