柏威夏寺遺址建筑結(jié)構(gòu)變形機(jī)理分析與研究

劉建輝

(中國文化遺產(chǎn)研究院，北京　100029)

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柏威夏寺遺址建筑結(jié)構(gòu)變形機(jī)理分析與研究

劉建輝

(中國文化遺產(chǎn)研究院，北京100029)

摘要：柏威夏寺遺址為柬埔寨一處重要的世界文化遺產(chǎn)地，其選址建造具有極佳的地勢，其建筑充分融合了自然景觀與宗教功能，是高棉帝國時期最具代表性的大型石宮建筑物之一，藝術(shù)成就堪比吳哥城的諸多名剎殿宇。歷經(jīng)千年，受各種自然環(huán)境、人為等因素的影響，古寺的建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重變形，部分倒塌嚴(yán)重。為對未來開展柏威夏寺遺址的保護(hù)修復(fù)工作提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)參考，在對遺址區(qū)自然環(huán)境地質(zhì)因素及區(qū)內(nèi)建筑保存現(xiàn)狀的調(diào)查基礎(chǔ)上，對遺址區(qū)建筑結(jié)構(gòu)變形的機(jī)理進(jìn)行了分析研究，提出了柏威夏寺保護(hù)維修的原則。研究結(jié)果可為柏威夏寺的后期保護(hù)研究及修復(fù)工程提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：柏威夏寺；結(jié)構(gòu)變形；水害；不均勻沉降；保護(hù)維修

0　引　言

建于公元10世紀(jì)中葉至12世紀(jì)初的柬埔寨柏威夏寺，是高棉帝國時期最具代表性的大型石宮建筑物之一，藝術(shù)成就堪比吳哥城的諸多名剎殿宇。因其選址建造具有極佳的地勢，其建筑充分融合了自然景觀與宗教功能，于2008年被世界文化遺產(chǎn)委員會批準(zhǔn)為世界文化遺產(chǎn)。

當(dāng)今以吳哥窟為代表的世界遺產(chǎn)的旅游業(yè)促進(jìn)了柬埔寨及地方經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，柬埔寨當(dāng)局開始關(guān)注目前境內(nèi)僅有的吳哥地區(qū)以外的第二座世界文化遺產(chǎn)地——柏威夏寺的科學(xué)保護(hù)及其旅游開發(fā)工作。自1998年中國政府開始援助柬埔寨吳哥古跡進(jìn)行保護(hù)修復(fù)工作至今，已開展了包括周薩神廟和茶膠寺在內(nèi)兩期的無償援助保護(hù)與維修工作，目前二期茶膠寺的保護(hù)與維修工作已進(jìn)行過半。柬方有意邀請中方在二期援助工作結(jié)束后繼續(xù)對柬埔寨的文化古跡保護(hù)工作施以援手，并于2014年12月3日在柬埔寨暹粒省成立并召開了第一屆柏威夏寺國際協(xié)調(diào)委員會。會議決定由中國和印度作為協(xié)調(diào)委員會聯(lián)合主席國。由于前期中國政府援助的兩處保護(hù)維修寺廟均在吳哥地區(qū)范圍內(nèi)，柏威夏寺遺址的建筑特征及其保存現(xiàn)狀等研究工作對于中國援柬吳哥古跡保護(hù)工作隊來說還是一紙空白。為繼續(xù)在援助吳哥古跡保護(hù)的國際行動中發(fā)揮積極的作用，繼續(xù)譜寫中柬友誼的新篇章，代表中國進(jìn)行援柬古跡保護(hù)工作的中國文化遺產(chǎn)研究院提前啟動了下一步援助工作的前期考察工作。在此背景下，中國文化遺產(chǎn)研究院成立專項研究課題組針對柏威夏寺遺址建筑及目前保存現(xiàn)狀等方面進(jìn)行前期研究工作。

柬埔寨于2006年專門成立了柏威夏寺保護(hù)管理局，下設(shè)遺址與考古部、旅游發(fā)展部、環(huán)境保護(hù)部、治安管理部4個主要管理部門負(fù)責(zé)遺址區(qū)的保護(hù)及日常管理工作。雖然保護(hù)與管理部門早在2006年成立，但由于柬泰兩國對于柏威夏寺所有權(quán)的爭端一直懸而未決，兩國在柏威夏寺附近地區(qū)沖突時常發(fā)生，直至2013年底爭端才最終得以解決。而對于柏威夏寺遺址的各項保護(hù)工作計劃于2014年才開始正常啟動。近千年的自然環(huán)境和人為因素的影響，柏威夏寺遺址建筑已處于岌岌可危的保存狀態(tài)。眾多學(xué)者研究也表明，戶外大型建筑遺址的變形破壞自然地質(zhì)環(huán)境及其建筑結(jié)構(gòu)特征是建筑變形破壞的重要影響因素[1-3]。因此，課題組對柏威夏寺的自然地質(zhì)環(huán)境、遺址區(qū)病害、建筑變形破壞機(jī)理等方面進(jìn)行了調(diào)查及分析研究，基本探清了柏威夏寺遺址建筑變形破壞的成因及影響因素，為未來開展柏威夏寺遺址的保護(hù)修復(fù)工作提供了科學(xué)依據(jù)與技術(shù)參考。

1　柏威夏寺及其環(huán)境地質(zhì)概況

針對柏威夏寺遺址建筑變形破壞病害的成因，對柏威夏寺賦存的自然地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了調(diào)查研究。

1.1地形地貌

柏威夏寺遺址區(qū)地形地貌特征為山地河谷地貌，柏威夏寺建造于扁擔(dān)山山脈中段的一處“鷹喙”式摩艾丹崖頂，“喙尖”朝向柬埔寨，“喙根”朝向泰國。

柏威夏寺所處山峰海拔高度625m，山頂長800m，寬400m的階梯狀高地為遺址核心分布區(qū)，寺廟建筑區(qū)自南向北至山腳可分為4級平地、4級緩坡。峰頂南側(cè)緊鄰崖壁，為區(qū)內(nèi)最高點。北側(cè)為緩坡，由南向北地勢逐級降低，東、西兩側(cè)則為相對陡峭，局部為陡崖。根據(jù)山坡地勢特征，神道分布于緩坡處，5道塔門及各單體建筑對稱分布于中軸線兩側(cè)或中軸線的平臺之上，見圖1[4]、圖2[5]。

圖1　柏威夏寺遺址寺廟區(qū)地形地貌[4]Fig.1　The topography of Preah Vihear Temple

圖2　柏威夏寺遺址建筑剖面及平面分布圖[5]Fig.2　The profile and plane distribution map of Preah Vihear Temple building (Boisselier， 1966)

1.2地層展布特征

柏威夏寺所在山坡為南北傾向，建筑遺址依山勢而建，地表被第四紀(jì)坡積土覆蓋，坡積土層厚度不均，坡面局部上侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)砂巖石基巖裸露。整個坡面自然狀態(tài)時可分為4級階地，階地前方為小型陡坎，后期柏威夏寺建造者對坡面局部地形進(jìn)行了規(guī)整，坡面每一陡坎處均進(jìn)行了砂巖條石擋土墻的修建，內(nèi)部回填雜填土形成地基平臺，地基平臺南側(cè)與坡面自然結(jié)合。

1.3氣候及水文地質(zhì)特征

柬埔寨氣候?qū)儆跓釒Ъ撅L(fēng)性氣候，全年大部分時間處于高溫之中，東北部山區(qū)相對較為涼爽。年平均氣溫為27℃，其中以12月或1月最冷，月平均氣溫為24℃。

季風(fēng)交替控制了柬埔寨的氣候，整體可分為旱季和雨季。每年的5月至10月期間為柬埔寨雨季，西南季風(fēng)導(dǎo)致了降雨比較集中，約占全年降雨量的90%。柏威夏地區(qū)氣候變化年度月平均值見表1[6]。

圖3[7]中平均年降雨量數(shù)據(jù)顯示，柏威夏地區(qū)平均年降水量在1500mm左右。

圖3　柬埔寨年平均降雨量分布[7]Fig.3　The average annual rainfall distribution of Cambodia

表1　柏威夏地區(qū)全年氣候變化統(tǒng)計表[6]

根據(jù)遺址區(qū)內(nèi)地勢的高低，柏威夏遺址區(qū)從南至北存在2條分水嶺，將遺址區(qū)劃分成東部、中部、西部3個雨水徑流區(qū)，降雨徑流區(qū)分布圖見圖4。對遺址區(qū)建筑影響最大的為東部徑流區(qū)，此徑流區(qū)幾乎覆蓋整個寺廟，降雨整體自南向北徑流貫穿整個寺廟，而局部的流向非常復(fù)雜，形成了雨水匯集滯泄區(qū)域。區(qū)域內(nèi)大部分降雨徑流流向遺址區(qū)南側(cè)柬泰邊境的水庫。

圖4　柏威夏寺降雨徑流分區(qū)Fig.4　The rainfall runoff zoning map of Preah Vihear Temple

1.4遺址區(qū)自然災(zāi)害發(fā)育特征

從大地構(gòu)造看，柬埔寨位于中南半島板塊中部，遠(yuǎn)離板塊交界處及歐亞地震帶。地面峰值加速度為0.02～0.04區(qū)，區(qū)內(nèi)歷史上很少有地震活動。柬埔寨境內(nèi)全年無地震、臺風(fēng)、海嘯等自然災(zāi)害，主要發(fā)育的自然災(zāi)害為氣候變化引起的干旱和降雨引起的洪澇災(zāi)害。由于柏威夏寺處于扁擔(dān)山脈一處山峰之上，遺址區(qū)無洪水等自然災(zāi)害影響。

2　柏威夏寺建筑遺址病害現(xiàn)狀

對柏威夏寺建筑遺址進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查得知，目前柏威夏寺建筑主要存在的病害為建筑遺址的結(jié)構(gòu)變形塌落病害，見圖5～圖12。

3　柏威夏寺建筑變形破壞機(jī)理

由于柬埔寨境內(nèi)幾乎無地震、臺風(fēng)等不良地質(zhì)災(zāi)害影響，引起柏威夏寺古建筑遺址變形破壞、坍塌的因素主要包括建筑結(jié)構(gòu)自身特征、自然環(huán)境和生物三大方面。自然環(huán)境因素主要為降雨，建筑結(jié)構(gòu)自身因素則指建筑特有的局部結(jié)構(gòu)特征引起的結(jié)構(gòu)較易發(fā)生變形的因素，生物病害影響因素主要包括植物、動物(蟲蟻)兩類。

圖5　塔門V結(jié)構(gòu)變形塌落現(xiàn)狀(張念，2014年10月攝)Fig.5　The structural deformation and collapse situation of Gopura V(shot by Mr.ZHANG Nian，2014.10)

圖6　神道地面石不均勻沉降變形(金昭宇，2014年10月攝)Fig.6　The deformation of uneven settlement of ground stone of the causeway(shot by Mr.JIN Zhao-yu，2014.10)

圖7　塔門IV墻體結(jié)構(gòu)變形(張念，2014年10月攝)Fig.7　The structural deformation situation of Gopura Ⅳ(shot by Mr.ZHANG Nian，2014.10)

圖8　小塔上部結(jié)構(gòu)變形破壞Fig.8　The structural deformation situation of the small tower

圖9　塔門Ⅲ右側(cè)“U”型長廳結(jié)構(gòu)變形破壞Fig.9　The structural deformation of “U” long hall

圖10　矩形長廳結(jié)構(gòu)變形破壞現(xiàn)狀Fig.10　The structural deformation situation of the rectangular hall

圖11　塔門I后室墻體結(jié)構(gòu)傾斜變形破壞(張念，2014年10月攝)Fig.11　The structural deformation situation of the Gopura I (shot by Mr.ZHANG Nian，2014.10)

3.1建筑地基及基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)特征對建筑變形破壞的影響

3.1.1地基及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特征的影響柏威夏寺所在山坡為南北傾向，建筑遺址依山勢而建，地表被第四紀(jì)坡積土覆蓋，坡積土層厚度不均，坡面局部砂巖石基巖裸露。整個坡面自然狀態(tài)時可分為4級階地，階地前方為小型陡坎，后期柏威夏寺建造者對坡面局部地形進(jìn)行了規(guī)整， 坡面每一陡坎處均進(jìn)行了砂巖條石擋土墻的修建，內(nèi)部回填雜填土形成地基平臺，地基平臺南側(cè)與坡面自然結(jié)合。然后在地基平臺上修建各層塔門及兩側(cè)長廳、藏經(jīng)閣、回廊等建筑基礎(chǔ)及主體結(jié)構(gòu)。

圖12　中央圣殿兩側(cè)凈身殿墻體結(jié)構(gòu)變形破壞Fig.12　The structural deformation situation of the ablution hall on both sides of the central tower

局部地基及基礎(chǔ)內(nèi)填土土層厚度不均勻，此結(jié)構(gòu)特征在降雨滲透和沖蝕、蟲蟻搬運等因素影響下導(dǎo)致基礎(chǔ)的不均勻沉降，進(jìn)而引起了上部結(jié)構(gòu)的變形破壞。

此外，在建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上部建筑主體間組合特征方面，部分建筑上部的結(jié)構(gòu)直接坐落于基礎(chǔ)內(nèi)部填土之上，而非于基礎(chǔ)邊墻上部連續(xù)砌筑而成。對于建筑變形影響因素來講，也可認(rèn)為是建筑結(jié)構(gòu)特征上的一種缺陷，形成建筑上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)間的共同作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形。

3.1.2建筑上部自身結(jié)構(gòu)薄弱的影響

1) 砌筑建造特征。高棉古建筑中宗教的古塔、藏經(jīng)閣、回廊、塔門等為必不可少的建筑類型。不同類型建筑的建造結(jié)構(gòu)特征不一，也影響著建筑破壞形式和破壞程度。

砂巖石砌建筑建造過程中，石構(gòu)件間沒有任何粘結(jié)材料，僅靠石構(gòu)件間接觸面上的摩擦線、石構(gòu)件間布設(shè)的榫卯、榫槽以及石構(gòu)件間的錯縫咬合維持墻體的穩(wěn)定。

2) 建筑墻體門窗的布設(shè)。根據(jù)單體建筑墻體布設(shè)窗體與否的結(jié)構(gòu)特征，可分為實心墻體與帶門窗墻體。實心墻體主要為院落圍墻、藏經(jīng)閣局部、長廳局部、須彌臺墻體、回廊局部及塔體墻體等。對于單一砂巖實心墻體，單一砂巖石構(gòu)件間的強(qiáng)度特征均一，其建筑的變形破壞主要是由于基礎(chǔ)的不均勻沉降變形所引起。對于砂巖、角礫巖兩種材料共建的實心墻體，隨著氣候環(huán)境因素的影響，由于墻體單一石構(gòu)件間強(qiáng)度及其抗風(fēng)化程度的不均勻性，角礫巖石構(gòu)件遇水、風(fēng)化引起強(qiáng)度的超前降低破壞，進(jìn)而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)局部變形破壞。

含窗體的墻體除受基礎(chǔ)沉降等其他因素導(dǎo)致窗體發(fā)生結(jié)構(gòu)變形破壞外，一部分是由于窗體承受上部墻體荷載后轉(zhuǎn)角等接觸面處自身強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致窗框、橫向過梁發(fā)生殘損破壞，進(jìn)而引起上部墻體變形破壞。

門窗的布設(shè)導(dǎo)致了墻體整體結(jié)構(gòu)性變差。此外，伴隨高棉建筑藝術(shù)的發(fā)展和不斷完善，高棉建筑門窗結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)歷了矩形平面接觸和45°斜角榫卯咬合交接等多種結(jié)構(gòu)形式，見圖13和圖14。門窗的左右邊框、上下橫梁及其交接點均為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性脆弱點，不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計特征，門窗墻體發(fā)生結(jié)構(gòu)變形破壞的難度也不同，45°斜角榫卯咬合交接設(shè)計相對于矩形平面接觸更容易發(fā)生變形破壞。

圖13　高棉早期建筑門窗邊框與橫梁接觸方式(a)及榫卯結(jié)構(gòu)示意圖(b)Fig.13　The contact style of jamb and beam at the early period of Khmer

圖14　高棉晚期建筑門窗邊框與橫梁接觸方式(a)及榫卯結(jié)構(gòu)示意圖(b)Fig.14　The contact style of jamb and beam at the late period of Khmer

3) 梁柱結(jié)構(gòu)。高棉建筑中多建有回廊、長廳等單體建筑，回廊、長廳中經(jīng)常出現(xiàn)立柱與橫梁的組合體形成建筑結(jié)構(gòu)中的一側(cè)墻體，使內(nèi)部與外部空間保持開放，橫梁上支撐建筑結(jié)構(gòu)的屋頂部分。此外建筑單體的出入口也屬于梁柱結(jié)構(gòu)。梁柱結(jié)構(gòu)使建筑呈現(xiàn)了一個更加開放的空間，增加了建筑內(nèi)部的采光率、建筑室內(nèi)的內(nèi)支撐柱梁則使建筑內(nèi)部空間跨度更加寬廣，但也帶來了建筑結(jié)構(gòu)較易發(fā)生變形失穩(wěn)的隱患。

梁柱結(jié)構(gòu)變形破壞成因也可分為兩種，一種為被動傾倒變形破壞，一種為主動殘損斷裂破壞。梁柱結(jié)構(gòu)對于其基礎(chǔ)的變形較為敏感，由于接觸面積相對較小，基礎(chǔ)微小的沉降變形常會導(dǎo)致梁柱結(jié)構(gòu)的整體坍塌破壞，此類型的結(jié)構(gòu)破壞為被動傾倒變形破壞。主動殘損斷裂破壞主要為梁柱等結(jié)構(gòu)單元由于選材及使用上的不當(dāng)，在結(jié)構(gòu)荷載作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件沿巖石中的軟弱結(jié)構(gòu)面或?qū)永锩姘l(fā)生的劈裂或斷裂等變形破壞。引起石構(gòu)件發(fā)生主動殘損斷裂破壞的因素有兩種：一種為自然環(huán)境引起的石構(gòu)件風(fēng)化進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)單元的強(qiáng)度降低，荷載超過梁柱結(jié)構(gòu)單元的強(qiáng)度后導(dǎo)致斷裂破壞；另一種因素為受限于古代建造師們對建筑材料性質(zhì)認(rèn)識的欠缺，石料加工后，梁柱主受力方向與層里面或軟弱結(jié)構(gòu)面平行，荷載作用下，各梁柱結(jié)構(gòu)順層理面或軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生劈裂、斷裂等方式的變形破壞。此外，古代建造師對梁柱結(jié)構(gòu)跨度等結(jié)構(gòu)常識的欠缺導(dǎo)致梁柱跨度等較大，抗彎及承載能力小于荷載大小導(dǎo)致斷裂破壞。

高棉建筑歷史上橫梁出現(xiàn)了截面為矩形和“L”形兩種形式。其中，“L”形橫梁多與木材組合形成混合梁的結(jié)構(gòu)形式。柏威夏寺建筑遺址中塔門V、塔門IV、塔門Ⅲ、二層院落中“L”形長廊等建筑均采用了大跨度梁柱結(jié)構(gòu)，橫梁和立柱石構(gòu)件尺寸均較大。橫梁一般為完整的單一石構(gòu)件，而立柱則有單根立柱石構(gòu)件和多塊石構(gòu)件壘砌形成窗間立柱兩種形式。柏威夏寺除了特有的為“L”形梁柱結(jié)構(gòu)外，長廳的門窗頂部還出現(xiàn)了的雙梁結(jié)構(gòu)，見圖15和圖16。

圖15　建筑結(jié)構(gòu)中典型“L”形梁柱結(jié)構(gòu)Fig.15　The “L”-shaped post and beam structure

圖16　長廳中的典型雙梁結(jié)構(gòu)Fig.16　The double-beam structure in the long hall

早期木結(jié)構(gòu)腐朽后，“L”形橫梁半側(cè)以及雙梁結(jié)構(gòu)中腐朽橫梁上部的結(jié)構(gòu)失去支撐，梁柱結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)輕微變形及外部的影響十分明顯，失去木結(jié)構(gòu)的整體拉接支撐作用后梁柱結(jié)構(gòu)極易發(fā)生變形或坍塌破壞。

4) 疊澀拱形結(jié)構(gòu)。疊澀拱形結(jié)構(gòu)屬于拱形結(jié)構(gòu)的一種，總的來說拱可以分成疊澀拱和真拱兩種。高棉古建筑中所出現(xiàn)的拱形結(jié)構(gòu)大多為疊澀拱類型。疊澀拱技術(shù)起源甚早，在瑪雅、古希臘等古代文明中即有所發(fā)現(xiàn)。疊澀拱形結(jié)構(gòu)是指用磚石層層堆疊、向內(nèi)收斂、漸次接近的兩排磚或石的系列最終在中線合攏成的拱。

與拱券砌筑方式和受力特點不同，疊澀拱結(jié)構(gòu)是以疊澀的方式，用磚石自四周向中心層層水平出挑砌筑而成的。疊澀拱形結(jié)構(gòu)受力特點為在自身結(jié)構(gòu)重力或外力作用下，產(chǎn)生軸向壓力和側(cè)向推力。磚石塊不僅受壓，還要受剪，側(cè)向推力影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。疊澀拱能支撐起的重量主要是由懸空的兩排磚或石決定。磚或石的強(qiáng)度(堅硬程度)和磚石間的粘合程度越強(qiáng)，拱能承受重量越大，磚石系列也可以往下排得越遠(yuǎn)，如此就能在疊澀拱的下方建造出一個大的空曠的空間。

現(xiàn)場調(diào)查得知，柏威夏寺建筑遺址中東西藏經(jīng)閣、中央圣殿、中央圣殿南側(cè)假塔門、中央圣殿兩側(cè)“U”形長廊的屋頂為粘土磚或砂巖石的疊澀拱形結(jié)構(gòu)。

造成此類疊澀拱型磚石屋頂結(jié)構(gòu)變形破壞的原因，主要是其支撐的墻體或梁體產(chǎn)生移動，使起拱磚石也隨之發(fā)生變形，結(jié)構(gòu)內(nèi)部各構(gòu)件之間原始受力的平衡狀態(tài)被打破后，磚石塊體結(jié)構(gòu)全部坍塌破壞。

現(xiàn)場調(diào)查得知，目前柏威夏寺中僅有中央圣殿前室屋頂砂巖石拱券結(jié)構(gòu)、中央圣殿兩側(cè)“U”形長廊的砂巖石拱券結(jié)構(gòu)屋頂?shù)靡员４嫦聛?，但目前也已發(fā)育結(jié)構(gòu)裂縫。其他單體建筑中疊澀拱形結(jié)構(gòu)的屋頂已全部變形塌落損壞。中央圣殿的后室主塔的完全坍塌與其對變形敏感的疊澀拱形結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系。

3.2生物、自然環(huán)境等外在影響因素對建筑變形破壞的影響

3.2.1生物病害對建筑結(jié)構(gòu)的破壞的影響

1) 遺址區(qū)植物。植物對建筑遺址的破壞主要體現(xiàn)在植物根系的根劈破壞及其自身荷載對建筑結(jié)構(gòu)的破壞[8]。

由于柏威夏寺建筑遺址坐落于海拔625m的山峰之上，受環(huán)境等因素的影響，現(xiàn)今寺廟遺址區(qū)內(nèi)高大樹木不發(fā)育，僅零星分布數(shù)棵，對建筑遺址產(chǎn)生影響的為神道Ⅱ中部西側(cè)、小塔頂部兩處生長的樹木，見圖17。神道Ⅱ處樹木根系在石縫間深入地下，隨著樹木的生長，根系逐漸粗壯，神道Ⅱ局部地面石變形嚴(yán)重。塔門Ⅲ東側(cè)平臺上的小塔頂部生長有樹木，樹木枝干茂密呈傘狀，樹木根系扎根于結(jié)構(gòu)石構(gòu)件縫隙中，已導(dǎo)致塔體結(jié)構(gòu)裂縫的擴(kuò)張。

另外一類生物病害主要為砂巖石構(gòu)件表面苔蘚與地衣等的生長對石材的腐蝕，形成石構(gòu)件的風(fēng)化病害。此類病害發(fā)生在石刻部位時對石刻的危害較大。

圖17　植物病害引起建筑結(jié)構(gòu)的變形Fig.17　The structure deformation caused by plant diseases

2) 動物病害。動物病害對高棉建筑遺址引起的破壞主要分為結(jié)構(gòu)變形和石刻風(fēng)化兩方面。對于動物病害引起高棉建筑結(jié)構(gòu)的變形破壞主要表現(xiàn)在蟲蟻對地基及基礎(chǔ)填土中土的搬運掏空，造成地基基礎(chǔ)填土疏松、密度降低、承載力下降，引起地基及基礎(chǔ)不均勻沉降，進(jìn)而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的變形破壞。

3.2.2自然環(huán)境及氣候?qū)ㄖY(jié)構(gòu)的破壞的影響

在眾多自然環(huán)境與氣候影響因素中，水對高棉建筑的影響尤其重要。水的管理和合理應(yīng)用至關(guān)重要，水的平衡維護(hù)著遺址的保存，而水的放任自流則嚴(yán)重威脅著建筑遺址的保存。

水對柏威夏寺建筑遺址的影響也分為兩種形式，見圖18。一為降雨整體順坡面自南向北徑流。由于長時期的戰(zhàn)爭影響，遺址區(qū)排水系統(tǒng)從未被重新修理和維護(hù)，部分填滿了泥土，老舊的排水系統(tǒng)被阻塞，排水系統(tǒng)未起到作用，雨水徑流流向建筑地基基礎(chǔ)各處，對地基及基礎(chǔ)形成了沖刷破壞，掏蝕地基平臺內(nèi)部填土引起地基土體沉降變形，進(jìn)而導(dǎo)致建筑基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形破壞；二為降雨入滲對基礎(chǔ)內(nèi)部填土進(jìn)行沖蝕或軟化，荷載作用產(chǎn)生的土壓力與雨水入滲產(chǎn)生的水壓力共同作用引起建筑地基基礎(chǔ)的沉降變形。由于基巖面為傾斜坡面，地基及基礎(chǔ)變形不均勻，產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變形破壞。目前，一些建筑部分已經(jīng)崩塌，其他部分也處在搖搖欲墜狀態(tài)。

圖18　水害引起柏威夏寺建筑結(jié)構(gòu)變形破壞機(jī)理分析Fig.18　The mechanism analysis of building structure deformation and damage caused by rain

3.2.3人為活動影響對建筑物的破壞柏威夏寺建筑遺址人為活動影響對建筑物的破壞主要發(fā)生在柬泰雙方戰(zhàn)爭時期，柏威夏寺曾經(jīng)在柬泰兩國軍隊手中幾易其主，曾經(jīng)出現(xiàn)寺內(nèi)珍貴文物被盜、建筑結(jié)構(gòu)被人為損壞等情況。戰(zhàn)時遺址內(nèi)防御設(shè)施的修建，也對建筑遺址的保存帶來了威脅，如塔門V基臺西側(cè)及塔門Ⅲ“U”長廳東側(cè)的防御設(shè)施、遺址區(qū)建筑內(nèi)部修建的儲水池等，見圖19。由于緊鄰遺址區(qū)建筑或修建于建筑內(nèi)部，防御設(shè)施地面低于外圍地面，導(dǎo)致雨季降雨發(fā)生倒灌現(xiàn)象，雨水滲入建筑基礎(chǔ)地基土層內(nèi)部，導(dǎo)致地基或基礎(chǔ)內(nèi)土層的不均勻壓縮沉降，引起建筑上部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞。建筑遺址區(qū)內(nèi)儲水池的雨水滲漏，也給周邊建筑物的變形破壞帶來了影響。

圖19　遺址區(qū)現(xiàn)存戰(zhàn)時防御工事Fig.19　The fortifications in the site of the Preah Vihear Temple

4　建筑結(jié)構(gòu)變形破壞成因力學(xué)定量分析及評價

柏威夏寺建筑遺跡結(jié)構(gòu)變形破壞主要發(fā)生于含門窗的墻體結(jié)構(gòu)和梁柱結(jié)構(gòu)的典型特征，對這兩種典型建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，可將柏威夏寺遺址建筑結(jié)構(gòu)變形破壞簡化為以下幾類。

4.1簡支梁斷裂破壞

含門窗墻體結(jié)構(gòu)簡支梁斷裂破壞主要為簡支梁石構(gòu)件受內(nèi)力作用超過自身風(fēng)化后的強(qiáng)度而引發(fā)的變形破壞。

簡支梁石構(gòu)件剪力圖、彎矩圖分別如圖20中(a)、(b)所示。

圖20　門窗簡支梁斷裂破壞受力分析Fig.20　The force analysis of simple beam breakage

簡支梁石構(gòu)件所能承受最大荷載為：

Mmax=Wz[σ]

(1)

式中，Mmax=ql2/8，Wz=bh2/6(b，h分別為簡支梁石構(gòu)件寬、高)。

當(dāng)簡支梁石構(gòu)件風(fēng)化強(qiáng)度[σ]<3ql2/4bh2時，簡支梁石構(gòu)件將發(fā)生斷裂破壞。

4.2傾倒倒塌式破壞

柏威夏寺建筑遺址建造初期的梁柱結(jié)構(gòu)中為保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，橫梁與立柱石構(gòu)件間存在榫槽。由現(xiàn)場調(diào)查得知，變形破壞后梁柱結(jié)構(gòu)間榫槽保存完好，石構(gòu)件未發(fā)生滑移變形，發(fā)生變形破壞多為基礎(chǔ)沉降引起結(jié)構(gòu)向內(nèi)外發(fā)生傾倒倒塌變形破壞或基礎(chǔ)不均勻沉降使梁柱結(jié)構(gòu)沿柱間軸線上發(fā)生變形引起建筑結(jié)構(gòu)破壞。對于梁柱結(jié)構(gòu)發(fā)生向內(nèi)或向外的傾倒倒塌破壞，破壞分析示意圖如圖21所示。

圖21　梁柱結(jié)構(gòu)傾倒倒塌破壞分析示意圖Fig.21　The analysis of toppling failure of beam-column structural

梁柱結(jié)構(gòu)發(fā)生向外或向內(nèi)的傾倒倒塌破壞時，一般以柱體下部O點側(cè)邊為轉(zhuǎn)軸，當(dāng)上部柱體重心A點偏離O點右側(cè)時即發(fā)生傾倒倒塌破壞，根據(jù)幾何關(guān)系可知AB=H/2，OB=D/2，∠ABO=90°，∠AOC=90°，由以上關(guān)系可推得：

θ=90°-tanh-1(H/D)

(2)

式中，H為轉(zhuǎn)軸上部梁柱高度，D為柱體寬度。

當(dāng)θ>90°-tanh-1(H/D)時，梁柱結(jié)構(gòu)發(fā)生傾倒倒塌破壞。

對于地基不均勻沉降引起建筑結(jié)構(gòu)的變形破壞，由于柏威夏寺建筑遺址屬于石砌體結(jié)構(gòu)，根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范中砌體結(jié)構(gòu)建筑物地基變形允許值可知[9]：

1) 對于砌體承重墻體結(jié)構(gòu)墻體基礎(chǔ)的局部傾斜量，

△Z1≤0.002

(3)

式中，局部傾斜△Z1指砌體承重結(jié)構(gòu)沿縱向6～10m內(nèi)基礎(chǔ)兩點的沉降差與其距離的比值。

2) 對于梁柱結(jié)構(gòu)可類比為框架結(jié)構(gòu)，其建筑相鄰柱基的沉降差△Z2(軸線方向)，

△Z2≤0.002L

(4)

式中，L為相鄰柱基的中心距離，mm。

當(dāng)砌體結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)變形大于式(3)、式(4)的△Z1、△Z2時，建筑結(jié)構(gòu)將發(fā)生變形破壞。

5　結(jié)　論

柏威夏寺建筑遺址的變形破壞因素：柏威夏寺建筑遺址的變形破壞為多因素共同作用的結(jié)果。根據(jù)病害發(fā)育現(xiàn)狀及病害成因機(jī)理分析得知，自然氣候環(huán)境中降雨入滲及沖蝕導(dǎo)致建筑基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降進(jìn)而引起建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞為引起柏威夏寺建筑變形破壞坍塌的主要因素。在建筑結(jié)構(gòu)自身方面，地基及基礎(chǔ)厚度不等的填土墊層、門窗、梁柱組合、疊澀拱等局部特有的建筑結(jié)構(gòu)特征也促使建筑自身較容易發(fā)生變形破壞。戰(zhàn)時人為破壞及建筑本體附近防御工事的建造也對建筑的完整保存產(chǎn)生了威脅。生物病害影響因素主要包括植物、動物(蟲蟻)兩類。

柏威夏寺保護(hù)維修原則：根據(jù)各影響因素對建筑變形破壞作用的大小，柏威夏寺后期保護(hù)維修工程首要工作是遺址區(qū)內(nèi)整體及各單體建筑附近排水系統(tǒng)的清理復(fù)建，以解決降雨的入滲及徑流對地基及基礎(chǔ)的沖蝕破壞。其次是建筑本體附近戰(zhàn)時防御工事的清除，消除降雨倒灌及滲漏對建筑基礎(chǔ)變形的影響。在解決水害影響的基礎(chǔ)上，再對建筑變形移位結(jié)構(gòu)進(jìn)行解體及對發(fā)生不均勻沉降變形地基及基礎(chǔ)的調(diào)平整修。最后的保護(hù)維修工作是殘損石構(gòu)件的修復(fù)、解體變形移位石構(gòu)件的歸安、塌落石構(gòu)件的尋配歸安。

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(責(zé)任編輯馬江麗)

收稿日期：2015-01-21；修回日期：2015-05-28

基金項目：中國文化遺產(chǎn)研究院基本科研業(yè)務(wù)費資助課題資助(2014-JBKY-11)

作者簡介：劉建輝(1980—)，男，2008年碩士畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)工程專業(yè)，工程師，主要從事巖土類文物的保護(hù)與研究，E-mail：liujianhui.2000@163.com

文章編號：1005-1538(2016)02-0007-09

中圖分類號：K878.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Analysis and research on the mechanism of building structure deformation of Preah Vihear Temple

LIU Jian-hui

(Chinese Academy of Cultural Heritage，Beijing 100029，China)

Abstract:The Temple of Preah Vihear, a UNESCO World Heritage Site along with Angkor Wat Temple, was constructed on the top of the Pey Tadimountain as a monastic hermitage. It was a holy place and later became not only a sanctuary, but also a pilgrimage destination. The temple of Preah Vihear is the most spectacular of the stone temples built during the six-century-long Khmer Empire. For over a thousand years, the temple suffered from various natural environmental and man-made damages. The site has faced serious problems, including deformation. Some parts of the temple have already collapsed and other parts are tilted and could collapse at any time. A survey report was prepared that includes data on the natural topographical environment and the state of preservation. The mechanism of deformation of the building structures was analyzed. Finally, proposals for their conservation and restoration were proposed. This study is valuable as a plan of action for the preservation of the Preah Vihear Temple.

Key words:Preah Vihear Temple； Structural deformation； Water damage； Differential settlement； Conservation and restoration