第**卷 第*期 岩 土 工 程 学 报 Vol.** No.*年月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering ***.
某古建筑砖土结构基座病害探测分析
朱才辉，李宁，郭炳煊，刘钦佩
(西安理工大学岩土工程研究所，陕西 西安 710048)
摘要：古建筑基座主要由砖-土材料构成，因年久失修而产生的病害问题较为严重。本文以某古建筑为研究对象，采用地质雷达和面波等无损探测方法，结合土壤电阻法和TDR等方法对其水害和结构病害特征进行大量现场监测，结果表明：(1)降雨后，基座外砖墙以内厚约3.0m范围和内置排水管外围约1.0m范围内的夯土层饱和度明显高于其他部位，由于外墙裂缝、内置排水管管口裂缝及海墁下部防渗层的失效等，是造成基座渗漏水、泛碱、脱皮的主要诱因；(2)基座顶部以下5.0m深度范围内的砖土结构损伤较底部严重，且基座四个侧面的病害差异分布不均；(3)受降雨影响，基座顶部夯土层的含水率有上升趋势，基座底部的含水率明显高于基座中上部，电阻率也明显低于中上部，但基座底部夯土层和地基内含水率呈下降趋势，表明基座上部的水分有向基座底部和地基内迁移的趋势。通过本文多角度的相互验证研究，为深入探索古建筑基座结构病害的形成机制提供了一套可行的研究思路。
关键词：古建筑基座；砖土结构；病害探测；无损探测
中图分类号：TU444 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2013)02–
作者简介：朱才辉(1983–)，男，陕西西安人，博士，2012年博士毕业于西安理工大学岩土工程专业，现任副教授，主要从事黄土力学与工程、地下洞室稳定性分析等方面的教学与研究工作。E-mail：zhucaihui123@https://www.doczj.com/doc/7610748515.html,
Diseases detection analysis of an ancient building with brick-clay structure base
ZHU Caihui, LI Ning, GUO Bingxuan, LIU Qinpei
( Institute of Geotechnical Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048)
Abstract: The ancient building base (ABB) were almost constructed with brick and clay, the structure diseases induced by disrepair tend to be a serious problem. In this study, ground penetrating radar (GPR), surface wave exploration (SWE), soil electrical resistivity method (SER) and time domain reflector method (TDR) are used to detect the structure diseases and water migration. The investigation results show that: (1) After the rain, the saturation degree of rammed earth (about 3.0m depth inside the the brick wall and 1.0m depth around the built-in drain-pipe) are obviously higher than that of the other regions, it demonstrates that the diseases causes for water leakage, brick wall crystalline bloom and peeling are the brick wall cracks, drain-pipe cracks and waterproof layer invalidation; (2)The damage degree of base top (about 5.0m depth) is much more serious than that of the base bottom, and the damage degree of four sides wall are unevenly distributed; (3) Because of the rainfall
than that of the base top. The average SER of upper parts of ABB are larger than that of the lower parts, it shows a slow decreasing tendency whether it rains or not. It indicates that the water in the rammed earth migrates from the top to the bottom.
This study can provide a set of research methods for exploring the diseases formation mechanism of ABB.
Key words:ancient building base; brick-clay structure; disease detection；non-destructive detection
0 引 言
近年来，古遗址、文物保护和修复已成为研究的热点。ICCROM(国际文化遗产保护与修复研究中心)、WHC（世界遗产委员会）、ICOMOS（国际古迹遗址理事会）[1]、中国文化遗产研究院、中国古都学会城墙保护专业委员会、古遗址保护与加固工程专业委员会等诸多国际机构、地方分支机构及广大学者，都在致力于研究探索古建筑的保护与修复工作[2-7]。根据笔者针对古城西安的钟鼓楼、明城墙调查资料显示，在役的城市古建筑多为“砖-石-木-夯土”结构，然而因年代久远失修及外界“水”环境变化和临近施工的影响，
───────
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51678484)；陕西省自然科学基础研究计划-面上项目（2015JM5175）, 陕西省黄土力学与工程重点实验室科研计划项目（16JS073）
收稿日期：2016–11–8
网络出版时间：2017-03-27 16:24:29
网络出版地址：https://www.doczj.com/doc/7610748515.html,/kcms/detail/32.1124.TU.20170327.1624.014.html
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在役古建筑或多或少存在一些病害问题，如：水力侵蚀、生物化学腐蚀、泛碱、掉皮、芯墙夯土软化及裂缝扩展等现象，如图1、2所示。
图
1
古建筑基座渗漏水、掉皮、泛碱现象 Fig.1 Water disaster weathering of Bell Tower base
(a)图2 在一定的困难。泛采用室内物理-系[12-15]，这对于深度认识古建筑劣化机制和保护措施等方面具有重要的研究价值。此外，广大学者采用无损探测方法来研究古建筑的损伤特性，常用方法有：GPR 地质雷达[16,17,18,19]、IR 红外探测[13]、TDR 电阻率方法、中子仪和核磁共振方法、环境振动原位测试法[20]
、弹性波探测法等[21]，通过上述原位测试手段可以从不同理论层面上来研究砌体结构损伤特征及水分场分布特征，能够初步建立古建筑安全评估方法[22]。但将上述多种监测手段的综合应用于工程实际中相互验证的研究成果较少，对古建筑基座内部夯土在外界水环境作用下的水分迁移规律及砖土结构基座的水害与结构病害关系探究成果也较少。
鉴于此，本文以西安某古建筑基座为研究背景，
采用地质雷达（GPR ）、面波法（SWE ）、电阻率方法（SER ）和TDR 等方法对其水害和结构病害等问题开展大量现场监测研究，以期能够更深入的了解砖土结构的古建筑基座其病害产生的原因和演化规律，为后期类似古建筑基座的病害的调查、预测预警和修复提供科学参考。
1 基座结构病害分析
1.1 地质雷达探测结果分析
采用美国GSSI 公司的SIR3000型地质雷达设备，主要采用频率为400MHz 的天线。初定介电常数为窗参数窗参数16处各布
（b ）基座一侧外墙检测测线图 图3 古建筑基座地质雷达检测线布置图
Fig.3 GPR detection of ABB
由于检测线较多且基座基结构本对称，本文仅选择了西侧、北侧海墁以下和其外墙以内的结构层及西侧台阶以下的结构层在降雨前后检测结果波形反射图进行分析，如图4~8所示。由于电磁波对介质中的突
渗水
掉皮
变区域，如：内置管道、裂缝、空洞及水分含量较为
敏感，可以通过电磁波频率反射图的变异性、波形削
弱区（水分能大幅削弱电磁波能量）来判断结构内部
在降雨前后的水分入渗及损伤情况。
(b)降雨后波形反射图
图5 北侧海墁以下基座结构波形反射图
Fig.5 GPR waveform under the north-side pave floor
(a)降雨前波形反射图(b)降雨后波形反射图
图8 北侧基座外墙以内结构波形反射图
Fig.8 GPR waveform in the north-side brick wall
通过上述对基座关键部位在降雨前后进行对比检
测，可得到如下结论：
（1）图4~7中，降雨前，海墁、外墙和台阶以
下表层约0.6~0.8m以内波速较均匀，表明这部分的结波形削弱区
内置排水管区
波形削弱区
波形削弱区
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构层介质单一，该部分结构实际上主要是由砖块堆砌而成，局部有一定程度的损伤和裂缝。从降雨前后的波形反射图对比发现，其结构层的差异不大，但降雨之后局部裂缝处的波形削弱情况较降雨之前的严重，如图5a ，b 及图6a ，b 所示，表明海墁以下的防水层已严重老化，降雨入渗对基座的影响程度较大。
（2）降雨后基座海墁以下0.8~2.2m 范围内、外墙以内0.6~3.0m 范围（见图7a ，b 和图8a ，b ）和基座内置的落水管（距离左侧8.0m 和25.0m 位置处，见图4a ，b 所示）周围1.0m 范围内的夯土层的波形削弱情况较严重，可见这些部位在降雨之后其内部饱和
图1所示）。
SWS5基座高度约为8m 20m 。仪SWS5稍差，距0.5~1.5m 侧线水平距离交界附近）
(a) 检测线 (b)现场检测 图9 基座海墁以下结构面波检测 Fig.9 SWE detection under the pave floor of ABB
根据上述检测线的布设，采取多道瞬态面波勘察数据处理系统，提取面波的频散数据，然后由频散数
据进一步反演出地层的剪切波速度V s 的分层断面，从
而获取基座以下结构层的力学参数。以下仅给出基座西侧、北侧海墁以下结构层的面波波速云图（图10）。
(a)西侧外线等速波线
[23]，地基s 的关系如下：
0.862 1.14s R V V μ
=
+ （1）
由此，根据弹性洞力学波速与密度的关系[24]，可得到地基岩土体的动弹模量E ：
22(1)s E V ρμ=+ （2）
其中，μ为泊松比，ρ为密度，其中夯土层μ=0.26，ρ=1870kg/m 3；外砖墙砌体结构的泊松比μ=0.15，密度ρ=1900kg/m 3。由此可得到基座海墁以下弹性模量随基座高度的分布图，如图11所示。
劵门
(a)西侧内线 (b)西侧外线
量，主要是由于外侧线检测的是基座外墙砖砌体结构，而内侧线检测的是基座内部夯土、碎砖块、灰土等组成的结构，由此可见，通过SWE 无损探测方法能够较为真实客观的反映古建筑基座结构的内部力学参数，这对其损伤评估和修复具有重要意义。
（3）北侧（245MPa ）、西侧（320MPa ）和东侧（365MPa ）的平均弹性模量小于南侧（456MPa ）的平均弹性模量，表明古建筑基座的北侧、西侧、和东侧比南侧整体损伤程度大，从现场水害、结构病害的
发展规模上看，也证实了监测数据的可靠性。主要原因是：北侧是游客荷载最集中的位置，且西北角有重约10t 的大钟荷载作用；西侧墙、东侧墙均有贯通的裂缝，见图2所示。
2 基座水害监测分析
2.1 基座水分迁移过程监测结果分析
为了更深入的了解降雨、地下水及基座周围植物浇灌用水等对古建筑基座的影响程度，在古建筑基座内部及外部天然地基内部，通过微型钻孔（φ=30mm ）布设了30组自行研发的微型三探针式TDR 含水率监7(a)基座顶部及以下夯土层含水率变化趋势
(b)基座外墙内夯土层含水率变化趋势
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(c)劵门内部地基土层含水率变化趋势
月墁以下7~8m ）所有部位的平均含水率（29.6%）明显大于基座上部（海墁以下1~4m ）的平均含水率（22.8%），可见基座下部的饱和度明显要高于基座上部的饱和度，说明在经历长年累月的降雨入渗下，古建筑基座上部的水分向基座底部迁移。7月至9月监测期间，降雨极少，花坛浇灌几乎每天都在进行，但基座底部夯土内部的含水率“不升反降”，可初步推断基座内部水分在向地基底部迁移，花坛浇灌用水不至于引起地下水位抬升，从而对基座内部夯土产生影响。
（3）由图13c 可知，根据1985年的地质勘查资料可知，基座下部劵门内地基含水率平均值为24.2%，本阶段2016年7月至11月监测期得到其含水率平均值为24.6%，基座下部含水率略有上升；1985年测得
海墁以下4.0m 内夯土含水率平均值为21.1%，本次监测平均含水率为23.0%，基座内部夯土含水率也上升了近2%，表明：经过了30多年的积存，古建筑基座本身及其周围的天然地层中的饱和度均有一定程度的上的上升。劵门内地基以下0.5m 处的含水率（1、3、5、7号监测点）在监测初期（夏季）约有1.0~3.0%上升趋势，经调查发现：劵门下部地基表层含水率上升的原因主要：①是基座内部管理人员习惯性将生活用③是1.5~5.0%）；然2、4、6、）或保持不
8组土壤电阻率SER 监测探头，监测点的间距为3.0m ，深度为夯土内部1.5m ，监测系统的布设情况如图14所示，监测结果如图15所示。
图14 劵门内夯土电阻率监测点布设
Fig.14 SER monitoring points of side wall of coupons door
(a)拱肩部位电阻率变化趋势
7月肩SW-GPR 、SWE 监测结果可以相互验证），其主要原因是：基座顶部的海墁、排水系统、台阶缝隙、外墙裂缝及内部的缺陷等均为古建筑基座的入渗点，一部分水分沿着最短的渗流路径劵门顶部渗出，造成劵门顶部脱皮，另一部分水分继续向基座底部迁移，导致基座底部水分或饱和度越来越大，表现为底部电阻率明显小于上部电阻率。
3 结论与讨论
本文采用GPR 、SWE 、SER 、TDR 等多种方法来监测降雨前后、花台浇灌期间前后古建筑基座的“场量”变化规律，可得出如下结论：
（1）基座外墙以内约3.0m 厚度范围，基座顶部以下约5.0m 深度范围内的砖土结构损伤较重，降雨后这些范围内的结构层受水分入渗也较严重，表明结构病害导致水分入渗，诱发水害加剧。
（2）降雨之后基座顶部夯土层的含水率有上升趋势，表明防水层失效诱发雨水入渗，非降雨情况下，外墙内部夯土层和基座下部地基土含水率均有下降趋势，且基座下部的饱和度明显要高于基座上部的饱和度，表明基座上部的水分有向基座底部迁移的趋势，“三维地质”analysis, conservation
A
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