张卫喜， 陈 平， 赵 冬

(西安建筑科技大学理学院， 西安 710055)

0 引言

古塔多用砖石、土及土木混用，以砖石结构遗存的古塔最为多见。砖石古塔在陕西、山西等黄土地区分布较为集中。砖石古塔具有脆性、变形能力较差、自重大等特点，其稳定破坏的成因以以下两类最为常见：1)由于土体强度不足而导致承载力破坏；2)由于土体刚度不足而导致倾斜失稳[1]。近年来，随着人类活动的加剧，塔地基受到扰动，甚至地基局部失效而引起塔体失稳的事故时有发生，砖石古塔纠倾保护技术的系统研究已成为亟待解决的课题。

自1962年意大利工程师Terracina针对比萨斜塔的倾斜加剧问题提出取土纠倾法(1999年施工)以来[2-3]，针对取土纠倾的数值分析、理论分析及试验的研究进行得较多[4-8]。但砖石古塔因其文物属性、自身结构特点等原因，纠倾往往具有较高的风险，有关研究成果较为少见。本文结合陕西万寿寺砖石古塔纠倾的工程实践，通过原位测试、正演与反演分析等方法，对钻孔取土纠倾设计、施工的技术参数、影响因素及力学机理等主要问题进行了讨论。

1 砖石古塔钻孔取土纠倾的机理

砖石古塔钻孔取土纠倾是指经过特别设计，在砖石古塔回倾方向的地基高应力区按一定速率抽出一部分土，形成特定深度、直径、方向和空间分布的(单层或多层)洞室，使基底下土体部分临空，减小这部分地基的接触面积，使之接触应力缓慢增加，当上覆荷载压力过大时，洞室将会合拢(坍陷)，导致其上部地基表面产生沉降，迫使基础下沉，引起塔体按既定的轨迹产生近似“刚体”转动，从而使不均匀沉降得到调整，达到纠倾的目的，属迫降纠倾[9](图1)。

图1 纠倾原理示意图(西安万寿寺塔)

黄土地区倾斜砖石古塔钻孔取土纠倾技术则利用了黄土工程性质以及砖石古塔结构高宽比大、地基压力大的特点，通过人为地削弱局部地基承载力，引起塔体不均匀沉降，以达到纠正塔体倾斜的目的，这对于保护大量黄土地区倾斜的砖石古塔具有一定的通用性。

2 西安万寿寺塔结构特点及地质条件

西安万寿寺(藏经)塔，初建于明万历年间。塔为6层楼阁式单筒结构，塔体及塔基采用青砖砌筑。塔高22.25m，平面呈六角形，三层以上局部塔心填土。其中，一层高4.46m，外边长为3m，内边长约0.6m，壁厚约2.4m，六层则外边长递减至1.73m，层高减至2.12m。塔体外壁承重，筒体自下向上直通塔顶，塔各层平面边长呈规律性递减，立面规则，自然缓和收拢，呈锥形体(图2)。计算和测试结果表明，塔主体结构自重约5 500kN，塔底平均压力约210kPa。塔周边地势平坦，属黄土梁洼地貌单元。

图2 万寿寺塔测绘图(未纠倾)

良好的场地条件、合理有效的地基处理，加之塔体结构规则对称、传力路径明确，该塔虽以青砖、黄泥砌筑，400余年历经数次大震，结构尚基本完好。

2011年5月28日之前，该塔塔尖西北向的倾斜约1 200mm，塔体基本处于稳定状态。2011年5月28日始，受连续降雨影响，塔西北侧地表有水持续渗入，塔体旋即加速向北偏西方向倾斜，2011年6月1日19时塔刹偏移量达到2 231mm，2011年6月12日17时塔刹北偏西43°7′25″，偏移量2 635mm(倾斜6.5°)，重心偏移量775mm，塔体倾斜度约113‰，濒临失稳。为防止塔体失稳，采取设置钢结构支撑(图2)及在塔周边设置防水、排水等多种措施进行抢救性保护。钢结构支撑体系对塔体的水平作用力约500kN，合力作用点略高于塔体结构质心。

3 西安万寿寺塔倾斜成因与机理的勘察与分析

为快速判断万寿寺塔倾斜成因，分析机理，采用地质雷达法对塔周地基土质、含水率、空洞等进行了初步勘察；之后，对有缺陷区域和拟定施工区域进行了详勘。结果表明，塔西北侧的地基含水率明显大于东南侧。考虑到夯填土以下为黄土层，湿陷性中等，其湿陷系数平均值δs=0.053 ，局部湿陷性强烈，湿陷等级达Ⅲ(严重)级，压缩系数平均值α1-2=0.93MPa-1，属高压缩性土。结合地表水勘察，可认为塔西北方向地表水侵入地基，引起湿陷性黄土地基持力层局部含水量剧增，诱发湿陷变形，湿陷变形是一种下沉量大、下沉速度快的失稳性变形，这是塔体加速倾斜的直接原因。

图3为万寿寺塔的基础与地基剖面，其中厚度为2.1m的夯填土层是塔体地基的主要持力层，其下层为平均厚度为7.6m的黄土层，该层具有局部湿陷性强烈、高压缩性的特点，对含水率变化尤为敏感，是影响塔体稳定的主要土层。夯填土层较为均匀，塔底压力大，宜布置取土孔。

图3 万寿寺塔地基与基础剖面

4 西安万寿寺塔体稳定性保护与强度加固

4.1 整体稳定性保护

考虑到塔底预留土体厚度和操作平台高度的要求，以及取土孔所在土层对塔底压力、地基土构成和密实度等因素的要求，工作坑的深度一般宜取1.5～2.5m。工作坑使地基持力层一侧被“掏空”，弱化了地基持力层一侧的边界条件、造成地基层紧邻塔边缘一侧出现临空面(图4)，降低了地基抵抗塔体倾斜的整体倾覆力矩的能力，因此，工作坑对于地基的承载力和塔体的整体稳定性都是不利的。

图4 整体失稳时地基和塔体位移及地基切应力分布云图

在钻孔取土施工的过程中，在地基压力较大的区域渐渐形成一道削弱的斜向平面(图1)，这一斜向平面随着钻孔取土施工进展可能会与倾斜一侧压力较大(或已局部进入塑性)的地基区域贯穿，形成潜在的滑裂面，则塔体将面临整体失稳的风险。因此，预防塔体在倾斜一侧的塑性区与钻孔施工过程中逐渐延伸的地基削弱面贯穿，是钻孔取土纠倾方案的先决性条件，也是预加固首先要考虑的条件。

图4所示为数值模拟得到的塔整体失稳临界状态时的地基和塔体的位移分布及地基剖面的切应力分布云图。结果表明，以切应力作为控制指标，临界失稳时，塔倾斜一侧地基局部塑性区扩大，逐渐向塔底被钻孔取土削弱的位置延伸，当两者贯穿时，塔体达到整体失稳(倾覆)临界状态。

因此，对于特定的倾斜砖石古塔，能否采用钻孔取土纠倾技术，首先应根据塔体的结构特点、整体性、倾斜后重心投影的位置、地基持力层可能承受的最大压力、地基土物理-力学参数等，分析塔体整体倾覆力矩、倾斜一侧地基局部压应力、地基土的最大切应力、诱发回倾的临界线的范围等，进而综合评估塔体整体失稳的风险，采取控制塔体整体失稳的措施。

计算表明，万寿寺塔的整体稳定依赖于外部支承的钢结构体系，钢结构在支承点提供了约500kN的水平力，以平衡塔体的倾覆力矩，这是塔保持现状的外界条件。为保证塔体钻孔取土施工过程中的稳定性，施工前在塔底面设置了大型的箍梁和托梁(图2)，而工作坑设置的钢结构水平支撑直接锚固于托梁上，增强地基的约束力以平衡塔体整体失稳时的力矩。

4.2 整体性加固

纠倾过程中，塔底压力和塔身应力不断变化，其中以塔底部截面的角部压应力和塔体开洞引起的应力集中部位等为强度加固的重点部位。通过数值计算，对不同倾斜角度下塔体的危险点及其应力峰值进行了预测，图5为最不利倾斜状态下塔身第三主应力云图。可见塔底角部第三主应力峰值达到了1.08MPa，券洞和檐口部位第三主应力峰值分别为0.83MPa和0.70MPa。因此，施工前，在塔底部截面设置底层箍梁和地圈梁，约束其变形，改善其应力状态，而在券洞位置则增加了施加预应力的木结构支承体系，用来分担拱圈竖向荷载，防止券洞顶部砌体开裂和拱脚砌体压碎。

图5 塔体第三主应力分布/Pa

较之垂直状态，倾斜后塔体中轴面的剪应力分布和剪应力峰值均产生较大的变化，考虑到胶结材料(黄泥)强度退化严重，强度较低，加之回倾过程中塔身应力的变化，中轴面的剪切失稳风险较为突出。为此，在各层檐口设置了钢箍(即通过钢绞线施加预应力)，塔身则以木板夹紧后，外贴强度和弹性模量较高的碳纤维织物，约束塔体横向变形，使之处于三向受压状态，提高中轴面的抗剪强度(图6)。

图6 稳定性与整体性加固做法

一般情况下，纠倾过程中为防止塔体发生强度破坏，正演分析时，砖石古塔塔体应变限值建议不大于1.5‰。在塔体底部截面增设底层箍梁和地圈梁，使塔底周边产生“箍”的约束作用(图7)，改善了塔底砌体的应力状态，使砌体处于“三向受压”状态。塔体底部截面增设的托盘能局部托换塔体基础，加强塔体空间上的“托”、“箍”联合效应，增强塔体整体性。多例砖石古塔原位测试成果和理论分析均表明，这一措施对于改善塔体截面应力状态，保证塔身回倾时不致塔底局部压碎等具有积极的作用。

图7 塔底平面加固做法

5 西安万寿寺塔钻孔取土纠倾的关键技术

塔底地基土多为人工夯实，长期处于高应力状态，较为均匀致密。为便于钻孔施工，人工成孔直径一般选用80～100mm，机械钻孔直径一般选用100～150mm。当塔底面平均压力较小、地基土质均匀、碎石含量较少时，可优先使用振动小、成孔较慢的洛阳铲成孔，这样既可减小振动对塔体的影响，也利于调整回倾速度。

万寿寺塔塔底平均压力约210kPa，地基为土质均匀的黄土，不含碎石，土质密度、含水量适中，适合人工成孔。

5.1 钻孔临界线与孔深度的确定

理论上，孔洞穿过一定深度后，被削弱的塔体地基压应力持续增大，土体产生塑性变形，从而诱发塔体产生不均匀沉降，可作为钻孔临界线依据。根据重心投影位置和倾斜方向计算临界线(图1)，万寿寺塔的孔深为2.8～3.2m。

设计时，确定重心的投影位置，先让部分孔(建议不超过总数1/3)缓慢穿过重心投影位置，再逐渐加深其他孔，直到孔受压产生坍塌(图8)，塔体正下方地基和周围土体形成切割面(图9)，则标志着塔体进入回倾阶段。这种缓慢施工伴随动态实时监测且带有“试探性”调整地基压缩变形临界状态的方法，可防止塔体突然沉降和整体失稳。

图8 孔坍陷

图9 塔体回倾时的切割面

塔体开始回倾后，则每次根据塔实时的回倾角度和速率，不断地清理特定位置的孔中塌落的土体，或加孔、或扩孔、或塞孔，使塔体按照既定的路径和速率回倾。如此循环，直到塔体回倾到预定的位置时，即可回填、夯实孔洞(预先应估计土体蠕变的影响)，并持续观测，直到土体不再沉降，塔体静止。

5.2 钻孔土层的选取与工作坑设置

对于砖石古塔的钻孔取土纠倾，塔底到取土层之间要预留一定的厚度，可利用预留土层的应力重分布引起的不均匀沉降来缓慢地调整塔体倾斜。同时，钻孔取土层会受到塔体较大压力作用，对地基扰动较为敏感，故还应土质均匀、含水量较低。

地质勘察表明，万寿寺塔标高-2.6～-0.5m地基层为压实的夯填土，土质均匀、压力较大，适于布置钻孔，而标高-2.6m以下则属湿陷性黄土、具有高压缩性，不利于控制其变形速率。因此，钻孔的深度范围确定为标高-2.3～-1.5m，该土层压应力平均值约为245kPa，钻孔与水平方向夹角设置为10°～15°。

开挖的工作坑位于拟定的塔体回倾一侧，应距离塔边缘预留一定的宽度，避开塔地基的高应力区。

5.3 孔径与孔间距

为了控制回倾速度缓慢平稳，防止“突然沉降、回倾”，应该优先选用孔径较小、孔深度根据位置变化、孔间距和孔排数在空间上错开的方案。万寿寺塔孔的直径为80mm，间距则取1～1.2倍的孔径。

文献[10]给出了水平及斜孔掏土纠倾孔径和间距与沉降量的经验计算公式。但砖石古塔地基往往压力较大，对于沉降速率也有特殊的要求，预估的沉降量往往需要根据实时监测结果进行不断地修正。通常以实时监测的沉降量和沉降速率作为双重目标值，更为安全、有效。

由于高应力下土体蠕变的影响，沉降往往会在施工停止后持续发展。根据地基压力值、孔径、孔深、孔间距和孔排数等因素，合理预估停工后的沉降可提高纠倾精度。

6 影响塔体回倾的因素

6.1 控制切割面与回倾方向

回倾时，沿工作坑延伸的切割面不仅削弱了塔体地基的侧向约束，而且对塔体的回倾角度有显著的影响。由于地基-基础-塔体的协同作用效应，切割面位置、回倾方向、支护系统、钻孔的布置等共同组成了调整塔体回倾的系统。文献[11]对影响塔体回倾方向的因素和相应的措施进行了讨论。

6.2 回倾速度

对塔体的应变测试结果表明，回倾加速度对塔体的应力变化有显著的影响，而控制回倾速度的主要因素为孔的方向和角度以及地基土的均匀性，而回倾加速度则与孔的大小、排布、角度、深度等有直接关系。

回倾速度突变对塔体洞口、角部等应力集中部位以及地基的变形都会产生明显的影响。降低回倾加速度，使土体的塑性变形缓慢发展，才能保证塔体回倾均匀、缓慢。常见的技术措施包括：深浅错落设置的孔深设计、有间隔的填塞孔洞、施工间歇的有效利用等。

结合地基有效压力分布使孔深错落有致地布置，根据实时监测数据，试探性的使部分孔逐渐延伸、穿越重心投影线，随着土体的塑性变形范围的扩展、变形量的增大，地基对于塔体的支承力随之变化，塔体平衡状态也随之动态变化。

随着孔径扩大与孔深的延伸，孔间土柱剪切渐次破坏，形成塌孔，导致地基变形、塔体产生不均匀沉降。孔径扩大与孔深的延伸是诱导塔体回倾速度和角度的关键性措施，结合实时反馈的塔体位移、应变监测信息，不断地调整出土量、孔深、孔径、孔数量以及新增孔的布置，往往是动态施工的常见措施。

图10为万寿寺塔纠倾全过程中塔顶倾斜量和时间历程关系曲线。其中5～20d的日均塔顶回倾量为66.3mm，速率无明显突变。图11给出了纠倾前后的西安万寿寺塔的对比。

图10 塔顶倾斜量与纠倾时间关系曲线

图11 纠倾前后的西安万寿寺塔

孔穿越重心投影线以后，间歇性施工，有序地取出孔内坍陷土体，使塑性变形渐渐累积，以出土量作为回倾量预判的指标，往往较为安全。值得指出的是，因故(或夜间)停止施工时，对孔体进行堵塞、填实，既可使土体塑性(蠕变)得以充分发展，也可保障回倾平稳缓慢。

7 结论

砖石古塔自重大、变形能力较差，而天然黄土地基承载力偏低、多具有较高的压缩性、对含水率敏感的特点，使黄土地区砖石古塔倾斜具有普遍性。主要结论可概括如下：

(1)钻孔取土纠倾方案的适用性决定于塔体的结构特点、塔体受损状况、塔体倾斜的成因、地质条件、地下水位和地基含水率等，尤其是评估施工过程可能诱发的结构强度和稳定性破坏的风险、准确分析倾斜的机理和纠倾过程的力学行为是制定合理方案的基本条件。

(2)砖石古塔纠倾过程中，提高塔体安全性、降低风险主要在于以下三个方面：1)提高塔中轴面抗剪能力；2)改善塔体应力状态，提高塔体底部局部抗压能力以及降低应力集中效应；3)增强塔体整体性。

(3)钻孔取土纠倾涉及的主要因素包含塔整体失稳、中轴面剪切破坏、塔底及塔身局部强度破坏的控制与预加固、钻孔取土纠倾参数的设计、回倾角度和速度的控制、监测与实时监控等，其核心在于对纠倾过程中塔稳定性和强度的保护。

(4)纠倾施工具有较大的风险性，以实时监控得到的塔体位移、主要受力构件应变等数据作为目标值，通过反演分析不断修正钻孔临界线、钻孔数量、出土量、孔间距等参数，预测回倾速率和方向，这种全过程控制的方法可降低结构安全风险、削弱潜在风险，值得重视。