四川博物院館藏東漢房形蓋畫像石棺結(jié)構(gòu)性能及保護(hù)修復(fù)技術(shù)研究

劉 宇（四川博物院）

一 引言

中國古代喪葬文化中，棺槨制度起源非常早［1］。從文獻(xiàn)記載及考古發(fā)現(xiàn)看，許多地方古代貴族的棺槨皆為木制［2］。因漫長歲月及地下環(huán)境的影響，木質(zhì)棺槨難以保存。但四川地區(qū)出土的歷代石棺因石質(zhì)堅硬不腐，使石棺連同其上附著的圖像文字都得以完整保存，成為研究喪葬制度乃至社會變遷的重要資料。四川博物院館藏的東漢房形蓋畫像石棺于1957年出土于成都市北郊天回山崖墓M3［3］，石棺整體為仿木結(jié)構(gòu)的木棺式樣，棺蓋為九脊廡殿式［4］，側(cè)面刻有形象生動的人物、動物和建筑等淺浮雕紋飾，石棺體量大且完整，紋飾豐富精美，在同類型文物中少見。2010年，由于該石棺底部枕木年久腐爛，難以承受石棺本體的重量，導(dǎo)致石棺本體裂紋加深，最終完全斷裂（圖一、圖二），嚴(yán)重影響了文物本體的完整性及其整體價值，亟需對其進(jìn)行科學(xué)有效的研究和保護(hù)修復(fù)。

圖一 畫像石棺斷裂情況（右側(cè)面）

圖二 畫像石棺破損情況（后擋）

由于畫像石棺體量大不易搬動，材質(zhì)風(fēng)化嚴(yán)重，其保護(hù)修復(fù)難度很大，尤其是修復(fù)后的文物需要能夠維持自穩(wěn)。目前，對畫像石棺的研究主要集中在其紋飾圖案、文化象征、喪葬制度等方面，對文物本體的保護(hù)技術(shù)研究較少。從文獻(xiàn)來看，有將結(jié)構(gòu)性能分析應(yīng)用于大型石質(zhì)文物保護(hù)技術(shù)的研究，如淳慶等采用有限元模擬分析方法對南京市明代襟湖石拱橋的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，提出了適用于石拱橋的保護(hù)技術(shù)［5］；對金陵大報恩寺御碑遺址的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)計算結(jié)果提出了相應(yīng)的保護(hù)技術(shù)方案［6］。但目前對畫像石棺這類由整塊巖石鑿空而成特殊中空形制的石質(zhì)文物保護(hù)技術(shù)的研究較少。本次工作即以畫像石棺為例，對石棺結(jié)構(gòu)的保護(hù)技術(shù)展開研究，通過物理、化學(xué)分析檢測和有限元模擬分析其結(jié)構(gòu)性能，并對錨筋長度和排列位置進(jìn)行模擬計算，在此基礎(chǔ)上提出適合的保護(hù)方案，并以此方案為依據(jù)對石棺進(jìn)行修復(fù)（圖三）。

圖三 修復(fù)后的畫像石棺

二 病害分析

根據(jù)石棺現(xiàn)狀分析，造成其破損的主要因素可分三大類：石材性質(zhì)、環(huán)境因素和結(jié)構(gòu)受力因素。具體破壞因素和破壞方式說明如下。

（一）石材性質(zhì)影響

石材性質(zhì)是影響其風(fēng)化程度的內(nèi)在決定因素。石材質(zhì)量由巖石種類、孔隙率、膠結(jié)物類型等決定。四川地區(qū)雕琢造像所采用的巖石多為砂巖，結(jié)構(gòu)疏松，在水的作用下膠結(jié)物易水化，使得巖石體積膨脹造成表面風(fēng)化［7］。通過對石棺碎片的鑒定和化學(xué)成分分析可知，石棺材質(zhì)為鈣質(zhì)粉砂質(zhì)板巖，是沉積巖中孔隙率較大的一種，顆粒細(xì)膩，屬粉砂級，質(zhì)地較軟，碎屑主要成分為方解石，鈣質(zhì)膠結(jié)物占多數(shù)，易被酸性氣體侵蝕形成可溶性鈣鹽，造成風(fēng)化。砂巖由于其形成時松散的結(jié)構(gòu)和偏大的孔隙率，使得空氣中的水分、有害氣體及可溶鹽等較易進(jìn)入石材內(nèi)部，造成破壞。巖石成分含量如表一。圖四為掃描電鏡下巖石表面的高倍照片。

表一 巖石成分（部分）含量表

圖四 畫像石棺巖石的松散多孔結(jié)構(gòu)

（二）環(huán)境因素

環(huán)境因素主要指環(huán)境中可能對巖石造成破壞的物理和化學(xué)因素，包括溫濕度、水分、可溶性鹽的物態(tài)變化、大氣中的污染物等。畫像石棺出土以來，由于其體量大搬動不易，經(jīng)歷過露天、室內(nèi)、半露天等多種保存環(huán)境，因此地區(qū)環(huán)境對其影響較大。而成都?xì)夂驕嘏睗?，夏季多雨，季?jié)濕度長期保持在80%以上，這種雨熱條件和濕潤氣候下，各種物理、化學(xué)風(fēng)化速度加快，水分蒸發(fā)吸收、鹽分結(jié)晶潮解作用也隨之增強。鹽在石材微孔中結(jié)晶會產(chǎn)生巨大壓力，結(jié)構(gòu)內(nèi)層的鹽潮解向表面擴(kuò)散時，由于界面效應(yīng)，水分蒸發(fā)加快，促使鹽在表面累積。長此以往，當(dāng)鹽分累積到一定程度，石材表面即會出現(xiàn)多處粉化現(xiàn)象，裝飾圖案變得模糊不清（圖五）。大氣中的酸性氣體如硫氧化物、氮氧化物等與石材粉塵表面接觸時形成氣溶膠，溶蝕石質(zhì)文物，使石材變成疏松甚至粉末狀的物質(zhì)，同時，某些化學(xué)反應(yīng)之后生成的風(fēng)化產(chǎn)物也會在原處形成堅硬殼層，甚至頑固黑垢（圖六），影響文物外觀。

圖五 石棺表面析出的鹽分（前擋）

圖六 石棺表面的頑固污染物（左側(cè)面）

（三）結(jié)構(gòu)受力因素

畫像石棺存在的最大問題是其結(jié)構(gòu)不完整，棺底與棺壁完全分離，棺底從中斷為兩截，前擋和后擋中間破裂，棺壁斷裂為兩大塊和若干小塊，如圖七所示。究其原因，一是長期風(fēng)化及膠結(jié)物流失導(dǎo)致其材質(zhì)強度下降，內(nèi)部應(yīng)力增大；二是石棺底部枕木腐朽無法承受石棺重量，同時棺體大范圍重力分布不均導(dǎo)致棺體側(cè)板拉應(yīng)力增大，當(dāng)拉應(yīng)力超過巖石自身強度時，棺體斷裂。目前畫像石棺較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性斷裂情況主要為：因抗彎強度不足出現(xiàn)橫向水平裂隙導(dǎo)致石棺自身底板斷裂；因抗剪強度不足出現(xiàn)斜裂縫和交叉斜裂縫導(dǎo)致橫向側(cè)板破損；因底板與側(cè)板之間抗拉強度不足、橫向側(cè)板與縱向側(cè)板抗剪強度不足造成兩者連接處破損。

圖七 石棺側(cè)板及前、后擋斷裂測繪圖（虛線為斷裂處）

綜合以上分析結(jié)果，巖石自身風(fēng)化導(dǎo)致性能下降是病害產(chǎn)生的內(nèi)因，外界環(huán)境影響加快了風(fēng)化進(jìn)程，棺體應(yīng)力發(fā)生改變則是導(dǎo)致病害產(chǎn)生的最主要原因。

三 結(jié)構(gòu)性能分析

為探尋石棺斷裂內(nèi)因，保證修復(fù)后的穩(wěn)定性，本研究采用ANSYS有限元軟件對其進(jìn)行分析。畫像石棺修復(fù)后將恢復(fù)其原本的完整面貌，為確認(rèn)石棺本體的結(jié)構(gòu)安全性，為復(fù)設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，對畫像石棺模型進(jìn)行了有限元模擬分析。采用商用有限元軟件ANSYS建立有限元模型，由于石棺原材料取自同一塊巖石，故建模時將其定義為各向同性連續(xù)均質(zhì)材料，幾何外觀尺寸按現(xiàn)場實際測繪尺寸建立模型，基礎(chǔ)約束采用固接形式?，F(xiàn)場測得畫像石棺長213、寬78、高82、壁厚5.5、底厚9厘米。根據(jù)石材強度，按偏保守的原則進(jìn)行參數(shù)取值，計算出巖石密度為2.35g/cm3，彈性模量取值為5000MPa，泊松比0.25［8］。

（一）工況類型說明

對畫像石棺的應(yīng)力進(jìn)行有限元分析時，考慮石棺存放方式和搬運過程中石棺自重的影響，定義了2種工況：1.靜止?fàn)顟B(tài)；2.傾斜30°狀態(tài)（石棺在運輸過程中，道路坡道夾角最大為30°，因此考慮石棺傾斜角度為30°時的受力狀態(tài)）。

（二）應(yīng)力的有限元分析結(jié)果

石棺在工況1（圖八、圖九）作用下最大位移值出現(xiàn)在石棺上部邊緣，為0.94210-6m。應(yīng)力分布均勻，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在石棺底部四周邊緣，為26863.6Pa。在工況2作用下，石棺位移云圖如圖一〇所示，最大位移值出現(xiàn)在石棺橫側(cè)板上部邊緣，為0.46110-5m（石棺的豎向邊緣未與直角坐標(biāo)Z軸重合，說明已將模型旋轉(zhuǎn)30°），最大應(yīng)力值出現(xiàn)在石棺底部邊緣，如圖一一所示，為81958.8Pa，在運輸作用下（由于傾斜作用），此底邊受力最大。從計算數(shù)據(jù)來看，無論在靜止?fàn)顟B(tài)還是運輸過程中的傾斜狀態(tài)下，石棺受到的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于紅砂巖的一般強度（約30～80MPa），因此修復(fù)后石棺可以維持自身穩(wěn)定，不會發(fā)生破損。

圖八 靜止?fàn)顟B(tài)的位移云圖（工況1）

圖九 靜止?fàn)顟B(tài)的應(yīng)力云圖（工況1）

圖一〇 傾斜30°狀態(tài)的位移云圖（工況2）

圖一一 傾斜30°狀態(tài)的應(yīng)力云圖（工況2）

四 錨固方法分析計算

錨固是針對物體主要構(gòu)件因力學(xué)狀態(tài)變化誘發(fā)的應(yīng)力開裂等失穩(wěn)現(xiàn)象實施的活動力學(xué)加固技術(shù)。它通過錨桿連接構(gòu)件施加拉應(yīng)力、剪應(yīng)力、壓應(yīng)力以調(diào)整構(gòu)件本身應(yīng)力狀態(tài)，充分發(fā)揮構(gòu)筑物自身的強度和自穩(wěn)能力［9］。

（一）錨桿截面積計算

從石棺破損情況來看，主要存在抗彎、抗剪、抗拉強度不足，因此錨筋設(shè)計時，需考慮增加側(cè)板橫向受彎力、底板與側(cè)板之間的受拉力、橫向側(cè)板與縱向側(cè)板的受剪力。由于石棺可能需要搬運，若搬運時發(fā)生意外，各處破損位置的受力情況將十分復(fù)雜，可能同時受到剪力、法向拉力和彎矩的共同作用，此類最不利情況應(yīng)按下列公式計算：

式中，AS——錨桿的截面積；

Md、Nd、Vd——彎矩、法向拉力、剪力設(shè)計值；

αv——錨筋的受剪承載力系數(shù)，此處取0.9；

z——沿剪力作用方向最外層與錨筋中心線之間的距離，底板平面內(nèi)取值60mm，其他部位取值25mm；

fy——錨筋抗拉強度設(shè)計值；

ψM、ψN、ψV——彎矩、軸力、剪力的頻遇系數(shù)，不同位置的構(gòu)件遭遇剪力、法向拉力和彎矩的概率不同。

根據(jù)“等強度”設(shè)計原則，錨筋設(shè)計時的荷載效應(yīng)設(shè)計值Sd應(yīng)取原構(gòu)件極限抗力值Rd，但由于原構(gòu)件極限強度的不確定性，并且為保證一定的安全儲備，應(yīng)將原構(gòu)件極限抗力值Rd乘以表二的增大系數(shù)作為效應(yīng)設(shè)計值Sd。

表二 效應(yīng)設(shè)計值增大系數(shù)

石棺構(gòu)件極限承載力計算是基于驗算截面最大應(yīng)力不超基材的強度。計算公式如下：

①構(gòu)件正截面受彎承載力M按照下式計算：

②石棺開裂前構(gòu)件極限軸心受拉承載力N按照下式計算：N=ftbh

③石棺開裂前構(gòu)件極限軸心受剪承載力V按照下式計算：V=αc ftbh

式中，γm——截面抵抗矩塑性系數(shù)，矩形截面取1.55；

ft——軸心抗拉強度設(shè)計值，取1.54；

b——矩形截面寬度；

h——矩形截面高度；

αc——剪跨比影響系數(shù)，一般矩形截面受彎構(gòu)件取0.7。

將參數(shù)代入各公式，石棺構(gòu)件極限承載力計算結(jié)果如表三所示，錨筋截面積計算結(jié)果如表四所示：

表三 效應(yīng)設(shè)計值Sd 計算

表四 錨筋截面積計算

（二）錨固長度計算

為保證錨筋在受力時不被拉出，錨筋須有一定的錨固長度，計算公式如下：

ld≥ψnlS

lS=0.2dfy/fbd

式中，ld——錨筋錨固深度設(shè)計值；

ψn——考慮各種因素對錨筋受拉承載力影響需加大錨固深度的修正系數(shù)，此處取1.27；

lS——錨筋的基本錨固深度；

d——錨筋公稱直徑，取8mm；

fy——錨筋抗拉強度設(shè)計值；

fbd——錨筋用膠粘劑的粘結(jié)強度設(shè)計值，取5N/mm2。

將參數(shù)代入各公式，錨筋錨固長度計算結(jié)果如表五：

表五 錨筋錨固長度ld 的計算結(jié)果

（三）錨固方法設(shè)計

常用桿體可以選擇鋼筋、竹木、玻璃纖維等，考慮到文物保護(hù)對材料耐久性的要求，錨固長度取整150mm，選擇錨筋直徑為8mm的HRB400不銹鋼筋作為錨筋。計算出單根錨筋的截面積，根據(jù)前面已得到的每個連接處的錨筋截面積，便可計算出錨筋的數(shù)量。由于石棺底板較厚，側(cè)板較薄，因此底板錨筋可設(shè)計為兩排“M字錯列排布”結(jié)構(gòu)，側(cè)板錨筋單排“一字結(jié)構(gòu)”。綜合以上計算結(jié)果，錨筋排列設(shè)計如表六所示。

表六 錨筋設(shè)計結(jié)果

五 修復(fù)技術(shù)分析

（一）保護(hù)原則

根據(jù)文物保護(hù)修復(fù)要求，本著保證文物完整性、真實性和最小干預(yù)的原則，盡可能多地保存真實的歷史信息，恢復(fù)畫像石棺的原本面貌。根據(jù)現(xiàn)場殘損和結(jié)構(gòu)性能分析，制定適宜的畫像石棺保護(hù)方案。

（二）保護(hù)修復(fù)措施的建議

1.整理收集文物的原始構(gòu)件和碎片，將所有散落的構(gòu)件和殘片收集完整；

2.新做石棺底座，采用不銹鋼材質(zhì)，提供足夠的承重能力以保證文物安全，加設(shè)硅膠緩沖墊，避免文物和底座剛性接觸造成內(nèi)部應(yīng)力增大；

3.將石棺斷裂后形成的構(gòu)件逐一編號、拆解，對構(gòu)件的破損和承載力情況進(jìn)行全面檢測和記錄；

4.按照先底座后側(cè)板、從下到上的原則對石棺進(jìn)行預(yù)拼接復(fù)原。根據(jù)斷裂前的原始照片，對應(yīng)已編號的構(gòu)件，逐一吻合斷面，待所有散落的構(gòu)件歸位后，方可進(jìn)行下一步；

5.錨固拼接。先用白色礦物顏料標(biāo)記錨固點，采用低功率電錘，緩慢在錨固點打孔，孔徑略大于錨桿直徑，再將錨桿插入，同時在孔洞空隙灌入修復(fù)砂漿，再進(jìn)行粘接，增加斷裂部位的強度；

6.對拼接完整的石棺采取相應(yīng)的抗風(fēng)化加固處理，以提高巖石自身強度。

六 結(jié)語

本文通過對畫像石棺的結(jié)構(gòu)保護(hù)技術(shù)研究，為同類文物保護(hù)修復(fù)設(shè)計提供參考。

（一）在保護(hù)修復(fù)實施前，對文物進(jìn)行詳細(xì)的病害分析和受力分析，找出導(dǎo)致文物劣化的內(nèi)在和外在因素，為保護(hù)設(shè)計提供科學(xué)可靠的分析。

（二）應(yīng)力分析表明，畫像石棺在靜止?fàn)顟B(tài)和傾斜30°兩種工況下，自重均不會影響其結(jié)構(gòu)的完整性。

（三）在保護(hù)過程中，可預(yù)埋錨桿增加構(gòu)件之間的拉應(yīng)力和底板的承載力，錨固位置和錨桿長度通過計算確定，為保護(hù)修復(fù)工作提供理論依據(jù)。

附記：此項工作得到了朱占元教授的大力支持，致謝！

注釋：

［1］袁勝文：《棺槨制度的產(chǎn)生和演變述論》，《南開學(xué)報（哲學(xué)社會科學(xué)版）》2014年第3期。

［2］欒豐實：《史前棺槨的產(chǎn)生、發(fā)展和棺槨制度的形成》，《文物》2006年第6期。

［3］四川省博物館文物工作隊：《成都天回山崖墓清理記》，《考古學(xué)報》1958年第1期。

［4］高文主編：《中國畫像石棺全集》，第247頁，三晉出版社，2011年。

［5］淳慶等：《明代石拱橋襟湖橋保護(hù)技術(shù)研究》，《文物保護(hù)與考古科學(xué)》2016年第3期。

［6］淳慶、潘建伍：《金陵大報恩寺御碑遺址結(jié)構(gòu)性能及保護(hù)技術(shù)研究》，《文物保護(hù)與考古科學(xué)》2015年第1期。

［7］韋荃等：《四川摩崖造像巖石的工程物理特性》，《文物保護(hù)與考古科學(xué)》2009年第2期。

［8］徐志英主編：《巖石力學(xué)（第三版）》，第72頁，水利電力出版社，1993年。

［9］王金華：《錨固加固技術(shù)及其在石質(zhì)文物保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用》，云岡石窟研究院編：《2005年云岡國際學(xué)術(shù)研討會論文集·保護(hù)卷》，第310～321頁，文物出版社，2006年。