王 剛

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001)

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某古塔地基不均勻沉降實(shí)例分析

王 剛

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)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(guò)直接剪切、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、壓縮等室內(nèi)土工試驗(yàn)，探討了土體在天然濕度及增濕后強(qiáng)度指標(biāo)、壓縮性指標(biāo)的變化規(guī)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(yīng)，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(cè)臨濁漳河，西南側(cè)瞰辛安村，地勢(shì)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(biāo)志性景觀；并于2001年6月25日被國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)公布為第五批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

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

實(shí)測(cè)寶塔塔身高度達(dá)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(chǔ)較東南角基礎(chǔ)的沉降差為17.2 cm，地基傾斜變形值達(dá)0.049。依據(jù)相關(guān)規(guī)范，高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的傾斜(20 m≤Hg≤50 m)地基變形允許值為0.006，現(xiàn)狀已遠(yuǎn)超出規(guī)范限制。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 自然地理?xiàng)l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(qū)域地貌單元為潞城黃土丘陵區(qū)，寺廟建于山丘之上，居高臨下。當(dāng)?shù)貙僦袦貛Т箨懶詺夂?，四季分明，冬長(zhǎng)夏短，雨熱同季，季風(fēng)強(qiáng)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(lái)源于天然降水量，多年平均降水量521.9 mm。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

潞城地處燕山運(yùn)動(dòng)太行山復(fù)式背斜隆起帶，曾經(jīng)歷新生代構(gòu)造活動(dòng)的格局，形成潞城市地勢(shì)南北高，西南與東部低的巖溶地貌景觀。本區(qū)域內(nèi)無(wú)全新活動(dòng)斷裂和不良地質(zhì)發(fā)育。

2.3 古塔結(jié)構(gòu)形式

青龍寶塔為閣式磚塔，八角形，七級(jí)。寶塔底層原設(shè)回廊(已毀)。底層設(shè)二門二窗，塔身逐級(jí)降低，2層～4層設(shè)二窗，5層以上不設(shè)窗，塔內(nèi)3層以下為空心，不可攀登。其基礎(chǔ)形式類似于現(xiàn)代毛石基礎(chǔ)，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(chǔ)周邊布置了若干探井；根據(jù)勘探揭露的地層情況結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，場(chǎng)地勘察深度范圍內(nèi)的地基土按照沉積時(shí)代、成因類型劃分，自上而下為第四紀(jì)晚更新世沖洪積層多沉積韻律輪回、侏羅紀(jì)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(biāo)見表1。

表1 場(chǎng)地各土層天然狀態(tài)下物理、力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)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(jí)配較好，中密～密實(shí)狀態(tài)，模量高，厚度小，壓縮性低，本文不考慮其對(duì)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(duì)地基變形值產(chǎn)生決定性影響?？辈鞎r(shí)間為當(dāng)?shù)厣儆昙竟?jié)，在勘察深度范圍內(nèi)未見初見水位及穩(wěn)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(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組；該場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期值0.40 s；近幾十年來(lái)，該區(qū)域未有強(qiáng)度超過(guò)6.0級(jí)地震記錄。

3 增濕條件下地基土工程特性指標(biāo)的變化

勘探點(diǎn)位于青龍寶塔基礎(chǔ)外側(cè)，試驗(yàn)測(cè)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?yàn)榭辈炱陂g為旱季無(wú)雨，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)寶塔室外地坪標(biāo)高明顯低于周邊0.1 m～0.3 m，宜在雨季積水。根據(jù)對(duì)以往大量建筑地基調(diào)查，建筑物周邊長(zhǎng)期積水可使基礎(chǔ)下的地基土中含水量增大5%～7%，且難以蒸發(fā)轉(zhuǎn)移。則對(duì)于本工程基礎(chǔ)下地基土中含水量可達(dá)到14%～20%，故考慮地基土的增濕效應(yīng)來(lái)驗(yàn)算地基土強(qiáng)度及變形。

3.1 地基土增濕后對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)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(jìn)行室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)，則抗剪強(qiáng)度值在增濕前后對(duì)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(qiáng)度試驗(yàn)，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(shí)際工程地質(zhì)條件較吻合的浸濕效應(yīng)。

為了對(duì)比研究地基土在天然狀態(tài)與增濕條件下強(qiáng)度指標(biāo)的變化，濕陷性黃土評(píng)價(jià)時(shí)經(jīng)常采用綜合強(qiáng)度值來(lái)表述水對(duì)強(qiáng)度的敏感性，綜合強(qiáng)度S=tanφ+0.01C，式中C值單位為kPa，以此對(duì)比同類土在增濕前后的強(qiáng)度變化。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明①層土C值降低率達(dá)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(shí)，土體強(qiáng)度明顯降低，增濕使土的粘聚力值發(fā)生顯著降低；當(dāng)降低率大于52%時(shí)，就屬于強(qiáng)增濕敏感性土。

3.2 地基土增濕后對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的影響

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是反映土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、黃土狀土固結(jié)粘聚力的有效試驗(yàn)。原狀土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值qu與重塑土樣在增濕條件下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(yàn)數(shù)據(jù)表明：①層、③層黃土狀粉土含水量由天然狀態(tài)增加到20%左右時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值可降低了77%～81%。有學(xué)者曾對(duì)潞城黃土的土質(zhì)進(jìn)行了微觀研究，發(fā)現(xiàn)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(guān)中地區(qū)，說(shuō)明該區(qū)域黃土結(jié)構(gòu)性作用弱。

3.3 地基土增濕后對(duì)壓縮性指標(biāo)的影響

室內(nèi)壓縮試驗(yàn)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(shí)，壓縮模量值增濕前后對(duì)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(shù)變化比用ηa表示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(guò)2.0倍，使得低壓縮性轉(zhuǎn)化為中偏高壓縮性，可見增濕效應(yīng)對(duì)該區(qū)域黃土狀粉土的壓縮性狀與強(qiáng)度性狀有相似的敏感效應(yīng)。

4 青龍寶塔不均勻沉降原因分析

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，古塔的傾斜和地基不均勻沉降是由于局部地質(zhì)環(huán)境變化導(dǎo)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(rèn)為有以下幾點(diǎn)：

1)地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。建筑物基底以下的主要壓縮層①層、③層黃土狀粉土結(jié)構(gòu)性弱，具有輕微～中等濕陷性，垂直節(jié)理發(fā)育，垂直向滲透系數(shù)大于水平向，現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)透水層，地表水會(huì)直接下滲到③層粉土，該地層結(jié)構(gòu)極易使地基土遭受完全浸水工況。

2)降雨積水對(duì)地基土工程特性的影響。本區(qū)濕陷性黃土對(duì)水分的敏感性高，當(dāng)黃土的天然含水量低于塑限時(shí)，水分變化對(duì)強(qiáng)度的影響大。通過(guò)對(duì)比天然狀態(tài)及增濕條件下地基土強(qiáng)度指標(biāo)、壓縮性指標(biāo)，增濕條件下地基土抗剪強(qiáng)度降低了87.5%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低77%～81.9%，壓縮系數(shù)增高1.5倍～2.0倍。證實(shí)了地基土對(duì)水的敏感性，以及水對(duì)土的強(qiáng)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(zhì)環(huán)境，破壞了原有的平衡，導(dǎo)致目前塔身東北側(cè)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(wú)法順暢快速排泄，地表水通過(guò)土體的垂直孔隙滲透入地基土，軟化地基土。從土力學(xué)的角度分析，西北角地基土在浸水增濕的工況下，土體內(nèi)摩擦角、粘聚力、壓縮模量和承載力都會(huì)急劇下降，在上部荷載的作用下，地基土再次變形(沉降)；導(dǎo)致地基土產(chǎn)生不均勻沉降，表現(xiàn)出塔身傾斜和墻體開裂。

5 結(jié)語(yǔ)

潞城Q3濕陷性黃土地基在浸水工況下，地基土強(qiáng)度可下降70%以上，完全改變了巖土體原有的特性，也直接導(dǎo)致了千年古建筑地基變形值遠(yuǎn)超建筑結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力，產(chǎn)生病害。

[1] GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范[S].

[3] GB 50025—2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].

[4] 關(guān)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(chǔ)的設(shè)計(jì)與計(jì)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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