基座又称台基，位于房屋底部，是一个四面砌砖，内部填土，顶部墁砖的方形台座。基座是古代建筑的三大部分(基座、屋体、屋顶)之一，最早是为了御潮防水，亦具有承重、加固、保护房屋作用，也是等级地位的象征。基座的稳定性决定上部结构的整体安全性。
随着自然、人为等各类不利因素的侵扰，古建筑的结构病害问题愈来愈严重，诸多学者从不同层面、领域对其进行了研究。刘成禹等从古建筑材料的风蚀角度研究了古遗址的病害诱因及其修复措施[1]。朱才辉等采用微型土壤水分计(TDR)、土壤电阻率(SER)等方法，针对某古建筑台基的水害及结构病害特征开展了原位监测，分析了台基水害分布特征和水分迁移规律[2-3]。刘艺等采用了多种勘察手段对西安城墙某段海墁病害进行了研究，阐明了病害产生的原因，并提出了治理方案[4]。范学宁等通过对城墙21号马面裂缝的现状监测，分析了其破坏因素和破坏机理，针对存在的问题提出了钢管灌注桩与灰土挤密桩施工的加固方法[5]。Labropoulos等基于电磁波、红外线等无损探测理论来研究古建筑材料内部的劣化及水分场分布特征[6]，这为古建筑的破坏机制提供了极为宝贵的研究思路和方法。
前期多数研究均基于土体钻孔取样分析，但在地质雷达(GPR)、环境振动原位测试[7]、弹性波探测法等无损检测方法应用较少，通过无损检测手段探讨基座内部土体水分场分布及演化规律尚缺乏参考。
经对西安城墙、固原城墙、同心清真大寺等多处全国重点文物保护单位文物本体的实地调研发现：防、排水体系的损伤或缺失，极易造成此类建筑结构性病害的发育，如外包砌体局部鼓胀、开裂、材料劣化，与内部填土脱离、形成局部空鼓，不均匀沉降等结构性病害，直至引起整个结构错位、倾斜，甚至坍塌。故城墙、基座的渗漏水病害及因渗漏而引起的结构性问题已成为研究热点。因此，研究此类结构雨水灾害的时空分布规律及其病害发育机制，对后期病害防治措施的制定具有重要意义。
鉴于此，本文以同心清真大寺基座台基出现的外包砖砌体开裂、雨水渗漏、台基不均匀沉降等结构性病害为研究对象，采用GPR无损探测方法，全面系统地探测基座渗水问题对其结构安全性的影响，以期获得雨水渗漏对基座水分场分布的影响规律，从而为此类结构的加固保护提供科学参考。
1 工程地质环境
1.1 工程概况
同心清真大寺位于宁夏回族自治区同心县豫海镇大寺街，海拔1 347 m。1988年，同心清真大寺被国务院公布为第三批全国重点文物保护单位。图1为同心清真大寺整体照片。
图1 同心清真大寺
Fig.1 Tongxin Mosque
同心清真大寺是西北地区明清时期的一座回族民族特色和中国传统木结构建筑相结合的建筑综合体，是中国现存的十大古老清真寺之一，也是中国历史上第一个少数民族自治政权“豫海回民自治政府”的成立大会会址。
整个大寺占地1.12 km2，建在一个面积3 500 m2、高5.5 m的砖砌基座上，主体建筑有礼拜大殿、邦克楼、南北厢房、照壁等。礼拜大殿坐落于台基北院中轴线上，南北厢房分列左右，邦克楼位于基座南院，照壁位于大寺入口处门庭对面。大寺正门开三个券门，由正中券门进入，过暗道经33级石台阶拾级而上到达寺院内。
1.2 赋存环境
同心县自南向北由中温带半干旱区向干旱区过渡，气候属典型的温带大陆性气候：冬寒长，春暖迟，夏热短，秋凉早；四季分明，昼夜温差大，干旱少雨，降雨集中，蒸发强烈，风大沙多，日照充足。年平均气温8.6 ℃，最热为7月，平均气温22.8 ℃，极端最高温度37.9 ℃；最冷为1月，平均气温-8.1 ℃，极端最低温度-27.3 ℃。年平均日照3 024 h。无霜期120～218 d，气候日较差为31.2 ℃。大风天气(风速≥17 m/s)年平均在8～46 d，大多出现在冬春季节。
该场地地下水位埋深为20.80～25.80 m，相对高程78.68～79.99 m，属潜水类型。
该地区雨水时空分布极不均衡，降水大部分集中在7～9月，约占全年总降水量的60%～70%，并多以暴雨、冰雹等灾害形式出现。全县年平均降水量为272.6 mm，蒸发量高达2 300 mm，是降雨量的8.4倍，暴雨、大风、沙暴、热干风、霜冻、冰雹等灾害性天气出现频率高，对文物保护有很大影响。
1.3 土体特性
根据机械工业勘察设计研究院岩土工程地质勘查报告[8]，同心清真大寺所处地段抗震设防烈度为8度，场地类别为Ⅱ类，场地属于自重湿陷性场地，地基湿陷等级为Ⅰ级(轻微)。基座及地基土层特征分层详述如下：
1)砖石层
基座地面表层有0.2 m厚的层砖或块石表面，基座砖层下有薄层水泥砂石垫层。
2)层杂填土主要以蓝色砖碎块等建筑垃圾为主，薄厚不均，层底埋深1.7～5.5 m。
3)层素填土一般表层0.7～1.0 m深度范围内为三七灰土垫层。垫层下填土以粉土为主，掺杂大量砖块，可见少量黑色斑点，土中混有细砂。该层土颜色不均，呈浅黄色或褐黄色，呈硬塑或坚硬状态，稍湿，松散，土性指标离散性大。
4)黄土状粉土层
浅黄色，硬塑，稍湿，稍密至中密。土质不均匀，土中含有粉细砂颗粒，呈层状分布，并发育数层厚度小于0.2 m的薄层粉细砂透镜体，该层底部局部地段存在粉砂夹层或透镜体。局部具轻微湿陷性，属中等压缩性土。层底埋深5.8～11.4 m。
各层土体物理力学性质指标统计见表1。
表1 土体物理力学性质指标
Table 1 Physical and mechanical properties index of soil
土层值别含水率/%重度/(kN·m-3)干重度/(kN·m-3)饱和度/%孔隙比液限/%塑限/%塑性指数/%湿陷系数压缩系数/MPa-1压缩模量/MPa自重湿陷系数台体内素填土最大值17.919.417.3700.86229.818.511.30.0330.1917.80.003最小值5.016.414.5190.56322.114.97.20.0020.099.2平均值11.517.715.9440.70727.517.310.20.0110.1412.70.001标准差4.261.000.7816.30.0852.060.981.100.009 70.0342.670.001 1变异系数0.370.060.050.370.120.070.060.110.240.210.87黄土状粉土最大值16.420.417.8750.87129.318.011.30.0180.1913.80.007最小值8.115.614.1180.51823.615.58.10.0000.099.5平均值11.918.016.1480.67026.816.89.90.0060.1511.20.003标准差2.581.301.0416.50.0961.450.650.830.004 80.0291.330.002 5变异系数0.220.070.060.340.1400.050.040.080.200.120.98
从表1可以看出，素填土与黄土状粉土层土体性质多为粉土，降雨前，其含水率均在合理区间内(16%～22%)，但分布极为不均。黄土状粉土层较素填土局部土体含水率低，且由于地下水埋深较深(-20.80～-25.80 m)，表明土体中水分多来自于地表降水。根据GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》[9]，当0<饱和度≤0.5时，土体状态稍湿；当0.5<饱和度≤0.8时，土体状态潮湿；基座土层局部处于潮湿状态，且水分分布不均。由于土体湿陷系数小于0.015，故失陷性可不予考虑。综上可见，地表雨水下渗是基座土体水分的主要来源，且空间分布极为不均。根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》[10]，后期基座加固中可考虑海墁底部土体1 m范围内设置防水层，基座采用土体置换、挤密措施以增强土体稳定性与承载力。
2 现状勘察
2.1 基座结构病害
同心清真大寺基座高约5.5 m，底面积约3 500 m2，周长约224 m，整个基座用青砖包砌，主体建筑均位于其上。
2.1.1 裂 缝
基座除南墙外，东、西、北三面墙体均存在不同程度的裂缝。墙体裂缝分两类，一类多成斜向锯齿形态，沿墙体灰缝发育，局部有青砖断裂。另一类为墙体在内填土作用下产生侧倾变形，致使转角处砌体拉裂，裂缝成竖直开裂状。主要结构裂缝统计见表2。
表2 外包砖砌筑墙体主要裂缝
Table 2 Main cracks in outer brick wall
裂缝位置编号裂缝状态开裂情况西墙1西墙北侧自4.2 m高处,斜向下以45°方向沿砖砌体灰缝发育、延伸宽1～3 mm,长约4 m2距西墙北段15 m处,沿砖砌体灰缝发育,上下贯通宽度1～3 mm,长约5.6 m3距西墙南端12 m处,自上而下贯通台体,裂缝中间宽上下窄,上部向南45°发育,中部3～5 mm宽裂缝处有切断砖体的情况上部宽度2～3 mm,中部宽度3～5 mm(见图3.4),下部宽度2～3 mm4西墙与南墙接茬处,裂缝贯通整个墙体缝宽度2～3 mm东墙1东墙与南墙的拐角处,上下贯通,沿砖砌体灰缝发育缝宽1～4 mm,长约6.5 m2东墙与北墙的拐角处,上下贯通,沿砖砌体灰缝发育缝宽1～3 mm,长约7.0 m北墙1东墙与北墙的拐角处,上下贯通,沿砖砌体灰缝发育缝宽3～5 mm,长约7.0 m2北墙的最西侧,通道的上方缝宽3～5 mm,长约4.0 m海墁1礼拜大殿西侧墙体由于倾斜外鼓,与海墁砖之间存在一宽约20 mm 的裂缝缝宽约20 mm,长约22 m
大寺主入口位于西墙西南角，西墙长约70 m，裂缝发育较多。该墙上存在4条裂缝，如图2所示。裂缝4位于西墙与南墙接茬处，裂缝贯通整个墙体。
2.1.2 风 蚀
由于年久失修，基座台面海墁层坑洼不平，防水体系失效，雨水沿海墁缝隙下渗，沿外包砌体墙面渗出，加速砌体表面风化侵蚀病害发育。图3分别为水舌底部墙面雨水外渗扩展图及拱券周边雨水外渗状况，砌体表面均发育较大面积风蚀剥离病害。
a—西墙； b—西墙与南墙拐角。
图2 外包砖砌体裂缝
Fig.2 Cracks in outer brick masonry
a—水舌底部墙面； b—拱券周边墙面。
图3 外包砖砌体水渍区域
Fig.3 Waterlogged area of outer brick masonry
2.1.3 沉 陷
由于台基内部土体多为杂填土，台面防雨、排水体系受损后，雨水下渗，台基土体强度降低，产生不均匀沉降。
礼拜大殿西侧及南北两侧部分地面沉陷，沉陷中心相对于沉陷边缘的下沉量达100～200 mm(图4)。
图4 地面沉陷
Fig.4 Ground subsidence
由于雨水下渗，北厢房地基土体湿陷，造成东北部位墙体不均匀下沉，最大沉降量达150 mm，对北厢房建筑结构安全性造成严重威胁，如图5所示。
图5 北厢房地基下沉
Fig.5 Foundation settlement of the narth wing
2.2 成因分析
现场测量及地质勘察结果表明，同心清真大寺现状破损原因主要在于以下几方面：
1)基座内填土不均匀，主要表现在礼拜大殿西侧台基下土体，该处为后填土，包括其下通道部分为后期加建，其内部填土多为砖渣且厚度不均匀，这为台基不均匀沉降埋下安全隐患。
2)基座内填土不密实，且基座顶部无有效隔离防水措施，导致汇集的雨水容易在竖向发生快速下渗的可能性，从而增大台基内土体发生侧向变形、导致墙体倾斜外鼓。
3)后期维修过程中没有合理考虑各拱券的承载能力，有可能导致拱体上部荷载过大，从而导致拱券顶部开裂。
4)基座顶部泄水孔、排水槽发生堵塞，致使汇集的雨水无法有效排出，进而导致雨水浸泡墙基，从而可能导致墙基沉陷。
5)后期在环境整治过程中没有有效地对整个墙基进行保护管理，墙外无有效的排水措施，致使新做的绿化种植场地明显高出墙外散水，致使可能汇集的雨水浸泡墙基，导致墙体坍塌(东北角墙体曾发生过坍塌)。
3 GPR现场检测
根据同心清真大寺现场勘察结果，雨水下渗是各类结构性病害发育的主导因素。在长期监测过程中，通过地质雷达探测方式对降雨前后基座内填土体进行了监测，以期获得雨水渗漏对基座水分场分布的影响规律，为后期对其结构安全性进行科学评价及相应保护措施的制定提供科学依据。
3.1 基本原理与数据采集
地质雷达(GPR)采用高频电磁波的形式进行地下介质的探测，其基本原理是发射天线将高频电磁波发射进入目标体内部，当目标体内部存在介电常数不同的介质时，电磁波会在介电常数发生变化的界面处发生反射，反射波返回地面被接收天线接收。反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差异越大，反射信号越强[11-12]。表3给出了典型的土遗址主要缺陷地质雷达图像标准。
3.2 降雨前基座土体检测
采用美国劳雷公司SIR-3000 型地质雷达配合500 MHz 屏蔽天线对同心清真大寺基座进行探测，取相对介电常数为4，所取得的地质雷达原始数据经数据预处理后成像如图6、图7所示。
图6 南北向波形反射图(降雨前)
Fig.6 North-South waveform reflection (before the rain)
根据GPR波形反射图可知：
1)由于填土不密实或下渗雨水冲蚀，加之基座内填土具有一定失陷性，填土内部及海墁与填土接触面处多存在剥离性结构孔洞。
表3 土遗址主要缺陷地质雷达图像判定标准
Table 3 Criteria for judging the main defects of earthen sites by GPR images
雷达特征图像图像特征描述缺陷类型单双曲线反射土体空洞多次振荡反射,振幅较大,同相轴连续夯土含水率高图像杂乱无章,同相轴不连续夯土不密实单次振荡反射,振幅较大,同相轴连续表层砖砌体与内部夯土脱空
图7 东西向波形反射图(降雨前)
Fig.7 East-West waveform reflection map (before the rain)
2)海墁以下约0.2～0.8 m的波速整体较为均匀，表明该区域填土层土体介质较均匀。
3)深度约0.8～2.2 m 范围内填土波形削弱情况较浅层严重，表明基座内部夯土在未受到雨水入渗之前其水分含量已然较高，土体密实度较差。可推测，基座历经数百年风雨侵蚀，海墁结构残损劣化致使外部雨水内渗，内部填土在长期上部荷载作用下已基本沉降固结，从而具有较强的保水性能和低渗透性，下渗水分难以排出并长期聚集。
4)由于基座修建已300余年，1.8～2.2 m深度以下填土沉降效应已完成，土体密实度较为统一。
3.3 降雨后基座土体检测
图8、图9为降雨后基座检测波形反射图，通过降雨前后基座内部结构的GPR监测波形反射图对比可知：降雨后，海墁以下0.5～2.4 m范围内填土的波形削弱情况明显较严重，土体含水率较其他土层变化明显，表明这些部位更易受到雨水入渗影响，水分在无法向下渗透状况下，在此区域汇集水平外渗，长期累积效应下最终造成拱券顶部和外墙出现大面积渗漏，砌体表面泛碱、起翘、风化病害等发育严重。
图8 南北向波形反射图(降雨后)
Fig.8 North-south waveform reflection (after the rain)
图9 东西向波形反射图(降雨后)
Fig.9 East-West waveform reflection map (after rainfall)
4 基座加固保护措施建议
根据现场病害勘察及基座水分场分布规律检测可见，基座顶部的防水层出现残损、破坏，基座内部填土存在湿陷软化、不密实等状况致使雨水渗漏形成水害问题。因此，建议采取如下措施进行基座结构加固。
4.1 基座加固
1)由于基座内土体密实度较差，加之雨水下渗致使土体局部失陷性沉降，致使基座顶面海墁层凹凸、开裂，北厢房等建筑产生不均匀变形，故可对基座土体采用灰土桩置换方式进行加固处理，以黄土状粉土层
为灰土桩持力层，桩径200 mm，间距1 000 mm，梅花形布置。
2)对基座外包砖开裂砌体采用环氧砂浆灌注的办法进行加固。将青砖研磨成粉，用环氧树脂进行拌合，将裂缝表面进行封堵压实并使其适当高出墙面，然后反复揉轧将其挤入裂隙内。
4.2 防排水措施
1)为满足文物保护“最小干预”“原工艺、原材料”等基本原则，首先解除基座表面海墁铺砖，清理表面500 mm深的土体，下部土体做压实、夯筑处理，如遇到孔洞、松散体则进行置换，然后以3∶7灰土夯筑回填，表面采用原材料重新铺设青砖海墁层。
2)排水口处在土体清理、3∶7灰土夯筑回填基础上，以排水口为圆心，半径2 m铺设聚乙烯防水卷材，与女儿墙交接处做泛水处理，最后原有排水槽归位安装。
5 结束语
1)文物建筑基座类结构由于年久失修，基座顶部海墁层多有残损病害发育，加之排水不畅，雨水沿残损处向下渗漏，极易导致不均匀沉降、外包砌体开裂、风化、上部结构变形等结构性问题发育，直接威胁文物本体安全。
2)GPR是一种有效的无损检测手段，对填土内部土层状况、降雨前后土体水分场的时空演化规律及水害形成机制具有直观、科学的意义。检测结果表明，基座内部填土降雨前后水分场分布不均，0.5～2.4 m范围内含水率变化较大，从而造成水分向外包砌体部位渗漏，造成墙体开裂、风化。
3)建议通过灰土桩方式进行基座内部填土置换、重做顶部防水层、重铺海墁防渗层、外包砖砌体裂缝注浆等方式进行相应结构加固及病害处理，以降低基座内填土含水率和增强其长期稳定性。
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