李桐林 石玉成 劉琨 盧育霞 王常亞 缐正英

摘要： 介紹了交河故城存在的風蝕、雨蝕、掏蝕、裂隙和崩塌等主要病害類型，總結其現(xiàn)有加固方式，并對典型遺址體進行地脈動測試，結果顯示：①土遺址的自振頻率主要在1.72～6.03 Hz，阻尼比主要在0.027～0.043，符合實際情況;②墻體相對于塔體墩臺的自振頻率較大，受地震作用影響較大，應對交河故城居民墻、佛寺墻等薄弱墻體進行重點監(jiān)測與保護;③地脈動由底部傳至頂部，其速度存在明顯放大效應，放大倍數(shù)約為1.5～3倍。

關鍵詞：交河故城;病害特征;加固方式;動力測試;放大效應

0 引言

土遺址是指古代建筑被毀后遺留下的土建筑體部分。據(jù)統(tǒng)計，絲綢之路沿線的104處國家級重點土遺址文物中，34%分布在地震烈度Ⅷ度或Ⅷ度以上地區(qū)，51%分布在Ⅷ度區(qū)，15%分布在Ⅵ度區(qū)（石玉成等，2010;胡明清，2008），該區(qū)域在嚴峻背景下的土遺址動力響應分析及抗震保護已成為土遺址科學研究與保護的一項重要內(nèi)容，石玉成等（2013）概述了土遺址文物的主要病害特征及成因機制，針對土遺址特殊性提出了防震保護加固的原則和抗震加固方案;梁濤（2010）利用FLAC軟件對新疆蘇巴什佛寺遺址進行了地震動計算的研究，分析其破壞模式，找到了土遺址的薄弱位置;孔德政等（2018）通過土工試驗和數(shù)值模擬研究不同類型長城在地震作用下的動力響應特征及抗震穩(wěn)定性情況。

新疆吐魯番地區(qū)交河故城作為絲綢之路沿線標志性土遺址之一，具有兩千多年悠久歷史，是古代西域政治、經(jīng)濟、文化中心之一，是目前世界上最古老的、也是保護最好的生土建筑城市之一，對現(xiàn)今建筑文化的發(fā)展有著非常重要的意義（李最雄，2003）。交河故城幾乎是從天然生土中挖掘而成，這與大多數(shù)土遺址有著明顯的差異，其病害特點、加固方式及其動力特性值得深入研究。因而，本文對交河故城病害、加固類型進行實地勘察，并對典型土遺址進行動力特性測試，以期為后續(xù)交河故城研究提供理論基礎。

1 交河故城本體病害分析

1.1 風蝕

交河故城地處西北地區(qū)，該地區(qū)8～12級大風和沙暴出現(xiàn)率較高，加之其地處臺地之上，因此風蝕病害在交河故城本體上發(fā)育較為廣泛（圖1）。風對土遺址體的破壞主要分為：①吹蝕破壞：因常年受西北風的吹蝕，風蝕病害主要發(fā)育在土遺址西北面，墻體表面出現(xiàn)凹凸不平的蜂窩狀外觀，垛泥墻體的夾草被吹蝕殆盡，在風蝕的長期作用下，土體表面強度較低，尤其是攜沙風對土遺址表面造成巨大的破壞作用。②磨蝕破壞：交河故城所在地區(qū)風速時常達17 m/s，而15 m/s的攜沙風吹蝕模數(shù)即可達20.4 kg/（m2·h），風沙的磨蝕作用主要位于土遺址體離地面2 m高的區(qū)域內(nèi)（李最雄等，2008）。

1.2 雨蝕

交河故城雖地處干旱區(qū)，但降雨量較為集中，40 mm/d以上大到暴雨也偶有發(fā)生，且降雨強度較大。因長期受風蝕影響，墻體表面的抗剪強度較低，已瀕臨破碎，因此抗雨蝕能力較差，強降雨對墻體造成二次沖擊，使得墻體在雨水的作用下形成泥流附著其上，在強烈的干濕交替下形成泥皮或龜裂紋（王旭東等，2013），繼而在風蝕作用下剝落（圖2）。

1.3 掏蝕

交河故城的掏蝕病害主要有2種：酥堿是由于土體含有豐富的易溶鹽成分，在雨水的侵蝕下，土體中的可溶鹽成分尤其是Na2SO4發(fā)生反復的溶解收縮—結晶膨脹，土體結構不斷疏松崩解;風力掏蝕是由于地表上的土遺址體與地下土體存在土性成分的差異，膠結力和顆粒間的黏結力相對較差，容易被風吹蝕，形成典型的掏蝕病害，層狀風蝕病害主要發(fā)生在生土地層（圖3）。

1.4 裂隙（縫）

交河故城存在的裂隙（縫）主要有卸荷裂隙、構造縫、變形裂隙和建筑工藝裂縫。交河故城坐落于兩河之間的臺地上，臺地四周均為近似直立的崖體，四周崖體分布著大量的卸荷裂隙，一般多為大型直立裂隙，寬度較大、破壞性較強，對臺地整體穩(wěn)定性造成巨大影響。構造縫主要由新構造活動、節(jié)理構造以及影響發(fā)育的上部墻體構造縫造成。變形裂隙主要是由窯洞開挖或基礎不均勻沉降導致應力分布不均造成的，窯洞開挖造成的變形裂隙主要分在倉儲區(qū)、官署區(qū)和居民區(qū)等人類活動較為密集的地方，在窯洞遺址中分布較為廣泛，而基礎不均勻沉降造成的變形裂縫主要分布在塔林區(qū)、佛寺區(qū)等建筑類型較多、建筑形制較復雜的區(qū)域（李桐林等，2019）。建筑工藝裂縫是指由于建筑工藝原因形成的接搓縫、結構縫、施工縫等，交河故城墻體多為垛泥縫（圖4）。

1.5 崩塌

風蝕、雨蝕和地震力等外應力的作用會導致遺址破壞失穩(wěn)，最終崩塌。目前崩塌病害是交河故城亟待解決的病害問題，具體表現(xiàn)為洞頂坍塌、崖邊坍塌和墻體失穩(wěn)崩塌。由于墻體常年受到風雨侵蝕導致其底部出現(xiàn)掏蝕凹陷區(qū)，造成墻體失穩(wěn)破壞。崖邊坍塌是交河故城最為嚴重的崩塌類型，崖體裂隙較多，一般為構造縫和卸荷裂隙，崩塌破壞的表現(xiàn)形式主要為傾倒、滑移、拉裂和錯斷（圖5）。

2 加固類型分析

土遺址加固主要分為化學加固、物理加固和化學物理加固相結合。交河故城化學加固主要是采用2種方式：表面防風化加固通過PS表面噴灑滲透和滴滲對墻體土質疏松部位進行加固，加強了土骨架顆粒的連結強度，加固后的墻體抗風蝕、雨蝕能力顯著提高，抗拉強度和抗壓強度明顯提高，如大佛寺墻體加固;灌漿加固主要針對土遺址體中存在的微小裂隙，充填裂隙空缺，加強土遺址體的整體穩(wěn)定性（和法國等，2010）。

交河故城物理加固主要3種：土坯土塊砌筑加固主要是針對局部懸空失穩(wěn)、掏蝕凹進的土遺址，采用與原土遺址相近材料進行補強加固，使其達到穩(wěn)定狀態(tài);支護加固主要針對洞穴頂部失穩(wěn)部分，通過支架將洞穴頂部荷載傳遞至頂部穩(wěn)定土體，官署區(qū)洞穴多采用此類加固方法;錨固加固主要依靠錨桿與土體之間的粘結力和摩擦力，在被動土體中受力，承受拉力作用，從而起到加固土體作用，主要應用于墻體或崖體中存在的裂隙（縫）。

交河故城化學物理加固主要為灌漿錨固加固，兼具化學加固與物理加固的優(yōu)點，同時對土體力學性質和化學成分進行調整，有效解決土遺址面臨的病害問題，例如崖體卸荷裂隙加固等。交河故城崖體灌漿錨固法使用的錨桿主要為楠竹加筋復合錨桿，其極限承載力較其他錨桿顯著提高，有利于提高其加固效果和整體穩(wěn)定性（張景科等，2007）。

3 地脈動測試分析

土遺址作為一種特殊的建筑物，其動力特性決定著土遺體的抗震穩(wěn)定性能，通常建筑物的自振周期需要通過理論計算的方法獲得，但由于其自身外型的不規(guī)則，以及其存在的裂縫、凹陷等病害問題，該方法所得結果往往與實際建筑物自振周期存在一定誤差，因此，筆者通過現(xiàn)場實際地脈動測試獲得其動力參數(shù)。

測試儀器由INV303D型智能信號采集和處理系統(tǒng)、傳感器以及計算機組成。DASP大容量數(shù)據(jù)自動采集和處理系統(tǒng)，采樣記錄通道為6道，最低采樣頻率為0.001 Hz，最高采樣頻率為100 kHz，200 kHz和1 000 kHz任選，采樣分析精度為12位A/D，常規(guī)幅值誤差<0.1%，頻率誤差<0.01%。每次測試時間為200 s，每個測試點分別為NS向（順墻向）、EW向（垂直墻向）、豎直向3個方向的地脈動觀測，每個觀測點記錄2次，采樣時間間隔最小為0.02 s，截止頻率為40 Hz，滿足土遺址振動頻譜分析要求。

結構動力特性測試關鍵在于是否能準確反映現(xiàn)場結構的振動特性和規(guī)律，并將測試結果完整地記錄下來，但由于外界環(huán)境的不可控因素，以及儀器的零漂、干擾和非線性輸出等問題，會導致實測波形的畸變。為使地脈動波形更好地反映土遺址的自振周期和自振頻率，在對實測波曲線進行頻譜分析或波形反演時，劃分和確定出主頻范圍，再挑選相對正常的地脈動信號進行數(shù)字濾波處理。

本文選擇測試對象分別為交河故城塔林區(qū)中心塔旁小塔（圖6a）、后期修筑墻體（圖6b）和2號居民點處墻體（圖6c）。將6道采樣通道分2組測試，土遺址頂部和底部各3道，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理可得測試點幅值譜圖如圖7所示。由圖7可見各測點幅值譜圖存在一定差異，譜形以“山脈狀”居多，主峰突出，一些譜形呈“雙峰”或“單峰狀”，總體上頻帶較寬，其測試結果較好地反映了土遺址的微振動特征。后期修筑墻的譜形呈單峰狀（7b），小塔和居民墻的譜形呈山脈狀（7a，c），后期修筑墻譜形單峰狀的原因可能是由于其建造時間較晚，且土體材料相對均勻，雜質較少。場地地脈動測試的自振周期與該地土層厚度、土層剪切波速及巖土阻抗比有關。從圖7可大致判斷出土遺址后期修筑墻及居民墻的自振頻率主要為1.72～6.03 Hz，符合實際情況。小塔的自振頻率分別為1.72～3.72 Hz，3.21～6.03 Hz，3.22～3.98 Hz（表1），其中后期修筑墻底部垂直墻向自振頻率與其他2個方向存在一定差異，且在10 Hz左右速度峰值明顯增大，表明測試過程中可能存在外界干擾或拾振器未與地面完全接觸的情況。

場地地脈動測試的建筑遺址自振頻率與建筑遺址本身質量和剛度有關，自振頻率越大，表明其質量和剛度相對較大，結構在地震作用下加速度反應越大。從圖7可見，后期修筑墻的自振頻率最大，而中心塔旁小塔的自振頻率最小，可初步判斷在相同地震作用下，后期修筑墻受地震作用影響較大，居民墻次之，而中心塔旁小塔最小。后期修筑墻通過土體砌筑或夯筑而成，墻體地面與地面之間的連接較弱，導致其抗震性能大大減弱，與實際情況中土遺址外形相吻合，且墻體明顯比墩臺的抗震性能弱。因此相較于墩臺等土遺址，交河故城居民墻、寺院墻體等應進行重點監(jiān)測與保護。

通過比較不同建筑遺址頂部與底部速度峰值大小可知，頂部速度峰值明顯大于底部，約為1.5倍，表明其從建筑遺址底部到頂部存在明顯的放大效應。在地震作用下，建筑物頂部受到的速度影響大于底部，建筑遺址整體速度不一致，加劇了建筑遺址的倒塌破壞。其中，后期修筑墻底部峰值速度與頂部峰值速度基本一致（圖7b），可能是由于其高度較低導致放大效應不明顯。

阻尼分析一般是在頻域上進行的，根據(jù)各測點的頻譜圖，用半功率法可計算出各測點在各階頻率上的阻尼比，統(tǒng)計結果見表1，土遺址的阻尼比為0.027～0.043，其中后期修筑墻的阻尼比最小，其次為居民墻，小塔阻尼比最大，且短邊阻尼比大于長邊，阻尼比越大，表明其結構在地震作用下振動衰減越快。因此墻體的抗震性能弱于小塔等墩臺抗震性能，符合自振頻率研究結果。

圖8為交河故城塔林區(qū)小塔3個方向功率譜圖，由圖8可見，NS向、EW向和豎直向峰值功率頂部與底部放大規(guī)律基本一致。測試點從底部到頂部速度都有不同程度的放大效應，放大倍數(shù)大約為1.5～3倍，進一步印證了土遺址在地震作用下由底部至頂部存在放大效應的結論。其中，EW向功率譜圖（圖8b）峰值相較于其他2個方向峰值較大，可能與臺地為偏EW走向有關，仍有待進一步測試研究。

4 結論

本文介紹了交河故城存在主要病害類型以及保護加固方式，對交河故城典型土建筑遺址進行了地脈動測試，通過數(shù)字信號處理和對比分析研究了3處代表性土建筑遺址，可得出以下結論：

（1）通過分析可大致判斷出土遺址的自振頻率主要為1.72～6.03 Hz，阻尼比主要為0.027～0.043，符合實際情況。

（2）交河故城墻體相對于塔體墩臺的自振頻率較大，受地震作用影響較大，應對交河故城居民墻等墻體進行重點監(jiān)測與保護，以此降低震害損失。通常情況下，裂隙病害較為嚴重的遺址體，會對其結構的自振頻率造成一定程度的削減，而遺址體根部存在掏蝕凹陷的墻體，其自振頻率會相對提高，進而受地震作用影響較大，因此，應對墻體或殘損土遺址進行重點監(jiān)測保護。

（3）地脈動由底部傳至頂部，其速度存在放大效應，加劇了在地震作用下土建筑遺址的破壞，放大倍數(shù)約為1.5～3倍，且水平方向的放大效應較為明顯，豎直方向放大效應相對較弱，該情況可能與試驗儀器的誤差有關，后續(xù)應進一步研究驗證。

目前，在土遺址保護方面，還沒有建立比較系統(tǒng)的科學理論體系，土遺址加固保護工程還沒有相應的規(guī)范來限定保護加固工作。對于土遺址病害發(fā)展的檢測工作方面還應深入研究，以達到對瀕臨嚴重破壞的土遺址及時保護控制和價值保存的目的。對于現(xiàn)代無損微創(chuàng)技術，也要加以應用，這樣既能保存土遺址原有的風貌，又可控制土遺址的病害，結合現(xiàn)代的高科技材料，將土遺址永久流傳。

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