1 绪论
1.1 研究背景
古今中外，在历史文化的沉淀和淘汰下，至今仍然存留着许多优秀的古代建筑。比如钟楼类古建筑有陕西钟楼，伦敦大本钟，北京钟楼，尖沙咀钟楼，威尼斯钟楼，莫斯科伊凡大钟楼，荷兰圣巴塞缪斯大教堂钟楼等等。如今虽然其权利的象征已经如烟逝去但作为地标性建筑和古代人民艺术智慧的结晶仍值得我们敬仰和守护。
几千年来，中国作为四大文明古国之一，岁月的流逝不断催促着以往朝代的更迭，历史文物更是枚不胜举。近年来，随着国家越发繁荣强盛，民族特色文化的传承和历史古迹的保护得到了进一步的重视。加之随着科学技术的发展，探测技术逐渐成熟，古文物病害病理的研究得到了长足的进步。
陕西钟楼始建于明洪武十七年（1384 年），原址在今西大街广济街口，与鼓楼对峙。昔日楼上悬一口大钟，用于报警报时，故名“钟楼”。由于久经风雨，在许多人为因素以及自然环境的影响下，钟楼表面砖墙已经大面积受到侵蚀，砖墙内部产生的渗流通道已经造成钟楼台基的不均匀沉陷，并且砖墙表面已出现较大裂缝以及掉渣泛碱现象（见图 1-1）。而且钟楼台基夯土年代久远，物理力学特征复杂，对比城墙夯土其物理力学性质差别较大，至今尚未有准确性的关于钟楼台基夯土物理力学性质的资料。这些问题对我们保护古文物的历史责任造成了重大威胁。
古建筑文物作为优秀的历史文化，既体现了古代人民杰出的艺术智慧，又是当代社会中一个城市面对国家甚至世界的标志性建筑，还能给子孙展现传统的风采和内涵，那么保护古建筑文物就是当代社会继承优秀传统文化必要的举措。本文主要以陕西钟楼病害的探测，评判以及病理的分析和治理为主，分析了在降雨条件下，钟楼基座结构的渗漏问题。
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1.2 国内外研究现状及存在的问题
鉴于古文物保护的必要性和实际意义，国内外学者对砌体结构的古建筑病害问题已有不少研究，比如病害探查监测以及修复，还有学者对古遗址修缮保护提出了很好的建议，但是都没有细致到水分如何迁移的具体过程和温度导致砌体开裂的内部原因。
1.2.1 关于探测技术的使用研究
现今各类无损探测技术（DNT）[1]已经完全应用于各类古建筑的损伤研究当中，国内外研究的主要方法有环境振动原位测试法、地质雷达、SER 电阻率法、IR 红外探测、瑞雷波法[2]等研究手段。
环境振动测试主要用于历史结构的状态评估，因为该方法不会对测量对象产生任何负面影响。学者 OSMANCIKLIG[3]研究介绍了土耳其特拉布宗圣索菲亚教堂钟楼的破损和修复情况，通过对诸如损坏、恢复等不同情况进行测量来观察结构的动态特性变化，在环境和随机产生的冲击载荷下，对预先恢复和恢复情况进行全面的环境振动测试。学者D’AMBRISIA[4]通过环境振动试验的动态识别来评估砌体塔的动态特性和机械性能，以此对历史砖石塔和钟楼的抗震性能和动态特性进行评估。
意大利还进行了有关这类结构的地震风险评估和证明了文化遗产的准则中所载的一些规定的有效性。意大利 Luigia 等[5]学者利用地质雷达作为无损探测技术，对砖石结构开展了以下研究:①确定墙壁内部的裂隙、空洞所在部位；②确定结构内部水分入渗及其潮湿程度；③通过无损检测，对砖石结构内部较大孔洞和夹杂物（钢材和木材）定位；④对前期灌浆修复效果进行检验；⑤研究并确定砖石结构截面形态及尺寸。地质雷达虽然能通过地震波的反射对墙壁内部的裂缝及孔洞准确定位，以及对其内部水分的含量进行大致分析，但是不能精准确定水分入渗通道的形成过程以及外部产生裂缝，砌体出现起皮掉渣的缘由。
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2 古建筑砖-土基座渗漏规律模型试验研究
2.1 钟楼保存现状及历史沿革
2.1.1 钟楼结构特征及修缮状况
近代民国时期魏欣宝[36]记录研究表明：陕西钟楼历经数次修缮，分别为民国二十四年钟楼修缮，被炸后民国二十八年修补钟楼工程，民国二十五年、三十一年修筑钟楼门洞路面，民国三十一年翻修钟楼四周碎石路等五次重要的修缮工程，并指出钟楼在西安城市近代化中的重要地位。
钟楼整体以砖木结构为主，总高36米，由基座、楼身和楼顶三部分组成。由青砖白灰构建的基座高8.6米，每边长35.5米，面积约1377.4平方米。基座下由高宽均为6米的四条东西南北向卷洞贯通。基座内部以夯土为主。基座海墁西北角搁置6.5吨重仿制景云钟。基座北卷洞两侧有之字形楼梯。基座上层有25.33米方形楼体台基，四向配8.4米宽梯台，台基外为海墁部分。钟楼楼体除对称结构外，东南侧另有盘旋而上的楼梯。
2.1.2 钟楼地理位置及交通、地震、地裂缝的影响
钟楼位于西安市中心，钟楼花坛外四周开辟公路转盘，以钟楼为中心辐射出正东、正西、正南、正北四条大街并分别与明城墙东、西、南、北四门相接，地下则有绕开钟楼楼体专供人行的环行通道，四周无建筑物遮挡。西安地铁2号线穿越钟楼时经过特殊处理，故意避开钟楼正下方地层，并且将钟楼站附近的轨道地基设置成弹簧地基，弹簧地基有效地吸收了地铁运行带来的振动波。张承客[37]研究表明：钟楼地基所设置的隔离排桩等加固措施在地铁施工当中起到了巨大作用，地铁2号线施工引起的地面沉降不会对钟楼产生影响。陈瑞春[38]采用MIDAS/GTS软件对西安已运营的地铁2号线以及正在施工的地铁6号线在采取不同减隔振措施下对钟楼台基地面点的震动响应进行了计算和分析。结果表明工程建筑在前期设置隔离桩后，对钟楼台基地面的震动响应产生了明显的减震效果。同时地铁6号线与地铁2号线交叉重叠产生的钟楼台基地面的振动速度并无明显增加。
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2.2 钟楼相似模型的构建思路及相似比的确定
本文对钟楼台基实际尺寸，按照一定的相似比进行缩放，建立钟楼基座物理模型，按照可能的渗流路径进行布设测点以研究其降雨对钟楼台基内部水分的影响。
钟楼模型试验除去和其他隧道，水工模型试验的类似难点外，还存在对外界环境模拟的难点。主要包括：
（1）原型与模型比例的确定。 （2）模型土性与场地地基的模拟。 （3）制作模型时拱门制作困难。 （4）各类监测仪器的布置。
在制作物理模型时，需要考虑到模型的几何相似、物理相似、初始状态相似、边界条件相似、模拟范围及试验概况。对任何一种土—砖结构相互作用的模型试验来说，难以实现完全满足模型设计参数与原型参数的统一匹配，由于物理参数量的庞大，我们只能根据所研究问题的主次来确定所研究的参数重要性[46]。本试验只是针对钟楼目前的病害现象，为简单分析其成因，建立物理模型了解其渗流通道和在时间变化下基座内部各部位各方向的含水率变化情况。故需要根据所研究问题确定模型对比与原型的相似参数，满足主要问题的相似指标。同时，因为要控制内部夯土的渗流速度，适当调节其压实度以控制试验完成时间。
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3 基于改性夯土材料的钟楼基座顶部防渗试验研究 ............................... 533.1 改性土制备 ......................................... 53
3.2 防水层试验结果与分析 .................................. 55
4 结论及展望 ............................................. 61
4.1 结论 .................................. 61
4.2 展望 ................................. 62
3 基于改性夯土材料的钟楼基座顶部防渗试验研究
3.1 改性土制备
根据大量古遗址修复现状调研可知，黄土的抗渗性极差，且容易产生沉陷，在夯土结构中添加各类高分子材料或灰土、水泥等来改善夯土的渗漏性质在目前工程中黄土改良发面就显得具有研究性。
（1）糯米汁+稻草改性黄土的制备
称取定量干燥黄土放于地面铺开，使用所算水分加入黄土中搅拌配匀，保证所配湿土中无大颗粒，装于密封袋中静置 24 小时以上，让其水分均匀。
本文采用糯米为黄国粮业牌糯米如图 3.1-1(a)所示。熬制糯米汁方法为先称取所需质量的糯米放于水中浸泡，再取出滤干，加入到定量水中熬煮，熬煮过程中保持锅中水量不变。熬制 1 小时 40 分钟后，取出熬制的浓度为 100g/L 的含量 5%粘稠状糯米汁。
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4 结论及展望
4.1 结论
本文采用钟楼基座物理模型试验的方法一定程度的揭示了钟楼基座病害产生的内部病因，并且不同干密度、不同人工雨强、不同防水层下测点在时间和空间下得变化规律与钟楼现场病害状况大致吻合，本模型试验所得到规律能够对钟楼现场病害改善提供参考，最后得出以下结论：
（1）大量水分入渗时，钟楼门洞顶部及门洞两侧的结构特殊性，干密度低于其他夯土位置的干密度，加之渗漏路径短，当降雨产生后，由基座上部二层处渗漏的雨水使门洞顶部干密度较小的夯土软化和湿陷，雨水会带走土中的粘性颗粒，长久以往，更易在门洞顶部产生渗漏通道。所以拱顶处含水率首先变化，大量从顶部渗流而出，且部分水分下渗容易汇聚拱脚处，这与钟楼现场基座的渗漏现象符合。说明以基座内部不同干密度及结构特殊性等主要内因在主要外因—水的影响下促使基座内部病害愈加严重。
（2）当基座内部夯土干密度为 1.55g/cm3时，基座外墙处夯土测点含水率平均增量为28.1%，基座中心部位测点含水率增量平均增量为1.2%。当基座内部夯土干密度为1.7g/cm3时，外墙测点在暴雨情况下含水率平均增量为 16.0%，内部测点含水率平均增量为 0.25%，外墙含水率增量远大于内部含水率增量，这与钟楼现场基座的现象符合。
（3）基座外部地基无防水层情况下，在外界有强降雨时，水分会由底部反渗入基座底部，基座底部测点有剧增现象。对比前人钟楼现场研究发现，在现场基座外地基某些渗漏点的积水同样带来基座外墙内的测点含水率剧增，这与模型试验的反渗效果相互印证。且在模型基座外地基建立防水层后，模型基座的含水率总体呈下降趋势，这同样与钟楼基座底部的含水率变化趋势相符合。同时，提出应对钟楼现场基座外地基重新布设防水层的建议。
参考文献（略）