石窟文物抗震防护研究

《石窟文物抗震防护研究》以石窟文物保护为出发点，针对国内外地震工程研究领域的一些热点问题，紧紧围绕目前国内城市和重大工程地震安全性研究的一些新动态和发展趋势，在研究目标和内容设置上力求对石窟文物抗震防护中的一些关键问题进行较为深入的分析研究，研究内容较为系统，在一定程度上弥补了石窟文物抗震研究方面的一些不足，使石窟文物的抗震防护对策的选取建立在较为坚实的理论基础之上，具有较重要的社会效益和经济效益。《石窟文物抗震防护研究》的主要研究内容和取得的进展如下：（1）阐述了石窟的分类及其工程地质和动力学特征，揭示了石窟文物主要病害及成因机制，强调了环境保护对石窟围岩稳定的影响；分析了甘肃石窟文物的地震构造环境及地质灾害特征以及历史地震对石窟文物的影响；揭示了强震区岩体地震动力破坏特征；以甘肃主要石窟文物为例，提出了石窟地震环境评价和未来地震危害性估计方法；针对石窟文物的特殊性，提出了不同等级文物的抗震设防目标和地震荷载的确定方法。(2）从石窟所在场地的地震安全性评价、石窟地震稳定性分析、工程防护措施等方面人手，建立起一套合理的、较为完整的石窟抗震安全评估理论体系。以Boore等提出并改进的点源模型为基础，以敦煌莫高窟为例，运用随机有限断层地震动叠加合成方法，模拟了缺乏强震记录地区石窟的近场地震动特征；揭示了石窟所在高陡岩石边坡在水平动荷载下动力响应的加速度、速度、位移三量放大系数等值线在边坡剖面上分布的规律性特点。(3）归纳总结了目前关于余震的相关研究成果，给出了中国西部以大量样本量为基础的具有统计意义的主震震级与余震震级之间的经验公式，揭示了强余震的空间分布和时间分布特点，为重大岩土文物在主余震作用下的反应特性和累积损伤效应提供了依据。(4）基于地震的断层弹性位错理论，采用地震位移水平分布的抛物线模型，研究了三维有限元方法在地震变形计算中的应用，分析计算了敦煌莫高窟的潜在地震变形，揭示了断层活动方式对地震地表变形分布特征的影响，探讨了石窟文物活动断裂安全距离问题。(5）提出了考虑岩体在节理裂缝处以及石窟和附属结构之间的动接触问题的动力有限元分析方法，建立了锚杆、锚索技术(无预应力、有预应力）加固石窟岩体的理论分析方法和数值模拟技术；采用二维、三维分析方法通过对无裂隙无锚杆、有裂隙无锚杆、有裂隙有锚杆和有裂隙有预应力锚杆4种模型的分析，定量分析了不同类型石窟在不同地震荷载作用下的动力响应和震害机制。(6）以敦煌莫高窟为例，通过对不同峰值加速度、频谱、持续时间的动荷载作用下石窟围岩位移场、应力场分布特征的数值模拟计算，揭示了挡墙加固型石窟及其附属构筑物在地震作用下的动态响应和变化规律，归纳总结了洞室围岩的动态损伤特性；以莫高窟人字批顶结构的254号石窟为例，采用三维有限元分析方法，计算分析了竖向地震荷载作用下不同模型(按双层洞窟和中心柱的不同组合方式考虑）的拉应力分布规律，揭示了石窟中心塔柱对石窟岩体抗震能力的影响，指出了窟体防护加固的重点部位。(7）在归纳总结国内外锚固理论与技术发展现状的基础上，针对预应力锚索加固石窟文物的特点，以榆林窟为例，通过对不同地震荷载作用下预应力锚索加固的石窟围岩位移场、应力场分布特征的数值模拟计算，揭示了预应力锚索加固石窟岩体在地震作用下的动态响应和变化规律，论证了锚杆(锚索）在石窟岩体加固中的作用。(8）以洛阳龙门石窟有代表性的洞窟和大同云冈石窟的大型洞窟为研究对象，阐述了地震荷载下洞窟围岩损伤的影响因素，从地震动的不同工程特性、不同输入方向等方面人手，分析研究了不同地震作用下洞窟围岩的位移、速度和应力动态变化特征，揭示了围岩在不同地震作用下可能出现的拉性、压性以及剪性破坏，为石窟文物地震安全评估及防灾对策研究提供了依据。同时，运用Newmark隐式时间积分有限元法并采用黏一弹性人工边界，计算了不同地震动作用下不同的围岩材料对洞室地震反应的影响，分析了注浆加固围岩的减震效果、适用条件及其减震机理。(9）揭示了石窟岩体危石(滚石）灾害及其基本特征，地震诱发滚石灾害及其基本特征，以某危岩体加固工程的3个典型工程剖面为实例，通过数值模拟分析，揭示了预应力锚索加固危岩体在地震作用下的动态响应和变化规律，论证了预应力锚索加固危岩体的可行性，分析了地震诱发滚石的运动轨迹，提出了危石(滚石）灾害的防治措施。(10）针对洞窟上覆岩体裂隙性状，提出了利用反分析法来确定岩体裂隙的抗剪强度(C，φ）值来进行石窟边坡的锚杆加固设计方法。该方法对于在无法进行试验确定岩体抗剪强度(C，φ）值的石窟尤为适用。(11）提出了不同类型石窟振动安全度安全阈值(环境振动、爆破振动）；对拟采用的锚索加固技术所产生的振动情况进行了分析测试，较好地反映了该施工工艺引起的振动效应的实际情况，并对其安全性进行了评估，为莫高窟崖体的加固施工提供了重要依据。(12）设计了国内专门针对重大文化遗产的地震监测系统建设方案，完成了由9个数字测震台站组成的小孔径同心圆台阵，8个不同高度、不同位置的强震动台站组成的强震动立体观测台阵，建设了莫高窟地震监测台网中心。对于提高对莫高窟及邻近地区的地震活动监测能力和地震危险性研究，全天候对洞窟岩体和窟内文物的振动防护监测，以及开展石窟动力响应分析和抗震加固研究，具有十分重要的意义，同时对国内外重大文物地震安全保障工作具有典型的示范作用。(13）提出了石窟文物灾害防治的基本原则，结合工程实践，提出了不同类型石窟文物抗震防护技术对策，较好地促进了石窟防护技术与文物保护的有机结合。