交河故城病害特征及动力测试分析

李桐林 石玉成 刘琨 卢育霞 王常亚 缐正英

摘要： 介绍了交河故城存在的风蚀、雨蚀、掏蚀、裂隙和崩塌等主要病害类型，总结其现有加固方式，并对典型遗址体进行地脉动测试，结果显示：①土遗址的自振频率主要在1.72～6.03 Hz，阻尼比主要在0.027～0.043，符合实际情况;②墙体相对于塔体墩台的自振频率较大，受地震作用影响较大，应对交河故城居民墙、佛寺墙等薄弱墙体进行重点监测与保护;③地脉动由底部传至顶部，其速度存在明显放大效应，放大倍数约为1.5～3倍。

关键词：交河故城;病害特征;加固方式;动力测试;放大效应

0 引言

土遗址是指古代建筑被毁后遗留下的土建筑体部分。据统计，丝绸之路沿线的104处国家级重点土遗址文物中，34%分布在地震烈度Ⅷ度或Ⅷ度以上地區，51%分布在Ⅷ度区，15%分布在Ⅵ度区（石玉成等，2010;胡明清，2008），该区域在严峻背景下的土遗址动力响应分析及抗震保护已成为土遗址科学研究与保护的一项重要内容，石玉成等（2013）概述了土遗址文物的主要病害特征及成因机制，针对土遗址特殊性提出了防震保护加固的原则和抗震加固方案;梁涛（2010）利用FLAC软件对新疆苏巴什佛寺遗址进行了地震动计算的研究，分析其破坏模式，找到了土遗址的薄弱位置;孔德政等（2018）通过土工试验和数值模拟研究不同类型长城在地震作用下的动力响应特征及抗震稳定性情况。

新疆吐鲁番地区交河故城作为丝绸之路沿线标志性土遗址之一，具有两千多年悠久历史，是古代西域政治、经济、文化中心之一，是目前世界上最古老的、也是保护最好的生土建筑城市之一，对现今建筑文化的发展有着非常重要的意义（李最雄，2003）。交河故城几乎是从天然生土中挖掘而成，这与大多数土遗址有着明显的差异，其病害特点、加固方式及其动力特性值得深入研究。因而，本文对交河故城病害、加固类型进行实地勘察，并对典型土遗址进行动力特性测试，以期为后续交河故城研究提供理论基础。

1 交河故城本体病害分析

1.1 风蚀

交河故城地处西北地区，该地区8～12级大风和沙暴出现率较高，加之其地处台地之上，因此风蚀病害在交河故城本体上发育较为广泛（图1）。风对土遗址体的破坏主要分为：①吹蚀破坏：因常年受西北风的吹蚀，风蚀病害主要发育在土遗址西北面，墙体表面出现凹凸不平的蜂窝状外观，垛泥墙体的夹草被吹蚀殆尽，在风蚀的长期作用下，土体表面强度较低，尤其是携沙风对土遗址表面造成巨大的破坏作用。②磨蚀破坏：交河故城所在地区风速时常达17 m/s，而15 m/s的携沙风吹蚀模数即可达20.4 kg/（m2·h），风沙的磨蚀作用主要位于土遗址体离地面2 m高的区域内（李最雄等，2008）。

1.2 雨蚀

交河故城虽地处干旱区，但降雨量较为集中，40 mm/d以上大到暴雨也偶有发生，且降雨强度较大。因长期受风蚀影响，墙体表面的抗剪强度较低，已濒临破碎，因此抗雨蚀能力较差，强降雨对墙体造成二次冲击，使得墙体在雨水的作用下形成泥流附着其上，在强烈的干湿交替下形成泥皮或龟裂纹（王旭东等，2013），继而在风蚀作用下剥落（图2）。

1.3 掏蚀

交河故城的掏蚀病害主要有2种：酥碱是由于土体含有丰富的易溶盐成分，在雨水的侵蚀下，土体中的可溶盐成分尤其是Na2SO4发生反复的溶解收缩—结晶膨胀，土体结构不断疏松崩解;风力掏蚀是由于地表上的土遗址体与地下土体存在土性成分的差异，胶结力和颗粒间的黏结力相对较差，容易被风吹蚀，形成典型的掏蚀病害，层状风蚀病害主要发生在生土地层（图3）。

1.4 裂隙（缝）

交河故城存在的裂隙（缝）主要有卸荷裂隙、构造缝、变形裂隙和建筑工艺裂缝。交河故城坐落于两河之间的台地上，台地四周均为近似直立的崖体，四周崖体分布着大量的卸荷裂隙，一般多为大型直立裂隙，宽度较大、破坏性较强，对台地整体稳定性造成巨大影响。构造缝主要由新构造活动、节理构造以及影响发育的上部墙体构造缝造成。变形裂隙主要是由窑洞开挖或基础不均匀沉降导致应力分布不均造成的，窑洞开挖造成的变形裂隙主要分在仓储区、官署区和居民区等人类活动较为密集的地方，在窑洞遗址中分布较为广泛，而基础不均匀沉降造成的变形裂缝主要分布在塔林区、佛寺区等建筑类型较多、建筑形制较复杂的区域（李桐林等，2019）。建筑工艺裂缝是指由于建筑工艺原因形成的接搓缝、结构缝、施工缝等，交河故城墙体多为垛泥缝（图4）。

1.5 崩塌

风蚀、雨蚀和地震力等外应力的作用会导致遗址破坏失稳，最终崩塌。目前崩塌病害是交河故城亟待解决的病害问题，具体表现为洞顶坍塌、崖边坍塌和墙体失稳崩塌。由于墙体常年受到风雨侵蚀导致其底部出现掏蚀凹陷区，造成墙体失稳破坏。崖边坍塌是交河故城最为严重的崩塌类型，崖体裂隙较多，一般为构造缝和卸荷裂隙，崩塌破坏的表现形式主要为倾倒、滑移、拉裂和错断（图5）。

2 加固类型分析

土遗址加固主要分为化学加固、物理加固和化学物理加固相结合。交河故城化学加固主要是采用2种方式：表面防风化加固通过PS表面喷洒渗透和滴渗对墙体土质疏松部位进行加固，加强了土骨架颗粒的连结强度，加固后的墙体抗风蚀、雨蚀能力显著提高，抗拉强度和抗压强度明显提高，如大佛寺墙体加固;灌浆加固主要针对土遗址体中存在的微小裂隙，充填裂隙空缺，加强土遗址体的整体稳定性（和法国等，2010）。

交河故城物理加固主要3种：土坯土块砌筑加固主要是针对局部悬空失稳、掏蚀凹进的土遗址，采用与原土遗址相近材料进行补强加固，使其达到稳定状态;支护加固主要针对洞穴顶部失稳部分，通过支架将洞穴顶部荷载传递至顶部稳定土体，官署区洞穴多采用此类加固方法;锚固加固主要依靠锚杆与土体之间的粘结力和摩擦力，在被动土体中受力，承受拉力作用，从而起到加固土体作用，主要应用于墙体或崖体中存在的裂隙（缝）。

交河故城化学物理加固主要为灌浆锚固加固，兼具化学加固与物理加固的优点，同时对土体力学性质和化学成分进行调整，有效解决土遗址面临的病害问题，例如崖体卸荷裂隙加固等。交河故城崖体灌浆锚固法使用的锚杆主要为楠竹加筋复合锚杆，其极限承载力较其他锚杆显著提高，有利于提高其加固效果和整体稳定性（张景科等，2007）。

3 地脉动测试分析

土遗址作为一种特殊的建筑物，其动力特性决定着土遗体的抗震稳定性能，通常建筑物的自振周期需要通过理论计算的方法获得，但由于其自身外型的不规则，以及其存在的裂缝、凹陷等病害问题，该方法所得结果往往与实际建筑物自振周期存在一定误差，因此，笔者通过现场实际地脉动测试获得其动力参数。

测试仪器由INV303D型智能信号采集和处理系统、传感器以及计算机组成。DASP大容量数据自动采集和处理系统，采样记录通道为6道，最低采样频率为0.001 Hz，最高采样频率为100 kHz，200 kHz和1 000 kHz任选，采样分析精度為12位A/D，常规幅值误差<0.1%，频率误差<0.01%。每次测试时间为200 s，每个测试点分别为NS向（顺墙向）、EW向（垂直墙向）、竖直向3个方向的地脉动观测，每个观测点记录2次，采样时间间隔最小为0.02 s，截止频率为40 Hz，满足土遗址振动频谱分析要求。

结构动力特性测试关键在于是否能准确反映现场结构的振动特性和规律，并将测试结果完整地记录下来，但由于外界环境的不可控因素，以及仪器的零漂、干扰和非线性输出等问题，会导致实测波形的畸变。为使地脉动波形更好地反映土遗址的自振周期和自振频率，在对实测波曲线进行频谱分析或波形反演时，划分和确定出主频范围，再挑选相对正常的地脉动信号进行数字滤波处理。

本文选择测试对象分别为交河故城塔林区中心塔旁小塔（图6a）、后期修筑墙体（图6b）和2号居民点处墙体（图6c）。将6道采样通道分2组测试，土遗址顶部和底部各3道，经数据分析处理可得测试点幅值谱图如图7所示。由图7可见各测点幅值谱图存在一定差异，谱形以“山脉状”居多，主峰突出，一些谱形呈“双峰”或“单峰状”，总体上频带较宽，其测试结果较好地反映了土遗址的微振动特征。后期修筑墙的谱形呈单峰状（7b），小塔和居民墙的谱形呈山脉状（7a，c），后期修筑墙谱形单峰状的原因可能是由于其建造时间较晚，且土体材料相对均匀，杂质较少。场地地脉动测试的自振周期与该地土层厚度、土层剪切波速及岩土阻抗比有关。从图7可大致判断出土遗址后期修筑墙及居民墙的自振频率主要为1.72～6.03 Hz，符合实际情况。小塔的自振频率分别为1.72～3.72 Hz，3.21～6.03 Hz，3.22～3.98 Hz（表1），其中后期修筑墙底部垂直墙向自振频率与其他2个方向存在一定差异，且在10 Hz左右速度峰值明显增大，表明测试过程中可能存在外界干扰或拾振器未与地面完全接触的情况。

场地地脉动测试的建筑遗址自振频率与建筑遗址本身质量和刚度有关，自振频率越大，表明其质量和刚度相对较大，结构在地震作用下加速度反应越大。从图7可见，后期修筑墙的自振频率最大，而中心塔旁小塔的自振频率最小，可初步判断在相同地震作用下，后期修筑墙受地震作用影响较大，居民墙次之，而中心塔旁小塔最小。后期修筑墙通过土体砌筑或夯筑而成，墙体地面与地面之间的连接较弱，导致其抗震性能大大减弱，与实际情况中土遗址外形相吻合，且墙体明显比墩台的抗震性能弱。因此相较于墩台等土遗址，交河故城居民墙、寺院墙体等应进行重点监测与保护。

通过比较不同建筑遗址顶部与底部速度峰值大小可知，顶部速度峰值明显大于底部，约为1.5倍，表明其从建筑遗址底部到顶部存在明显的放大效应。在地震作用下，建筑物顶部受到的速度影响大于底部，建筑遗址整体速度不一致，加剧了建筑遗址的倒塌破坏。其中，后期修筑墙底部峰值速度与顶部峰值速度基本一致（图7b），可能是由于其高度较低导致放大效应不明显。

阻尼分析一般是在频域上进行的，根据各测点的频谱图，用半功率法可计算出各测点在各阶频率上的阻尼比，统计结果见表1，土遗址的阻尼比为0.027～0.043，其中后期修筑墙的阻尼比最小，其次为居民墙，小塔阻尼比最大，且短边阻尼比大于长边，阻尼比越大，表明其结构在地震作用下振动衰减越快。因此墙体的抗震性能弱于小塔等墩台抗震性能，符合自振频率研究结果。

图8为交河故城塔林区小塔3个方向功率谱图，由图8可见，NS向、EW向和竖直向峰值功率顶部与底部放大规律基本一致。测试点从底部到顶部速度都有不同程度的放大效应，放大倍数大约为1.5～3倍，进一步印证了土遗址在地震作用下由底部至顶部存在放大效应的结论。其中，EW向功率谱图（图8b）峰值相较于其他2个方向峰值较大，可能与台地为偏EW走向有关，仍有待进一步测试研究。

4 结论

本文介绍了交河故城存在主要病害类型以及保护加固方式，对交河故城典型土建筑遗址进行了地脉动测试，通过数字信号处理和对比分析研究了3处代表性土建筑遗址，可得出以下结论：

（1）通过分析可大致判断出土遗址的自振频率主要为1.72～6.03 Hz，阻尼比主要为0.027～0.043，符合实际情况。

（2）交河故城墙体相对于塔体墩台的自振频率较大，受地震作用影响较大，应对交河故城居民墙等墙体进行重点监测与保护，以此降低震害损失。通常情况下，裂隙病害较为严重的遗址体，会对其结构的自振频率造成一定程度的削减，而遗址体根部存在掏蚀凹陷的墙体，其自振频率会相对提高，进而受地震作用影响较大，因此，应对墙体或残损土遗址进行重点监测保护。

（3）地脉动由底部传至顶部，其速度存在放大效应，加剧了在地震作用下土建筑遗址的破坏，放大倍数约为1.5～3倍，且水平方向的放大效应较为明显，竖直方向放大效应相对较弱，该情况可能与试验仪器的误差有关，后续应进一步研究验证。

目前，在土遗址保护方面，还没有建立比较系统的科学理论体系，土遗址加固保护工程还没有相应的规范来限定保护加固工作。对于土遗址病害发展的检测工作方面还应深入研究，以达到对濒临严重破坏的土遗址及时保护控制和价值保存的目的。对于现代无损微创技术，也要加以应用，这样既能保存土遗址原有的风貌，又可控制土遗址的病害，结合现代的高科技材料，将土遗址永久流传。

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和法国，谌文武，赵海英，等.2010.PS材料加固遗址土试验研究[J].中南大学学报（自然科学版），41（3）：1132-1138.

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