交河故城病害特征及動(dòng)力測(cè)試分析

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(fēng)蝕、雨蝕、掏蝕、裂隙和崩塌等主要病害類型，總結(jié)其現(xiàn)有加固方式，并對(duì)典型遺址體進(jìn)行地脈動(dòng)測(cè)試，結(jié)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(shí)際情況;②墻體相對(duì)于塔體墩臺(tái)的自振頻率較大，受地震作用影響較大，應(yīng)對(duì)交河故城居民墻、佛寺墻等薄弱墻體進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與保護(hù);③地脈動(dòng)由底部傳至頂部，其速度存在明顯放大效應(yīng)，放大倍數(shù)約為1.5～3倍。

關(guān)鍵詞：交河故城;病害特征;加固方式;動(dòng)力測(cè)試;放大效應(yīng)

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(jì)，絲綢之路沿線的104處國家級(jí)重點(diǎn)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(yán)峻背景下的土遺址動(dòng)力響應(yīng)分析及抗震保護(hù)已成為土遺址科學(xué)研究與保護(hù)的一項(xiàng)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(jī)制，針對(duì)土遺址特殊性提出了防震保護(hù)加固的原則和抗震加固方案;梁濤（2010）利用FLAC軟件對(duì)新疆蘇巴什佛寺遺址進(jìn)行了地震動(dòng)計(jì)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(yàn)和數(shù)值模擬研究不同類型長城在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)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(biāo)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(jì)、文化中心之一，是目前世界上最古老的、也是保護(hù)最好的生土建筑城市之一，對(duì)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(diǎn)、加固方式及其動(dòng)力特性值得深入研究。因而，本文對(duì)交河故城病害、加固類型進(jìn)行實(shí)地勘察，并對(duì)典型土遺址進(jìn)行動(dòng)力特性測(cè)試，以期為后續(xù)交河故城研究提供理論基礎(chǔ)。

1 交河故城本體病害分析

1.1 風(fēng)蝕

交河故城地處西北地區(qū)，該地區(qū)8～12級(jí)大風(fēng)和沙暴出現(xiàn)率較高，加之其地處臺(tái)地之上，因此風(fēng)蝕病害在交河故城本體上發(fā)育較為廣泛（圖1）。風(fēng)對(duì)土遺址體的破壞主要分為：①吹蝕破壞：因常年受西北風(fēng)的吹蝕，風(fēng)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(fēng)蝕的長期作用下，土體表面強(qiáng)度較低，尤其是攜沙風(fēng)對(duì)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(fēng)速時(shí)常達(dá)17 m/s，而15 m/s的攜沙風(fēng)吹蝕模數(shù)即可達(dá)20.4 kg/（m2·h），風(fēng)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(qiáng)度較大。因長期受風(fēng)蝕影響，墻體表面的抗剪強(qiáng)度較低，已瀕臨破碎，因此抗雨蝕能力較差，強(qiáng)降雨對(duì)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(qiáng)烈的干濕交替下形成泥皮或龜裂紋（王旭東等，2013），繼而在風(fēng)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(fù)的溶解收縮—結(jié)晶膨脹，土體結(jié)構(gòu)不斷疏松崩解;風(fēng)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(jié)力和顆粒間的黏結(jié)力相對(duì)較差，容易被風(fēng)吹蝕，形成典型的掏蝕病害，層狀風(fēng)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(gòu)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(tái)地上，臺(tái)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(qiáng)，對(duì)臺(tái)地整體穩(wěn)定性造成巨大影響。構(gòu)造縫主要由新構(gòu)造活動(dòng)、節(jié)理構(gòu)造以及影響發(fā)育的上部墻體構(gòu)造縫造成。變形裂隙主要是由窯洞開挖或基礎(chǔ)不均勻沉降導(dǎo)致應(yīng)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(chǔ)區(qū)、官署區(qū)和居民區(qū)等人類活動(dòng)較為密集的地方，在窯洞遺址中分布較為廣泛，而基礎(chǔ)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(fù)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(jié)構(gòu)縫、施工縫等，交河故城墻體多為垛泥縫（圖4）。

1.5 崩塌

風(fēng)蝕、雨蝕和地震力等外應(yīng)力的作用會(huì)導(dǎo)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(fēng)雨侵蝕導(dǎo)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(yán)重的崩塌類型，崖體裂隙較多，一般為構(gòu)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(cuò)斷（圖5）。

2 加固類型分析

土遺址加固主要分為化學(xué)加固、物理加固和化學(xué)物理加固相結(jié)合。交河故城化學(xué)加固主要是采用2種方式：表面防風(fēng)化加固通過PS表面噴灑滲透和滴滲對(duì)墻體土質(zhì)疏松部位進(jìn)行加固，加強(qiáng)了土骨架顆粒的連結(jié)強(qiáng)度，加固后的墻體抗風(fēng)蝕、雨蝕能力顯著提高，抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度明顯提高，如大佛寺墻體加固;灌漿加固主要針對(duì)土遺址體中存在的微小裂隙，充填裂隙空缺，加強(qiáng)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(duì)局部懸空失穩(wěn)、掏蝕凹進(jìn)的土遺址，采用與原土遺址相近材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);支護(hù)加固主要針對(duì)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(jié)力和摩擦力，在被動(dòng)土體中受力，承受拉力作用，從而起到加固土體作用，主要應(yīng)用于墻體或崖體中存在的裂隙（縫）。

交河故城化學(xué)物理加固主要為灌漿錨固加固，兼具化學(xué)加固與物理加固的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)成分進(jìn)行調(diào)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(fù)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(dòng)測(cè)試分析

土遺址作為一種特殊的建筑物，其動(dòng)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(jì)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(jié)果往往與實(shí)際建筑物自振周期存在一定誤差，因此，筆者通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地脈動(dòng)測(cè)試獲得其動(dòng)力參數(shù)。

測(cè)試儀器由INV303D型智能信號(hào)采集和處理系統(tǒng)、傳感器以及計(jì)算機(jī)組成。DASP大容量數(shù)據(jù)自動(dòng)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(cè)試時(shí)間為200 s，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別為NS向（順墻向）、EW向（垂直墻向）、豎直向3個(gè)方向的地脈動(dòng)觀測(cè)，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)記錄2次，采樣時(shí)間間隔最小為0.02 s，截止頻率為40 Hz，滿足土遺址振動(dòng)頻譜分析要求。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試關(guān)鍵在于是否能準(zhǔn)確反映現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性和規(guī)律，并將測(cè)試結(jié)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(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)波形的畸變。為使地脈動(dòng)波形更好地反映土遺址的自振周期和自振頻率，在對(duì)實(shí)測(cè)波曲線進(jìn)行頻譜分析或波形反演時(shí)，劃分和確定出主頻范圍，再挑選相對(duì)正常的地脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理。

本文選擇測(cè)試對(duì)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(hào)居民點(diǎn)處墻體（圖6c）。將6道采樣通道分2組測(cè)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(cè)試點(diǎn)幅值譜圖如圖7所示。由圖7可見各測(cè)點(diǎn)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(cè)試結(jié)果較好地反映了土遺址的微振動(dòng)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(shí)間較晚，且土體材料相對(duì)均勻，雜質(zhì)較少。場(chǎng)地地脈動(dòng)測(cè)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(guān)。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(shí)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(gè)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(cè)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(chǎng)地地脈動(dòng)測(cè)試的建筑遺址自振頻率與建筑遺址本身質(zhì)量和剛度有關(guān)，自振頻率越大，表明其質(zhì)量和剛度相對(duì)較大，結(jié)構(gòu)在地震作用下加速度反應(yīng)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(dǎo)致其抗震性能大大減弱，與實(shí)際情況中土遺址外形相吻合，且墻體明顯比墩臺(tái)的抗震性能弱。因此相較于墩臺(tái)等土遺址，交河故城居民墻、寺院墻體等應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與保護(hù)。

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(yīng)。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(dǎo)致放大效應(yīng)不明顯。

阻尼分析一般是在頻域上進(jìn)行的，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的頻譜圖，用半功率法可計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)在各階頻率上的阻尼比，統(tǒng)計(jì)結(jié)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(jié)構(gòu)在地震作用下振動(dòng)衰減越快。因此墻體的抗震性能弱于小塔等墩臺(tái)抗震性能，符合自振頻率研究結(jié)果。

圖8為交河故城塔林區(qū)小塔3個(gè)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(cè)試點(diǎn)從底部到頂部速度都有不同程度的放大效應(yīng)，放大倍數(shù)大約為1.5～3倍，進(jìn)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(yīng)的結(jié)論。其中，EW向功率譜圖（圖8b）峰值相較于其他2個(gè)方向峰值較大，可能與臺(tái)地為偏EW走向有關(guān)，仍有待進(jìn)一步測(cè)試研究。

4 結(jié)論

本文介紹了交河故城存在主要病害類型以及保護(hù)加固方式，對(duì)交河故城典型土建筑遺址進(jìn)行了地脈動(dòng)測(cè)試，通過數(shù)字信號(hào)處理和對(duì)比分析研究了3處代表性土建筑遺址，可得出以下結(jié)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(shí)際情況。

（2）交河故城墻體相對(duì)于塔體墩臺(tái)的自振頻率較大，受地震作用影響較大，應(yīng)對(duì)交河故城居民墻等墻體進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與保護(hù)，以此降低震害損失。通常情況下，裂隙病害較為嚴(yán)重的遺址體，會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)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(huì)相對(duì)提高，進(jìn)而受地震作用影響較大，因此，應(yīng)對(duì)墻體或殘損土遺址進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)保護(hù)。

（3）地脈動(dòng)由底部傳至頂部，其速度存在放大效應(yīng)，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(yīng)較為明顯，豎直方向放大效應(yīng)相對(duì)較弱，該情況可能與試驗(yàn)儀器的誤差有關(guān)，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

目前，在土遺址保護(hù)方面，還沒有建立比較系統(tǒng)的科學(xué)理論體系，土遺址加固保護(hù)工程還沒有相應(yīng)的規(guī)范來限定保護(hù)加固工作。對(duì)于土遺址病害發(fā)展的檢測(cè)工作方面還應(yīng)深入研究，以達(dá)到對(duì)瀕臨嚴(yán)重破壞的土遺址及時(shí)保護(hù)控制和價(jià)值保存的目的。對(duì)于現(xiàn)代無損微創(chuàng)技術(shù)，也要加以應(yīng)用，這樣既能保存土遺址原有的風(fēng)貌，又可控制土遺址的病害，結(jié)合現(xiàn)代的高科技材料，將土遺址永久流傳。

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