明代神道碑的加固纠偏技术研究

神道碑于东汉时期形成，且之后各朝代有不同的立碑制度。孙祥宽对明中都皇陵神道碑进行研究，对明皇陵神道碑建造始末、形制称谓、含义及价值进行了详细分析；李玮等对清代某神道碑的修复进行研究，对修复工作的病害梳理分类、无损检测、清洗脱盐及锚杆修复等技术环节进行研究；孙春瑶对石碑保护的方案进行研究，主要以增设碑亭的方式实现长久的保护形式；淳庆等通过对某石碑的结构分析提出增设隔振支座的方式预防石碑开裂或压溃情况发生。

综上所述，目前学者对神道碑的研究主要偏重于考古、历史、形制及制度的研究，对神道碑的科学保护技术研究甚少，当前石碑的保护技术研究则主要集中于化学技术或材料技术保护。

针对神道碑的倾斜问题，通过现状评估和结构分析，采用结构纠偏及地基加固的措施对神道碑进行科学保护，该保护技术可为神道碑出现类似问题的保护提供借鉴。

1 神道碑倾斜现状及其安全评估

该神道碑南北对立，两碑均坐东朝西，北碑通高5.10m、碑高2.89m、宽1.14m、厚0.31m。南碑通高5.08m、碑高2.86m、宽1.14m、厚0.31m。

宋晟及宋朝用墓前神道碑现已经出现碑体倾斜、表面风化裂隙、人为涂鸦刻划等问题，其中以碑身倾斜的问题最为严重。

为详细勘测神道碑几何尺寸信息和倾斜变形情况，运用三维扫描技术测量两座神道碑，同时采用有限元软件ANSYS[7]对碑身进行倾斜现状下的静力分析与动力分析。

1.1 倾斜变形现状

采用三维扫描仪对两座神道碑的几何尺寸和倾斜变形情况进行精细测绘，宋晟墓神道碑三维扫描云图如图1所示。 经检测，宋晟神道碑向东倾斜8‰，南北方向倾斜0‰，宋朝用神道碑向东倾斜73‰，向北倾斜8‰。

图1 宋晟墓神道碑三维扫描云图

（a）西立面；（b）北立面；（c）西立面；（d）北立面

1.2 结构安全评估

两座神道碑的材质均为石灰岩，根据测绘数据和相关文献资料,并按偏保守的原则取值，石灰岩的密度取2660kg/m3，静弹性模量取30GPa，抗压强度取60MPa，取石灰岩抗拉强度为其抗压强度的1/60，即lMPa，泊松比取0.2，永久荷载为自重。采用商用有限元软件ANSYS建立实体模型并划分单元，有限元网格约1.86万个单元如图2所示。为研究初始倾斜对结构的影响，对模型进行了自重及初始倾斜的静力分析，其中初始倾斜为现场测绘的实际倾斜情况。南京地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，对多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下的地震响应进行分析，阻尼比取0.05。

图2 神道碑有限元模型

（a）宋晟墓神道碑；（b）宋朝用墓神道碑

1.2.1 宋晟墓神道碑安全分析

宋晟墓神道碑的静力分析结果如图3所示，宋晟墓神道碑最大受拉主应力为0.29MPa，未超过限值1MPa；最大受压主应力为20.46MPa，未超过限值60MPa。

图3 宋晟墓神道碑静力分析

（a）总位移云图；（b）最大主应力云图

宋晟墓神道碑的模态分析如图4所示，宋晟墓神道碑的第一阶模态频率为10.812Hz的水平向振动，第二阶模态频率为31.538Hz的水平向振动，第三阶模态频率为64.691Hz的竖向扭转振动，前三阶振型并未出现高阶的扭振等复杂振型，顶部的石碑振幅较大，玄龟基座的振幅较小。

图4 宋晟墓神道碑模态分析

（a）第一阶振型；（b）第二阶振型；（c）第三阶振型

通过对宋晟墓神道碑的地震响应分析可知，在多遇地震作用下，宋晟墓神道碑最大位移出现在顶部，为22.65mm，最大应力出现在石碑和玄龟榫卯交界处，为34.60MPa，最大位移和最大等效应力均未超过限值，结构在多遇地震下不会发生破坏；在设防地震作用下，宋晟墓神道碑最大位移出现在顶部，为64.18mm，最大应力出现在石碑和玄龟榫卯交界处，为98.16MPa，最大位移和最大等效应力均超过限值，结构在设防地震下会发生破坏；在罕遇地震作用下，宋晟墓神道碑最大位移出现在顶部,为141.93mm，最大应力出现在石碑和玄龟榫卯交界处，为216.80MPa，最大位移与最大等效应力均超过限值，结构在罕遇地震下会发生破坏。

1.2.2 宋朝用墓神道碑安全分析

宋朝用墓神道碑的静力分析如图5所示，宋朝用墓神道碑最大受拉主应力为2.80MPa，超过限值1MPa；最大受压主应力为60.45MPa，超过限值60MPa。

图5 宋朝用墓神道碑静力分析

（a）总位移云图；（b）最大主应力云图

宋朝用墓神道碑的模态分析如图6所示，宋朝用墓神道碑的第一阶模态频率为10.8Hz的水平向振动，第二阶模态频率为31.191Hz的水平向振动，第三阶模态频率为65.127Hz的竖向扭转振动，前三阶振型并没有出现高阶的扭振等复杂振型，顶部的石碑振幅较大，玄龟基座的振幅较小。

图6 宋朝用墓神道碑模态分析

（a）第一阶振型；（b）第二阶振型；（c）第三阶振型

宋朝用墓神道碑的地震响应分析显示，在多遇地震作用下，宋朝用墓神道碑最大位移出现在顶部，为26.37mm，最大应力出现在石碑和玄龟榫卯交界处，为40.78MPa，最大位移和最大等效应力均没超过限值，结构在多遇地震下不会发生破坏。

在设防地震作用下，宋朝用墓神道碑最大位移出现在顶部，为75.34mm，最大应力出现在石碑和玄龟榫卯交界处，为116.49MPa，最大位移和最大等效应力均超过限值，结构在设防地震下会发生破坏；在罕遇地震作用下，宋朝用墓神道碑最大位移出现在顶部，为165.02mm，最大应力出现在石碑和玄龟榫卯交界处，为255.15MPa，最大位移与最大等效应力均超过限值，结构在罕遇地震下会发生破坏。

在静力荷载作用下，宋朝用墓神道碑结构会发生破坏，宋晟墓神道碑结构基本安全。初始倾斜对模态振型的影响微乎其微，宋晟墓神道碑和宋朝用墓神道碑由于结构为对称结构所以会出现两阶模态频率相接近的情况，前三阶振型并没有出现高阶的扭振等复杂振型。

在多遇地震作用下，宋朝用墓神道碑结构由于倾斜率较大易发生破坏，而宋晟墓神道碑结构基本安全；在设防地震作用和罕遇地震作用下，宋朝用墓神道碑和宋晟墓神道碑结构均会发生破坏。

2 神道碑保护技术分析

遵循文物保护的真实性原则、完整性原则、安全有效性原则，对两座神道碑的倾斜导致的结构安全问题进行纠偏及地基加固，其中宋晟墓神道碑需采取地基加固方法进行保护，宋朝用墓神道碑需采取纠偏及地基加固方法进行保护。

2.1 神道碑纠偏加固

采用掏土迫降法对宋朝用墓神道碑的纠偏加固，即从沉降较小的基底处掏出适量的土，使应力重新分布，让其均匀沉降，以达到纠偏的目的。

因神道碑年代久远，长期受到侵蚀，故其损伤严重，对其纠偏时必须做好临时性保护措施，因此本次文物纠偏保护的总体思路为先对神道碑进行无损的临时性支撑保护，然后开挖施工工作槽，再在神道碑的底部制作托盘结构。

对神道碑设置临时支撑，如图7所示，采用角钢在神道碑外侧焊接格构式支架，下部护栏处采用┗100mm×10mm角钢，碑身采用┗63?mm×6mm角钢。为了对碑身进行保护，临时支撑与神道碑的连接处采用填充剂。

图7 宋朝用墓神道碑底部托盘

对神道碑底部托盘进行加固保护，首先开挖至神道碑底座底部，沿底座四角向下插入100mm×10mm角钢，长度0.75m。再沿基座四周设置10mm钢板环箍，钢板、角钢与神道碑底座之间灌浆泥浆密实。沿基座周边向下插入300mm×10mm的钢板，如果插入困难，可边挖边插，并将钢板环箍并与角钢焊接 连接。

在钢板环箍底部，采用人工掏土的方法掏出土孔，孔尺寸为200mm×200mm，以能插入钢梁HW200mm×200mm为宜。掏土孔施工宜分二批施工，且采用逐个施工的方法。

钢梁插入后浇筑高强灌浆料。最后沿底座东西方向设置钢梁HW200mm×200mm，与穿过底座南北向的钢梁和4个角的角钢焊接，形成一个整体。 

对神道碑掏土纠偏，如图8所示，因神道碑整体向东侧倾斜，在建筑西侧基础底部采用掏土法进行纠偏，使建筑物均匀回倾。 采取用人工或机械掏土方法进行斜向掏土，掏土孔直径150mm，掏土孔与水平夹角宜为15°~20°，距基座外侧300mm，孔深不超过基座中心线。

图8 宋朝用墓神道碑掏土纠偏

作业时需控制好掏土量避免地基造成过大扰动，掏土孔间距由疏到密，第一轮掏土间距为600mm，第二轮掏土在第一轮掏土孔中间插入，间距为600mm，回倾速率控制在5~10mm/d，根据回倾情况，控制掏土量，可在局部增加取土孔或加强取土力度，使回倾至规范要求的限值内。

掏土孔顺序为先进行第一轮掏土的施工，如未达到纠偏效果，再进行第二轮掏土施工，每次循环掏土后，回倾速度减慢至稳定程度或稳定后再进行下次掏土。同时掏土结束前，应适当预留一定的回倾量，以免矫枉过正。纠偏结束后，掏土孔内灌注高强灌 浆料。

对掏土纠偏过程实施过程监测，在神道碑的四角设置4个沉降观测点，在神道碑的碑身设置4个位移观测点，在神道碑的四周钢梁设置4个应力应变观测点，对石碑沉降速率、沉降差、倾斜率及应力变化进行过程监测。

每天采用高精度水准仪至少进行二次沉降观测，纠倾期间应加大观测频率，分析观测结果。出现异常情况时应立即停工，查明原因、制订对策后施工；正常情况时，仍需根据观测分析结果凋整调节沉降差异计划，控制被调节沉降差异，使石碑均匀、缓慢、协调地接预定计划回倾。调节沉降差异结束后，跟踪监测石碑后期沉降，直至沉降稳定为止。

2.2 神道碑地基加固

宋晟墓神道碑和宋朝用墓神道碑的地基加固技术参考相关文献，对碑底及周围采用高压注浆方法进行加固保护，即是通过注浆管将能具有强力固化作用的浆液注入地层，浆液以充填、渗透、压密等方式挤走土层颗粒裂隙中的水分和空气，浆液固结后与原来松散的土粒胶结成整体，可改善持力层受力状态和荷载传递性能从而达到地基加固的目的。

神道碑底部及周围的高压注浆依次按照钻孔、振动沉管、高压送浆、起管、封闭的顺序展开保护工 作。神道碑的注浆加固范围为基座外扩1m，将注浆管采用振动法一次压至地面下5m深度。

浆液配合比通过现场试注试验确定，配合比（重量比）为浆液水灰比0.6，水泥采用普通硅酸盐水泥，注浆水泥用量200kg/m3。

粉煤灰掺入量为水泥用量的20%，水泥基无收缩微膨胀灌浆料用料为水泥用量的4%~8%，超细水泥基无收缩微膨胀灌浆料用量为水泥用量3%~5%，水泥基渗透结晶用量为水泥用量的0.5%~1%，速凝剂、泵送剂根据现场试验进行配比，建筑用聚合物胶水用量为水泥用量的4%~5%。浆液初凝时间，控制在1~2h。

注浆时，注浆流量取7~10L/min，注浆压力为2MPa，注浆顺序按照先外围后内部的顺序，采用跳孔间隔的方法实施。注浆过程中，浆液搅拌时间不应大于浆液初凝时间，浆液在泵送前，应经过筛网过滤。

注浆管由下向上拔，每次上拔高度为400mm，同时浆液应不停缓慢搅拌，发现冒浆及时封堵，待应力消失后，方可继续注浆。待注浆结束后采取措施对基础进行封孔。 本次对宋晟墓神道碑和宋朝用墓神道碑的纠偏及地基加固保护，不仅做到最大限度地保存遗构本体和保存历史信息，而且也保证了神道碑的结构安全，为其安全展示及使用奠定基础。

3 结论

我国石碑类文物丰富，具有重要的历史价值、艺术价值、科学价值和社会价值。神道碑作为石碑文物的重要组成部分，通过对其保护研究有助于为石碑类文物保护提供借鉴。 宋晟墓及宋朝用墓前神道碑的科学保护通过运用三维扫描技术对神道碑现状进行勘察，采用有限元模拟分析方法对神道碑的结构安全进行评估，进而运用掏土纠偏方法及高压注浆方法对神道碑实施加固保护。

（1）由于神道碑容易出现倾斜变形和风化开裂等残损病害，在实际施工中须运用先进的勘测技术对其现状详细测量，本次保护运用三维扫描技术进行勘测，能够准确获取其几何尺寸信息和倾斜变形情况，为安全评估及科学保护提供依据。

（2）神道碑的安全评估主要是对其正常使用及地震作用下的结构性能进行分析，找出其结构安全隐患，为保护设计提供依据。 在静力荷载作用下，宋朝用墓神道碑由于倾斜率较大结构会发生破坏，而宋晟墓神道碑结构的基本安全；在多遇地震作用下，宋朝用墓神道碑结构由于倾斜率较大易发生破坏，而宋晟墓神道碑结构基本安全；在设防地震作用和罕遇地震作用下，宋朝用墓神道碑和宋晟墓神道碑结构均会发生破坏。

（3）神道碑的科学保护要遵循真实性、完整性和安全有效性原则。此次保护通过清洗整理碑身及周围的防护石栏杆，清除其周边水渍、杂草和青苔等方式来保护其历史风貌，同时分别采用纠偏及地基加固技术对其结构安全实施保护，其中纠偏加固采用掏土纠偏技术，地基加固采用高压注浆技术，最终神道碑实现历史风貌保护及结构安全加固的双重 目的。