唐顺陵石刻破坏机理分析及三维模拟初步研究

来源 :中国地质大学(武汉) | 被引量 : 0次 | 上传用户:yzx_27
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在我国悠久的历史长河中,我们的祖先创造了众多世所罕见的宝贵文化遗产,这些文物具有重要的保存价值。唐陵石刻是中国古代雕刻艺术的瑰宝,其中许多作品被看作是中国古代雕刻的典范,尤其顺陵、乾陵。唐代顺陵石刻在陕西咸阳,是武则天母亲杨氏陵墓前石雕群像。石走狮和天禄是其中的精品,是独立的整块石头雕刻成的,其石刻大小都是世界上现存最大的,气派雄强,列唐陵石刻之冠。历经千年风吹日晒雨打、无数有感地震等自然营力作用,唐陵石刻遭到了不同程度的破坏,产生了裂隙、危岩体、不均匀沉降,甚至会断裂倾倒,文物也随之破坏。若不采取措施对这些文物予以保护,将会造成无法弥补的损失。   要对顺陵石刻进行保护治理,必须了解石刻所在区域的安全稳定性能、抗震性能和耐久性能,对其有科学的评价,同时查明石刻的地基土性能、石刻破坏原因及其发展趋势。通过前期现场勘察可知,天禄处在地震带上,头部倾斜,现地面0.5m以下地基为强烈自重湿陷性黄土。因此分析计算天禄稳定性、查明病害现状与基座倾斜、诱发地基不均匀沉降因素及发展趋势迫在眉睫。   本文以东天禄石雕的变形破坏机理分析为例,采用多种监测手段如裂隙应变片、土层含水率仪、基座位移传感器,来查明石刻裂隙和基座的运动情况。根据变形监测数据结果,结合气象数据、含水率数据,分析天禄裂隙位移的变化特征、发展趋势、影响因素及其破坏机理,同时分析基座沉降及不均匀沉降产生的原因。本文利用有限元软件ANSYS建立模型,应用FLAC3D有限差分法计算东天禄在自重条件下、地基浸水湿陷、天禄左后腿裂隙强度降低时天禄的应力、应变,并研究应力、应变规律。同时,通过对比分析,得到影响天禄沉降的因素,从而为后期治理设计提供参考。经过监测数据分析和模拟计算得到以下结论:   1、东天禄裂隙的张开度最小值出现在凌晨2时~6时,最大值出现在中午14时左右。日照强度最大时,张开度最大。日温、日照强度变化使裂隙反复张合,加剧石刻的龟裂和风化。   2、气候变化也影响石刻裂隙的位移。降雨使裂隙有闭合的趋势。随着季节变暖,裂隙位移总体有逐渐张开的趋势。   3、顺陵石刻裂隙存在张裂和沿裂隙向下的滑移,且以剪切滑动位移为主。东天禄左后腿裂隙前侧的张裂位移幅度最大。天禄左后腿外侧的剪切位移值最大。这表明东天禄的左后腿危岩体极不稳定,应作为首先重点保护防治的对象。   4、本次监测项目在东天禄雕像的不同部位共布置了18个应变片。监测结果表明,天禄各部位应变片的位移随时间的变化规律相同。2008年下半年,东天禄各部位裂隙逐渐闭合。2009年上半年,各部位裂隙有逐渐张开的趋势。   5、天禄基座存在不均匀沉降。监测记录表明,基座西南角的下沉量随降雨逐渐增大,而基座东北角位移量在雨季时相对减少。这表明降雨使基座发生不均匀沉降,且有前倾的趋势。监测数据表明,每日24小时的温度变化会引起位移传感器的升降变化。降雨量、环境温度变化会引起沉降变化。2009年上半年基座西南角沉降量与土体含水率呈正相关关系。   6、天禄的体重相对较大,但是从目前状况的数值分析结果看,基底应力仍然较小,有足够的安全储备。   7、石刻所在场地浸水时,地基发生了不均匀的湿陷沉降。监测结果与数值模拟浸水工况下结论一致:不均匀的渗水诱发地基土体的湿陷性变形,造成天禄的倾斜。   8、目前状况下天禄腿部和尾部属于应力集中部位,最大垂直应力出现在天禄前腿,而后腿后侧和尾部均有拉应力的分布。   9、倾斜将会改变天禄应力场的分布,使沉降量大的一侧腿部的垂直应力加大。但由于天禄基座完整性好,由差异沉降引起的变形基本是整体倾斜,对上部造像影响较小。   10、左后腿裂隙破坏将急剧改变天禄的应力场,荷载将显著的向前左腿和尾部转移。导致其垂直应力提高一倍以上,同时将在开裂腿裂隙下部形成比较明显的拉应力。因此随着裂隙不断发育,将首先在尾部、左前腿和左后腿下部出现破坏,导致天禄破坏失稳。   11、天禄的沉降受土体的弹性模量影响较大,土体强度变化对沉降影响甚微;天禄左后腿裂隙发育使天禄沉降量增大;天禄岩体本身的强度参数降低对沉降量也无甚直接影响。   12、2008年“5.12”汶川地震影响了顺陵石刻的稳定性。调查发现,石刻产生了新的裂纹,原有裂隙发生扩展张裂。由此推断:天禄产生裂隙的原因主要是地震,裂隙发育及产生不均匀沉降是天禄自重和地基共同作用的结果。
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