乾陵東一翁仲裂隙調查及穩定性分析

甄 剛，秦立科，馬宏林，張 鑫，張 芳，陳國棟

(1. 陜西省文物保護研究院，陜西西安 710075； 2. 磚石質文物保護國家文物局重點科研基地(陜西省文物保護研究院)，陜西西安 710075；3. 西安科技大學建筑與土木工程學院，陜西西安 710054； 4. 乾陵博物館，陜西咸陽 713300)

0 引 言

乾陵是唐王朝第三代皇帝高宗李治與中國歷史上唯一的女皇帝武則天的合葬陵，是陜西境內唐代18座帝王陵墓中規模宏大、保存最為完整的一座。乾陵陵園石刻遺存包括無字碑、藩王像、翁仲、石獅等共有119件，是唐陵中石刻數量最多，規模最大的石刻群，具有極高的藝術和歷史價值。

乾陵石刻歷經1 300余年，風化嚴重，病害眾多，每件石刻均存在不同程度的裂隙發育和各類表層風化病害，而裂隙病害是影響石刻整體結構安全的重要因素。

楊軍昌等[1]對乾陵石刻的保存現狀進行了調查并給出了保護建議；和玲等[2]對乾陵石刻的化學風化進行了研究，認為化學因素是巖石風化的致命因素；馬濤等[3]、馬宏林[4]利用超聲波技術對乾陵石刻內部的裂隙及風化情況進行了研究；甄剛等[5]對乾陵無字碑的裂隙分布情況進行了調查并進行了穩定性分析；閻敏[6]對小氣候環境因素對乾陵石刻風化的影響進行了研究，指出日照、溫濕度變化及雨雪風霜對石刻有很大的影響；楊忠堂[7]研究了微生物對石質文物的腐蝕機理，并指出微生物是石質文物破壞的重要因素。以上研究對乾陵石刻的保護工作提供了一定的科學分析和理論依據。

在乾陵石刻中，南門司馬道東一翁仲(以陵為中心向外，依次排序編號1～10)的裂隙病害最為突出，分布有多條淺表裂隙和結構性裂隙，特別是有些結構性裂隙已經貫通，有發生整體失穩的可能。本工作以乾陵東一翁仲為研究對象，對其裂隙病害進行了現場調查，在此基礎上利用離散單元法對其穩定性進行了分析，為東一翁仲進一步保護提供了科學依據，對其他大型石刻的調查和研究也有借鑒作用。

1 裂隙病害調查

1．1 東一翁仲現狀

東一翁仲為石灰巖圓雕，重約13.6 t，總高度4.79 m，底座1.85 m×1.85 m×0.95 m。石刻五官清楚，雙目平視，闊鼻，八字胡，閉口，耳根下墜；頭戴平頭幘，身著廣袖過膝長袍，下穿及地長裙，腰束帶，足蹬朝靴，雙手柱劍于胸前，劍鞘有兩道雙弦紋，面西立于方形底座之上，底座四周刻線畫。東一翁仲的病害如圖1所示，石刻存在多種病害，如表面微生物風化、表面溶蝕、孔洞狀風化(深度有3～10 mm)及裂隙等。其中，裂隙病害最為突出，多條裂隙集中于石刻腿部，有些裂隙已經貫通，嚴重危及石刻的整體穩定。20世紀50年代，采取了鐵箍對石像小腿部位和基座進行了加固，鐵箍無防腐措施，表面已經全部銹蝕。

圖1 東一翁仲病害圖Fig.1 Damage of the first Wengzhong on the east side

1．2 東一翁仲結構性裂隙

目前，東一翁仲整體前傾，裂隙發育，裂隙分布如圖2所示，紅色為影響穩定性裂隙，綠色為淺表裂隙。東一翁仲的裂隙主要分布在石刻胸部以下，特別是集中于石刻的小腿部位，多條裂隙交錯，裂隙寬度3～10 mm，嚴重危及了石刻的穩定性。

圖2 東一翁仲裂隙分布Fig.2 Distribution of cracks of the first Wengzhongon the east side

影響石刻穩定性的裂隙共有5條，裂隙產狀和描述如表1所示，分布如圖3所示。

表1 東一翁仲主要危險裂隙

圖3 東一翁仲結構裂隙分布圖Fig.3 View of cracks of the first Wengzhong on the east side

從裂隙描述和分布圖可以看出，影響石刻穩定的裂隙主要分布于翁仲的底部，特別集中在小腿部位。裂隙J1和裂隙J2已經完全貫通，均下寬上窄，底部寬度已達6～10 mm。裂隙J1和J2內部如圖4所示，裂隙內有植物生長，并有壁虎、蜘蛛等小動物居住，裂隙內部中空無充填物，說明裂隙兩側巖體之間完全沒有黏結力。裂隙J3上下巖體有明顯錯動現象如圖5所示，說明裂隙已經貫通而且有一定的相對位移。其余兩條裂隙為局部貫通，兩側巖體具有一定的黏結力。

圖4 J1和J2裂隙內部Fig.4 Interior of Crack J1 and J2

圖5 J3裂隙兩側巖體錯動Fig.5 Dislocation of rock masses on the two sides of Crack J3

1．3 東一翁仲塊體分析

通過裂隙相對位置關系及分布深度分析可知，5條影響穩定性裂隙將東一翁仲巖體分割成5個巖塊，分塊如圖6所示。從圖中可以看出，綠色塊體為石刻的中心塊體，綠色塊體的體積最大，形狀呈上大下小，特別是塊體的下部為楔形體，和底座接觸的寬度很小，呈北寬南窄，寬度0.1～0.4 m，最寬處僅為石刻總寬度的1/4。通過綠色塊體的形狀分析可知，塊體頭重腳輕，重心位于石刻上部前側，導致單獨塊體無自穩能力，在自重作用下向前傾倒。由此可見，綠色塊體是整個石刻發生破壞的動力來源，目前石刻向司馬道側前傾正是由綠色中心塊體自重引起。

圖6 東一翁仲分塊示意圖Fig.6 Block diagram of the first Wenzhong on the east side

紅色塊體和黃色塊體位于石刻底部前側，兩個塊體共同構成上窄下寬的楔形體，楔形體高1.72 m，底部寬度0.31～0.37 m。藍色塊體位于石刻底部后側，同樣為上窄下寬的楔形體，楔形體高0.41 m，底部寬度0.21～0.23 m。前后兩個楔形體夾住中間綠色塊體，通過鐵箍纏繞，為綠色塊體提供了支撐，保證了整個石刻穩定。紫色塊體位于藍色塊體上部，整體呈南寬北窄，對石刻整體穩定性影響不大。

目前，石刻向南和向西傾斜，向南側傾斜約為1°04′，向西(前)傾斜約2°38′，以向西(前)傾斜為主。如圖7所示，石刻傾斜導致藍色塊體在鋼箍纏繞部位應力集中，并已經產生多條次生裂隙，表明藍色塊體和鋼帶之間存在較大的相互作用力。同時，次生裂隙的產生導致藍色塊體的支撐能力大為減弱。藍色塊體為整個石刻的關鍵塊體，一旦次生裂隙進一步發展，藍色塊體上部破碎，將無法為綠色塊體提供約束和支撐。另外，由于鐵箍年代久遠，且無防腐措施，鐵箍表面已經完全銹蝕，一旦失效，石刻就會處于失穩狀態。

圖7 應力集中引起的次生裂隙Fig.7 Secondary cracks caused by stress concentration

2 東一翁仲失穩過程分析

2．1 失穩過程分析

當不采取石箍加固措施時，東一翁仲將發生整體失穩，圖8給出了東一翁仲失穩倒塌過程示意圖。石刻的倒塌過程如下：綠色塊體在自重作用下向前傾倒，在傾倒過程中綠色塊體底部推擠藍色塊體向后移動，同時綠色塊體中部推擠紅色塊體向前移動。當紅色塊體向前移動一定距離后，綠色塊體繞著黃色塊體轉動，最終石刻整體倒塌破碎。

圖8 東一翁仲失穩過程示意Fig.8 Process of instability of the first Wengzhongon the east side

2．2 失穩特征分析

圖9給出了失穩過程中裂隙形態特征和現場對比。綠色塊體繞著黃色塊體轉動，導致綠色塊體和黃色塊體之間裂隙即J1下半部分上窄下寬，如圖9a、c部分所示，與現場裂隙特征吻合。

紅色塊體向前移動，導致紅色塊體和綠色塊體分離，在裂隙J3和J1的相交處，裂隙J1下面寬上面窄，如圖9c部分所示，與現場裂隙特征吻合。紅色塊體和黃色塊體將相互錯動，如圖9d部分所示，與現場錯動特征吻合。

藍色塊體向后移動，藍色塊體和綠色塊體之間的裂隙J2上寬下窄，如圖9a、b部分所示，與現場裂隙特征相反，主要是由于鋼箍的存在，阻止了裂隙上部張開。這也導致鋼箍和藍色塊體之間具有較大的相互作用力，從而在兩者接觸處產生了較多的次生裂隙。

圖9 失穩過程裂隙特征與現場對比Fig.9 Comparison of rock carving instability processand site characteristics

從以上分析可以看出，失穩倒塌過程分析合理。同時，也可以看出石刻失穩特征已經出現，進一步發展的話將非常危險。

3 東一翁仲穩定性評價

如圖10所示，東一翁仲穩定性采用了鋼箍加固。鋼箍通過纏緊藍色塊體和黃色塊體，共同為綠色中心塊體提供約束和支撐，阻止綠色塊體傾倒，保證了石刻整體穩定性。鋼箍由兩根寬40 mm厚5 mm鋼條組成，鋼條兩端鉆直徑15 mm圓孔，在石刻正前和正后兩處通過直徑8 mm鋼筋穿孔連接。鉆孔處鋼條有效截面積為125 mm2，鋼筋截面積為50.3 mm2。當兩者強度相同，連接鋼筋是鋼箍薄弱構件。鋼箍距底座307 mm，位于藍色楔形塊體上部。鋼箍和藍色塊體接觸處斷面厚度北小南大，斷面厚度43～69 mm。由于連接鋼筋較細且接觸處的塊體斷面較薄，加固措施難以提供足夠安全富余的支撐。

圖10 東一翁仲加固措施Fig.10 Reinforcement measures of the first Wengzhong on the east side

加固措施于1957年實施，距今已有60余年。鋼條和連接鋼筋通體銹蝕，鋼箍下方有多處鐵銹痕跡；藍色楔形體和鋼箍接觸處有多條次生裂隙，塊體頂端局部已經破碎掉落。以上情況說明鋼筋和塊體的承載能力均有所減少，石刻穩定性安全系數也隨著進一步降低。

目前，導致東一翁仲失穩主要有3個因素：關鍵塊體上部破碎、鋼箍斷裂失效和地震荷載。關鍵塊體上部破碎是指藍色關鍵塊體上部次生裂隙進一步發育破碎無法提供有效約束；鋼箍失效是指由于鋼箍變形過大或斷裂而導致的鋼箍對石刻無約束作用；近年來地震活動頻繁，已經成為威脅東一翁仲的主要荷載。在較大的水平地震荷載作用下，將使綠色塊體進一步傾倒從而導致石刻失穩。穩定性評價如表2所示，石刻目前已經出現失穩特征，故認為石刻處于欠穩定性狀態。

表2 石刻穩定性評價

4 結論和建議

1) 東一翁仲現有5條影響石刻穩定的裂隙，主要分布于石刻中下部，其中3條完全貫通，其余2條局部貫通，對石刻穩定性極其不利。這些裂隙將石刻分割成5個塊體，中間(綠色)塊體上大下小，重心前傾，導致整個石刻向前傾斜，是石刻失穩的主要動力來源。

2) 腳后跟(藍色)塊體是石刻穩定的關鍵塊體，呈上窄下寬的楔形體。由于鋼箍位于楔形體上部，導致與之接觸的腳后跟塊體上部應力過于集中。目前，已經產生多條次生裂隙，使其為石刻提供的支撐約束力降低，進一步發展將導致石刻向前倒塌。

3) 東一翁仲在目前處于欠穩定狀態。當遇到關鍵塊體上部破碎、鋼箍斷裂失效和地震荷載等任一種狀況，東一翁仲處于失穩倒塌狀態。建議對其作進一步研究后采取合理的加固預防措施。