非完整性墓葬异地搬迁保护规程化研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月文物保护与考古科学 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家文物局文保项目()资助陕西省自然科学基础研究青年项目()资助西安电子科技大学新教师创新基金()资助作者简介:郭瑞()女 年硕士毕业于西北大学文物保护学专业研究方向为文物保护、修复与科技分析 :.文章编号:():././.非完整性墓葬异地搬迁保护规程化研究郭 瑞李 想段成刚冯 健张翔宇王 展.西安市文物保护考古研究院陕西西安 .西安电子科技大学光电工程学院陕西西安.砖石质文物保护国家文物局重点科研基地(陕西省文物保护研究院)陕西西安 摘要:价值高、完整度好的墓葬越来越多选择整体搬迁保护 但在考古工作中有结构缺损的非完整
2、性但价值较高的墓葬不在少数 西安出土一座关中地区少见的、形制完整的宋金时期砖雕墓尽管其结构局部缺损但研究价值高是研究该时期墓葬形制、丧葬风俗的重要补充 为完整保留墓葬形制兼顾再研究与展示欲进行搬迁保护保护前通过建立物理力学模型模拟墓室质心的偏移校正并分析计算搬迁过程中砖壁的倾覆风险确定了采取保留外部土圹固型、内部加固支撑的整体吊装搬迁方案再根据理论计算出留土高度、通过模拟实验改进彩绘层隔离保护工艺成功实现该墓葬的整体搬迁保护 本工作在文物搬迁保护中引入理论模型对缺损结构的量化评估探究搬迁保护规程化方法可为同类非完整性但价值较高的墓葬搬迁保护提供方法借鉴关键词:宋金时期砖雕墓非完整性物理建模分析
3、外部土圹固型搬迁保护规程化中图分类号:.文献标识码:引 言西安东郊发现一座形制完整的宋金时期斜坡墓道砖室墓 墓室砖砌仿木构厅堂布局北、东、西三面采用浅浮雕砖体拼合表面施以红、黑、黄三色形成“夫妻并坐图”(或简化为“芳宴图”)、“备食图”“妇人启门”等题材似墓主人生活场景的真实反映为此时期砖雕墓的典型题材具有显著时代特征(图)是目前西安地区少见保存较完整的宋金时期砖雕墓欲保留整体形制以便后续研究、展示图 墓室结构.完整度较好、价值高的墓葬越来越多的采用整体搬迁保护 然而该墓室西北角出现严重挤压、塌陷、错位至结构缺损墓室内彩绘层薄且明显脱落亟待保护 根据目前砖石墓葬、棺椁等完整遗迹结构的整体保护方
4、法 该墓葬可选择砖体逐个编号拆除再重组复原或整体打包易地保护 综合第 期郭 瑞等:非完整性墓葬异地搬迁保护规程化研究 考虑墓葬价值完整复原可行性及展示需求欲采用整体迁移保护 墓葬整体稳定性评估、搬迁风险分析、缺损处外部土的去留及整体固型方式是本次保护工作的重点及难点 本工作欲建立物理力学模型进行质心校正、倾覆风险分析为固型方案提供数据支撑 并以此为例尝试探索有结构缺损的非完整性墓葬搬迁保护方法为同类需整体搬迁保护的墓葬提供固型方法借鉴 保护前期调查在未去除四周土体前、墓葬结构暂稳定状态下对砖体及接缝、彩绘层成分及绘制工艺进行了初步分析对墓室内部结构进行了高清摄影及三维扫描.墓室结构及雕刻内容砖
5、室以土圹为支撑砖块楔入土圹中垒砌成砖墙拼合成仿厅堂结构 仿木构件形成立柱、斗拱、门窗等主体北墙砖雕形成“夫妇并坐图”东西两侧各拼接隔扇一组东侧呈“备食图”、东西两侧呈“妇人启门”图 墓室砖表面残留极薄彩绘层以红、黑颜料为主分布于仿木结构及人物部分黄色较少集中分布于北墙幔帐之上(图)图 墓室北壁“芳宴图”及东壁“备食图”.“”“”.材料、工艺初步分析在墓室揭示的第一时间采用便携式 射线荧光光谱仪()、显微观察等分析彩绘、砖雕材质及工艺并利用 射线衍射仪()、拉曼光谱对分析结果进行补充验证工艺调查结果显示砖体呈青灰色质地致密砖块间紧密衔接但并未黏连应采用了紧密堆砌的方式将砖块直接嵌入土圹中垒砌拼合
6、与其他此时期的砖雕墓建成方式一致彩绘层极薄直接绘于砖表面未见打底层 及 分析结果表明(表)砖体主要含、等元素主要物相成分为石英、钙长石、钠长石、云母、方解石等两者分析结果吻合砖表面红色、黄色以 元素为主应使用了土黄、土红 分析结果与此一致 黑色颜料 分析中未见主要显色元素取样后通过拉曼光谱进行补充分析结果显示为炭黑(图)表 墓室砖体及颜料层元素成分 ()分析内容主要/显色元素砖体.、红色颜料.黄色颜料.黑色颜料.未见明显显色元素.病害调查墓室南、北、东三面砖结构保存较好西北受挤压变形缺损严重约占整面墙的二分之一 结构缺损处砖块脱离土圹外部土向内挤压并填充至原砖结构位置暂时保持“稳定”状态 砖表
7、面彩绘颜料层脱落较严重南侧墓门与砖雕人物表面几乎无颜料层残留(图)墓葬结构稳固及颜料层加固是搬迁保护的重点 文物保护与考古科学第 卷图 墓室砖体、颜料成分分析结果.图 墓室西壁砖结构缺损、颜料层脱落.墓葬结构稳定性调查因墓室存在上述结构病害在确定具体墓葬保护作业方案前需针对墓葬整体物理结构做建模分析为后续文保工程提供理论依据以调查结果为依据墓室中保存完整的墙面为简单砖砌体建筑砌体间无黏性材料连接 建筑外层为黏土材质工程作业时段为冬季因此黏土湿度低、硬度高可视为弹性黏连体 病害处黏土层与砖砌层混合相互支撑形成混合结构在砖砌体建筑结构分析中根据砂浆、块体以及二者的黏连方式可构建整体式模型和分离式模
8、型两类数学模型 其中整体式建模是将整个砖体结构视为连续性材料不考虑具体砖块间的位移和力学相互作用 如邬瑞峰等提出的剪切拉压开裂模型、张望喜等提出的混凝土损伤塑性模型等可归属此类 分离式模型更侧重于分析砖层间的相互作用机理刘蒙等提出的“扩展三体单元法”以及 等利用连续块体单元、无厚度单元和预置裂缝单元对砌体结构所做的分析属于该类本研究的建模分析旨在为实际文物保护工程服务结合整体式模型和分离式模型两种方法对墓室进行分析 本次对墓室的整体迁移保护其核心问题在于起吊的重心配置和如何避免在迁移过程中发生墓室的二次结构破坏 起吊重心的配置基本不受砖砌体间微小位移的影响故采用整体式建模分析墓室的总体力学特性
9、在起吊过程中存在横向晃动的可能需要以分离式建模考察砖层之间、砖墙与土层间的相互作用为工程实施过程中的保护性措施提供理论指导 下面对各部分模型分析做具体阐述.质心偏移校正墓葬所在场地空间极为有限暴露于室外有进一步结构破坏的风险因此需对墓室整体打包固型并吊装搬迁 吊装搬迁的首要问题在于确定搬迁整体的质心位置且由于西壁北部墙体破损与外围黏土形成互相依托关系故需要对黏土层的去留问题进行理论预先分析评估不同固型方式下结构缺损部位对质心及吊装稳定性的影响为便于理论分析取坐标原点于墓室西南角外侧(图)根据质心公式()对墓室整体质心位第 期郭 瑞等:非完整性墓葬异地搬迁保护规程化研究 置进行计算考量“完全去土
10、”“保留缺损填充土”“保留缺损填充土及外部包裹土”种固型方式的质心分布情况 计算所涉参数均取实地样品的实验测量值如下:四壁砖墙长 、高 、厚约 墓门长 (计算中取最长 )、高 、厚 坍塌面长 、高 、厚 经计算砖壁密度:/填充土密度:/()()式中 为吊装整体的总质量()为密度分布函数 为空间各点的矢量由()三个坐标值表示 ()即为质心所在空间坐标 表示高度图 不同吊装方案质心位置.经计算(质心计算过程通过“.”程序在 软件运行)三种固型方式及相应质心位置(图)如下)破损 即完全去除填充在西壁破损处土层及墓室四壁外包裹土仅保留原墓葬墙体 吊装时其质心位于()处 中心向东南角偏移如不增加配重在起
11、吊过程中将出现失稳侧翻的事故)未破损 即保留西壁破损处的填充土但去除四壁外包裹土 吊装时其质心位于()处 此方案的质心在 方向(东西向)位于几何中线处()但由于墓门的非对称分布使质心在 方向(南北向)向南偏移同样在起吊过程中易引发失稳)破损 留土 既保留西壁破损处填充土又在墓室四壁外保留与封门处外沿厚度相同的外包裹土层(厚 图中绿色部分)此方案的几何中心坐标为()质心坐标为()二者在工程作业的精度范围内认为重合可知采用保留缺损填充土及外部包裹土方式处理四壁发生侧翻事故的可能性最小、安全性最高.砖壁倾覆风险分析 在整体吊装过程中还存在横向动荷载的影响需分析砖砌体的倾覆风险砖体墙面可视为无黏性连接
12、的砖散体结构对于此类建筑结构可采用有限元数值模型对墙体砖块做微观力学分析该方法获得的分析精度高但同时计算量较大 针对砖砌体的立面结构同样可采用宏观分层模型的立面建筑物稳定性公式进行分析其在工程实践中已证明具有足够的可靠性并得到广泛运用 结合墓葬结构情况采用砖体的立面结构稳定性公式进行分析()式中 为倾覆系数根据 砌体结构设计规范并参考 等通用结构设计软件中砌体的计算参数说明非黏性砖体立面的倾覆系数在 间考虑砖体外侧的黏土保留层取计算值为.为砖壁高度 为施加在砖壁的横向作用强度单位 为砖壁厚度 是砖壁的容重表征总重量和总体积的比值()式中 为重力加速度常数取.计算求得单独砖壁不发生侧倒倾覆的横向
13、作用强度 考虑到倾覆系数的取值浮动计算值存在 的不确定度单块砖的几何参数如下:长 、宽 、厚 由此计算一块砖所受重力为 对应能承受的最大横向力为 其中 为砖块侧面面积 显然单一砖壁在吊装过程中存在极高的倾覆风险 从公式可以看出稳定度与砖壁的厚度成 次方正比 即通过保留外部土可以有效增加整体立面的稳定性 墙壁可承受横向作用强度见公式()计算结果如图 所示若采用与墓门相同厚度的留土则可承受的横向作用强度增加至 (横向荷载计算程序“.”由 软件计算)整体墓室在吊装过程中的稳定性、抗扰动能力得以大幅提升 ()文物保护与考古科学第 卷式中角标 表示保留外土层的参数 为砖壁的参数图 保留外部土厚度与墙壁横
14、向荷载关系图.内侧保护必要性分析 通过上述分析保留外部土可以起到校正墓室质心位置和增加抗横向扰动的能力 但外部土层会对砖壁产生向内侧的压力 根据朗肯理论()若土层高度小于等于砖壁高度土层对砖壁存在内向压力()其内向压力强度为:()()式中 为土层内摩擦角吊装环境为冬季的黏土层取内摩擦角为 计算得到当留土层高度为 时 若留土层高于砖壁则会产生向内的主动压力()其中压力系数 是内摩擦角和土层倾斜角的函数(由“.”程序经 软件计算)式中第一项可知压力随土层高度的平方变化将远大于内向压力 由此确定保留土层的高度应不高于砖壁高度且在内室中需要加装加固装置对抗和抵消留土层对砖壁的内向压力保证在整个吊装过程
15、中墓室结构的稳定性和完整性 搬迁保护.保护方式及技术路线综合上述模型分析可确定固型方式为:四周保留 厚度、与四壁高度一致的外部土内部采用木龙骨提供网格刚性支撑抵消侧向四壁压力并采用发泡材料填充多余空间可确保结构缺损处稳定性使整个墓室在打包过程中形成整体 固型前须进行彩绘层隔离加固最终设计如下搬迁保护技术路线(图)图 搬迁保护技术路线.彩绘加固隔离材料、工艺选择为确定材料、浓度、隔离保护工艺及效果选取常用加固材料开展模拟试验考察材料加固、防霉、再处理能力筛选出适宜材料及隔离保护操作工艺模拟实验基底采用原墓砖将其中一种原材料 土红配以适量浓度明胶涂刷在砖表面并待其干燥选择明胶、桃胶、四种常用粘接加
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