某古塔地基不均勻沉降實例分析

王 剛

(煤炭工業太原設計研究院，山西 太原 030001)

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某古塔地基不均勻沉降實例分析

王 剛

(煤炭工業太原設計研究院，山西 太原 030001)

以潞城某宋代古塔地基沉降為例，分析了濕陷性黃土地基在浸水工況下土體工程特性變化程度，通過直接剪切、無側限抗壓強度、壓縮等室內土工試驗，探討了土體在天然濕度及增濕后強度指標、壓縮性指標的變化規律，得出了古建筑地基沉降的原因。

古建筑，濕陷性黃土，增濕效應，不均勻沉降

1 概述

某寺廟坐落于山西潞城市東部的鳳凰山頂，東北側臨濁漳河，西南側瞰辛安村，地勢高貌，殿堂巍峨，寶塔高聳，地處黎城、潞城、平順三地交界，是古今交通要塞的標志性景觀；并于2001年6月25日被國務院批準公布為第五批全國重點文物保護單位。

幽幽古寺屹立在鳳凰之巔，歷經千年，在風、雨、地震等自然營力和近年來人為破壞下，已是滿目蒼痍；石砌高臺樹木雜草叢生，局部塌落，圍墻斷裂下沉，地面鋪裝損害嚴重，自然排流方式基本阻塞，整體排水不暢。寺內重要文物青龍寶塔建于宋代，目前塔身傾斜，西北角臺基變形下沉、局部墻體出現傾斜開裂。

實測寶塔塔身高度達到21.36 m，向東北方向傾斜，向北傾斜值約為2°，向東傾斜值約為1°；古塔西北角基礎較東南角基礎的沉降差為17.2 cm，地基傾斜變形值達0.049。依據相關規范，高聳結構基礎的傾斜(20 m≤Hg≤50 m)地基變形允許值為0.006，現狀已遠超出規范限制。

2 工程地質條件

2.1 自然地理條件

潞城地處山西省東南部，太行山西麓，上黨盆地東北邊緣；該寺廟所屬區域地貌單元為潞城黃土丘陵區，寺廟建于山丘之上，居高臨下。當地屬中溫帶大陸性氣候，四季分明，冬長夏短，雨熱同季，季風強盛。全年平均日照為2 477.3 h，日照百分率為56%。地表水資源主要來源于天然降水量，多年平均降水量521.9 mm。

2.2 地質構造

潞城地處燕山運動太行山復式背斜隆起帶，曾經歷新生代構造活動的格局，形成潞城市地勢南北高，西南與東部低的巖溶地貌景觀。本區域內無全新活動斷裂和不良地質發育。

2.3 古塔結構形式

青龍寶塔為閣式磚塔，八角形，七級。寶塔底層原設回廊(已毀)。底層設二門二窗，塔身逐級降低，2層～4層設二窗，5層以上不設窗，塔內3層以下為空心，不可攀登。其基礎形式類似于現代毛石基礎，寬1.0 m左右，埋深0.5 m左右，采用天然地基。

2.4 地層巖性

為查明青龍寶塔地基土的特性，在其基礎周邊布置了若干探井；根據勘探揭露的地層情況結合區域地質資料，場地勘察深度范圍內的地基土按照沉積時代、成因類型劃分，自上而下為第四紀晚更新世沖洪積層多沉積韻律輪回、侏羅紀上侏羅世沉積巖，巖性以黃土狀粉土、卵石、黃土狀粉土、砂巖為主。各層土的厚度分布及土體工程特性指標見表1。

表1 場地各土層天然狀態下物理、力學指標統計表

①層黃土狀粉土層厚均勻，帶有輕微濕陷性，作為古塔天然地基的直接持力層，基底以下層厚約0.5 m；②層卵石骨架粒徑介于2 cm～10 cm，充填物以礫砂為主，顆粒級配較好，中密～密實狀態，模量高，厚度小，壓縮性低，本文不考慮其對地基變形的影響；③層黃土狀粉土厚度大，具有輕微～中等濕陷性，對地基變形值產生決定性影響。勘察時間為當地少雨季節，在勘察深度范圍內未見初見水位及穩定水位，但西北角低洼地帶地基土的含水量明顯高于其余地段6%以上。

2.5 地震

潞城市抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值0.10g，設計地震分組為第二組；該場地類別為Ⅱ類，特征周期值0.40 s；近幾十年來，該區域未有強度超過6.0級地震記錄。

3 增濕條件下地基土工程特性指標的變化

勘探點位于青龍寶塔基礎外側，試驗測得①層，③層黃土狀粉土含水量介于5.7%～11.8%，分析含水量偏小的主要原因為勘察期間為旱季無雨，現場實測寶塔室外地坪標高明顯低于周邊0.1 m～0.3 m，宜在雨季積水。根據對以往大量建筑地基調查，建筑物周邊長期積水可使基礎下的地基土中含水量增大5%～7%，且難以蒸發轉移。則對于本工程基礎下地基土中含水量可達到14%～20%，故考慮地基土的增濕效應來驗算地基土強度及變形。

3.1 地基土增濕后對室內試驗抗剪強度指標的影響

①層，③層黃土狀粉土天然含水量介于5.7%～11.8%，塑限含水量分別為15.8%，16.0%，將上述兩層土含水量增濕至20%～22%，分別進行室內直接剪切試驗，則抗剪強度值在增濕前后對比如下：①層土：天然濕度條件下ck=40 kPa，φk=25°；增濕條件下cw=8 kPa，φwk=15°。③層土：天然濕度條件下ck=45 kPa，φk=30°；增濕條件下cw=5 kPa，φwk=18°。

①層，③層黃土狀粉土在天然濕度條件下的抗剪強度試驗，土的飽和度大多在16.5%～25.3%；而增濕條件下土的飽和度控制在70%左右，也反映出了與實際工程地質條件較吻合的浸濕效應。

為了對比研究地基土在天然狀態與增濕條件下強度指標的變化，濕陷性黃土評價時經常采用綜合強度值來表述水對強度的敏感性，綜合強度S=tanφ+0.01C，式中C值單位為kPa，以此對比同類土在增濕前后的強度變化。

試驗數據表明①層土C值降低率達到[(40-8)/40×100%]=80.0%，③層土C值降低[(45-5)/45×100%]=88.9%，①層，③層黃土狀粉土含水量增加時，土體強度明顯降低，增濕使土的粘聚力值發生顯著降低；當降低率大于52%時，就屬于強增濕敏感性土。

3.2 地基土增濕后對無側限抗壓強度指標的影響

無側限抗壓強度是反映土體結構強度、黃土狀土固結粘聚力的有效試驗。原狀土樣的無側限抗壓強度值qu與重塑土樣在增濕條件下的無側限抗壓強度值qwu如下：①層土：天然濕度條件下qu=60.0 kPa；增濕條件下qwu=14.0 kPa。③層土：天然濕度條件下qu=55.0 kPa；增濕條件下qwu=11.0 kPa。

試驗數據表明：①層、③層黃土狀粉土含水量由天然狀態增加到20%左右時，無側限抗壓強度值可降低了77%～81%。有學者曾對潞城黃土的土質進行了微觀研究，發現Q3黃土的可溶鹽含量較少，小于600 mg/kg，而且其中的中溶、難溶鹽含量水平總體上低于陜北、晉西、隴東甚至低于關中地區，說明該區域黃土結構性作用弱。

3.3 地基土增濕后對壓縮性指標的影響

室內壓縮試驗將①層、③層黃土狀粉土含水量增濕至20%～22%，所施加的最大垂直壓力為200 kPa時，壓縮模量值增濕前后對比如下：①層土：天然濕度條件下Es=9.0 MPa；增濕條件下Ews=6.0 MPa。③層土：天然濕度條件下Es=16.0 MPa；增濕條件下Ews=11.0 MPa。

①層、③層黃土狀粉土在增濕前、后壓縮系數變化比用ηa表示，試驗數據表明：ηa=1.36～2.13，增濕使原狀土樣的壓縮性明顯增大，接近或超過2.0倍，使得低壓縮性轉化為中偏高壓縮性，可見增濕效應對該區域黃土狀粉土的壓縮性狀與強度性狀有相似的敏感效應。

4 青龍寶塔不均勻沉降原因分析

根據實測結果和現場調查，古塔的傾斜和地基不均勻沉降是由于局部地質環境變化導致地基土性狀改變促使二次沉降所造成的，究其原因，本文認為有以下幾點：

1)地層結構特點。建筑物基底以下的主要壓縮層①層、③層黃土狀粉土結構性弱，具有輕微～中等濕陷性，垂直節理發育，垂直向滲透系數大于水平向，現場地表水排水不暢，極易下滲，而②層卵石充填物以礫砂為主，屬于強透水層，地表水會直接下滲到③層粉土，該地層結構極易使地基土遭受完全浸水工況。

2)降雨積水對地基土工程特性的影響。本區濕陷性黃土對水分的敏感性高，當黃土的天然含水量低于塑限時，水分變化對強度的影響大。通過對比天然狀態及增濕條件下地基土強度指標、壓縮性指標，增濕條件下地基土抗剪強度降低了87.5%，無側限抗壓強度降低77%～81.9%，壓縮系數增高1.5倍～2.0倍。證實了地基土對水的敏感性，以及水對土的強度和變形形狀影響明顯。

3)人為破壞。在近幾十年間古建筑物周邊遭到了極大的人為破壞，排水溝阻塞等改變了原有的地質環境，破壞了原有的平衡，導致目前塔身東北側局部地段變成低洼地段，致使雨后地表水大量聚集于此處，無法順暢快速排泄，地表水通過土體的垂直孔隙滲透入地基土，軟化地基土。從土力學的角度分析，西北角地基土在浸水增濕的工況下，土體內摩擦角、粘聚力、壓縮模量和承載力都會急劇下降，在上部荷載的作用下，地基土再次變形(沉降)；導致地基土產生不均勻沉降，表現出塔身傾斜和墻體開裂。

5 結語

潞城Q3濕陷性黃土地基在浸水工況下，地基土強度可下降70%以上，完全改變了巖土體原有的特性，也直接導致了千年古建筑地基變形值遠超建筑結構的適應能力，產生病害。

[1] GB 50007—2011，建筑地基基礎設計規范[S].

[2] GB 50021—2001，巖土工程勘察規范[S].

[3] GB 50025—2004，濕陷性黃土地區建筑規范[S].

[4] 關文章.濕陷性黃土工程性能新篇[M].西安：西安交大出版社，1992.

[5] 黃熙齡，秦寶玖.地基基礎的設計與計算[M].北京：建工出版社，1981.

Analysis on uneven settlement instance of a ancient tower foundation

Wang Gang

(Coal Industry Taiyuan Design and Research Institute, Taiyuan 030001, China)

Taking the foundation settlement of a ancient tower foundation in Lucheng for example, this paper analyzed the variations of soil engineering characteristics of collapsible loess foundation under submerged conditions, through the directly shear, unconfined compression strength, compression and other indoor geotechnical experiment, discussed the change rule of strength index, compressibility index of soil after natural moisture meter humidification, gained the ancient building foundation settlement causes.

ancient building, collapsible loess, humidification effect, uneven settlement

1009-6825(2016)12-0071-03

2016-02-18

王 剛(1987- )，男，助理工程師

TU470

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