地基与基础,古人怎么做?——岩土感悟(28)

2017-01-25 12:02  来源:中国岩土网  阅读:3145
又读李广信老师的《岩土工程50讲-岩坛漫话》,深为李老的道德文章折服。联想到李教授对他那土力学因材施教同班同学“夯实基础”的调侃,不禁哂然一乐。莞尔之余,不禁想,地基与基础,咱们的老祖宗们怎么做?

2015年12月10日,瑞典斯德哥尔摩,年近八旬的屠呦呦教授以发明青蒿素而获得诺贝尔奖;

2017年1月9日,中国北京,屠呦呦教授以第一位女性、第一位非两院院士的身份,与赵忠贤院士双获中国最高科学奖!

在这里,我们无须惊叹屠老获奖的年龄、也不须慨喟她的获奖身份。 “呦呦鹿鸣,食野之蒿。”品味着《诗经》中这句话,让人不能不联想到冥冥中自有安排。

屠教授说“在青蒿素发现的过程中,古代文献在研究的最关键时刻给予我灵感 ”。据传,屠呦呦担纲的科研组在浩如烟海的内服外用方药中,千淘万漉、黄沙吹尽,最终从“青蒿一握,水一升渍,绞取汁服,可治久疟”受到启发,改进了提取方法,发现了青蒿素!

同样地,勤劳、勇敢、智慧的先人们为后世建构了许多震古铄今的水利工程、宫殿、桥梁、佛塔,涌现了许多卓尔不群的工匠和技术人才,留下了溢彩流辉的《考工记》、 《营造法式》、 《工程做法》、《鲁班经》等传世著作, 其中包含着许许多多关于地基基础的宝贵经验。

众所周知,基础是将结构所承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分。基础的好坏,直接影响到建筑物的牢固。古代的人们是如何做的呢?为什么有那么多的建筑历千年而不颓、经地震而永安?笔者根据《中国古代建筑技术史》(中国科学院自然科学研究史研究所主编,2000,科学出版社),进行了粗略的归纳,择其数例与同行共享,共沐古人智慧的灵光,或有所得焉。

1. 扩大基础?

 新石器时代已有了基础工程的萌芽,柱洞里填有石灰、碎陶片或鹅卵石,即是柱础石的雏形(图1)。洛阳王湾仰韶文化遗址(约公元前4000~前3000年)中,有一座面积约200米2的房屋,墙下挖有基槽,槽内填卵石,这是墙基的雏形。河南陕县发现的中心柱下设置扁砾石基础(图2),是否有扩大基础的意味?可见,早考古遗址中的 “础石”和“夯实”遗迹表明祖先们在那时就对地基与建筑的关系有了较深的认识。

被美国土木工程师学会选为第12个国际土木工程里程碑的赵州桥,是世界上现存最早、保存最好的巨大石拱桥。其根基仅是由五层石条砌成高1.55米的桥台,接奠基于砂层上,这么浅的桥基简直令人难以置信。建桥以来,1400多年过去,桥基仅下沉5厘米,足见当时建设者对天然地基承载力的认知之深……

不仅如此,先人们还注意到对地基土的改良,中国三合土已经有1200年历史。古代三合土,再混糯米浆加蛋清,质量可以达到西方早期水泥的强度。宋朝就有这样的技术,而西方水泥的前身还是火山灰而已。

 图片未命名

遇到复杂地质条件时,古人妙想迭出:明代北京城垣除北城垣(元大都北城南 2.5公里一线)为新筑外,其东、西、南城垣是在元代旧城上包筑起来的,其基础和元代城垣基础为同一基础(以纯黄土筑之,地基坐入地面 2米深“最深处达三米”,基宽则达25米),不同之处在于是内外壁大砖以下部分有三层衬基石)。值得指出的是,在南城墙建设过程中,于崇文门至宣武门一线深达 5米的流砂层,建设者们采用了多达15层的纵横交错的木料,全用铁扒钉钉牢组成了一个整体,其空隙用砂土填实,并以此为基础起筑了夹杂砖瓦的黄土夯层。用这种地基处理方法克服了流砂对施工的困扰,不仅增强了墙基的稳固性,又增强了墙基的承重能力。

2. 夯土筑台——压实地基还是筏板基础?

我国古代建筑一般在地面筑成台基,建筑物架立于台基上之上。

原始社会晚期,人们发明了填土分层夯筑的方法,不仅提高了耐压能力,而且“室高筑以避润湿”(《墨子˙辞过》)。

夏、商、周遗留下来的建筑遗址,如偃师二里头早商夯筑筏式浅基础宫殿群遗址、郑州的商朝中期版筑城墙遗址、安阳殷墟(约公元前1100年)夯土台基等,台高数十厘米到二十多米。文学作品中记载关夏桀的“琼宫瑶台”、商纣千尺“鹿台”、周文王的“灵台”,说明当时的夯土技术已成熟。

春秋战国时期,广泛用夯土筑城防敌,秦在魏、燕、赵三国夯土长城基础上筑成万里长城,留存至今而举世闻名。

有人认为,这种高台建筑,类似于现代的筏板基础有利于抗震。但从施工工艺看,是否有压实/夯实地基的影子?

3. 隆兴寺转轮藏殿基础——换土褥层?

瓦碴基础所用材料是充分利用旧建筑物的废砖碎瓦,地基强度较夯土基础增高不少。正定县隆兴寺转轮藏殿的基础是已知的较早实例(图3):

石柱础下基础深约1.5m,长宽约为桩石的2倍(图3)。基槽内自上而下一层碎砖一层夯土,隔层筑打而成。每柱下碎砖3-5层,厚度10cm左右,夯土层一般10cm左右,个别厚50cm。相邻各柱的层次尺寸各不相同,为独立的磉墩式基础。

此类方式在明初的故宫修建中仍在使用,并得到改进,形成灰土基础:在黄土内掺和一定比例的白灰,根据需要深度分层夯打。到清代,灰土基础已成为一般大型建筑物中常用做法。

图片未命名

据筑于明代的北京城墙发掘资料,城基在地平下1.8m,底槽夯实后打灰土5层,筑成后每层16cm,其上砌条石,出平后再砌城墙。灰土中所用黄土纯净,掺灰比例高于常用的3:7。

清《惠陵工程全案》及《官式石桥做法》对灰土基础的做法和程序均有明细规定。复杂的灰土筑法有“加活”、“旱活(冲活与跺活的总称)”、“水活”常需“三回九转为止”、“三夯两呙”,所做基础承载力相当高,据检测,3:7灰土28天的抗压强度可达100KPa。 

4. 洛阳桥——筏基与生物岩土工程?

洛阳桥原名万安桥,建于北宋年间,是我国第一座海港梁式大石桥。

该桥位于泉州洛江区桥南村与惠安县洛阳镇交界的洛阳江入海口处,浪潮夹击,流急水深,桥基建设在当时的技术条件下难度可想而知。建设者们创造性采用了“筏形基础”的新桥基:在江底沿桥梁中线满抛大石块,并向两侧展开一定宽度,形成横跨江底矮石堤作为桥墩基址,筏形基础长约500余米、宽约25米。

考虑到水底抛石仅靠自重叠压、堆垒零乱,联结很差,孔隙很大,且在潮汐波浪作用下,易陷落、坍塌、飘动,基础稳固性差,必须采取措施。聪明的桥工们采取了“种蛎固基”方法:利用繁殖能力极强的牡蛎,仅二、三年时间,就把松散的石块联结成了牢固的整体。同时,通过这段时间的海浪摇撼、自重固结,使整条石堤达到相当稳固的程度。

在桥梁架设时,采用了“激流以舟、悬机以弦牵”的浮运架桥法,让人工、设备与自然力得到了充分的利用,开辟了桥梁建筑技术新纪元。

建于南宋的金鸡桥则采用了另一种筏基——睡木沉基:在潮落水枯时,将泥沙抄平,用几层纵横交错编成的木筏回定在桥墩处的水面,再在木筏上筑垒墩石,随着墩石的逐渐加高、分量逐渐加重,木筏沉到水底。一方面以大约墩身平面面积一倍以上的河底来承担上部荷载,另一方面又通过压重来加强对河底软土的压密固结,加强了桥墩的稳定。这是又一创举。

5. 桩?群桩?复合基桩?

我国历史上最早的桩基记录当属新石器时代的河姆渡文化遗址发掘的距今天7000多年的(第四文化层)的木桩遗存,在其第二文化层中甚至有栅状木桩作人工水井的挡土围护结构。

成都青杠坡出土的汉代墓砖所刻画的木桥景象是我国用木桩造桥的最早佐证。

木桩围堰在水利工程上应用,上可追至秦李冰都江堰治水,下可溯止明清海塘治理。

现存木结构中,采用桩基的以晋祠圣母殿、鱼沼飞梁及献殿这组建筑为最早,至今基础未发生沉陷也无翻修痕迹,足见基础之牢固。

此外,建于三国东吴(约公元247年)的上海龙华塔,隋朝(公元六世纪)的郑州超寺塔、始建于明清的北京御桥、南京石头城都是支承在木桩之上。我国第一高楼(1934年) 上海国际饭店,地下两层、地上22层,是我国历史上采用木桩支承的最高建筑。

宋代《营造法式》有“临水筑基”一节,所述即为木桩施工,清代《工部工程做法》对木桩的选料、布置和施工工法作了具体规定:常用的打桩形式有梅花桩(“聚五”,常位于柱下)、马牙桩(“三星桩”,如马齿相错)、排桩(单排、双排或多排,多位于台基边缘或临水驳岸),为避免打烂桩头,常在桩头加铁箍、桩尖加铁箍帽。很有当前预制桩施工的措施味道。

6. 清崇陵隆恩殿的灰土地基——组合地基还是复合地基?

据记载,隆恩殿面阔五间,进深三间。台基长31.07m、宽23.36m、高1.92m,埋入地平下1.28m,总计深度(基础挖槽)3.84m。底部为满堂红式,上部为磉墩式(图4)。

基础施工顺序如下:

图片未命名

 (1)在台在四周各延伸2.08m,挖基槽深3.84m,沿台基四周砌拦土墙作为筑打灰土的四边,槽底拍平后打柏木桩。先依立柱位置每柱打4.8m长木桩9根,四周石须弥座下密打同长木桩2排,其余空档密打柏木地钉(桩长2.24m)12917根。全部木桩露出槽底16cm,用碎石填满。

(2)整个基槽内满打小夯灰土15层,高2.4m。

(3)灰土上按立柱位置,用条石砌磉墩,上承柱顶石,各柱磉墩间砖砌拦土墙,台基四周砌石须弥座,背后四周用砖砌满。

(4)台基内除去磉墩,拦土墙以外的空档全部筑打大夯灰土17层。再上即为室内地面工程(图6)。

从上述描述来看,不仅有长短桩的概念,还有复合地基的内涵,不能不叹为观止。

 ……..

再读李广信老师的《我的土力学生涯》,对其负责的呼兰河上的战备大桥的设计施工的经历尤感兴趣:“当时没有所谓的工程勘察,采用“大锅椎”人工推钻水下钻孔,每一钻上来,都要查看是粗砂、中砂还是砾砂,根据推钻的力道判断其相对密度,再查其摩阻力,逐段叠加,到安全系数等于2.0时,即下令停钻,下导管,浇筑混凝土。”字里行间,我读到的全是认真!

屠呦呦担纲的科研组,系统收集整理了汇集植物、动物和矿物等2000余种内服外用方药(包含640多种草药),最终从《肘后备急方》找到切入点,何尝不是认真?精诚所至,金石为开,信矣!

“凤凰鸣矣,于彼高冈”。古人的经典、前辈的风范,如鹤如凤,鸣于九皋、鸣于昆冈,闻于天、闻于野,泽被莘莘学人。

 “嘤其鸣矣,求其友声”,我们同样期待更多的岩友们借岩土论坛发声,有更多的他山之石,可以为错、可以攻玉。


                                                                                                                               2017125

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我有话说

全部评论(7)

  • 高成长泥巴发表于 09月05日 15:28天生天养,土生土长,热爱养育我的每一寸土地!
  • 学习了,好文章
点评:
  • zhs16668发表于 05月23日 10:02这家伙很懒,没有个性签名!
  • 师兄牛,拜读
点评:
  • zl6078发表于 05月17日 15:20这家伙很懒,没有个性签名!
  • 好文章啊!
点评:
  • zxb720819发表于 05月04日 15:09zxb720819
  • 没有想到、做土木的彭先生有这么好的文采
点评:
  • houtianshunyx发表于 04月21日 11:41这家伙很懒,没有个性签名!
  • 写的真好!
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  • 雪珠发表于 03月06日 11:29奔跑在追求的尘土   一脸风雨。。。。
  • 拜读了,彭老师!
点评:
  • 673ljs发表于 02月06日 10:29后来者,永无止境!
  • 彭前辈,你好,后来者向你问候了!
pbaix发表于02月08日 09:27

幸会,年轻的同行!前辈可不敢当~

pbaix发表于02月08日 10:23

“前辈”二字可不敢当,我只不过早在行业内摔打了些时日而已,后生可畏,后来者居上。

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彭柏兴

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博士高工注册岩土工程师
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