矗立在大江南北的古塔,是中国五千年文明史的载体之一。它融合了外来文化与中华传统建筑艺术的精华,是我国古代高层建筑的杰出代表。现存的古塔不仅具有宝贵的文物价值,也具有极高的旅游观光价值。大部分古塔饱经沧桑,经受过战火、地震、风雨侵蚀等人为和自然的破坏,急需进行修复和加固。随着社会文明的进步,人们对古建筑的保护投入了更多的关注,古塔的保护研究工作己经成为文物保护和城市建设的一项重要工作。由于几千年沧桑岁月的破坏,许多古建筑都产生了不同程度的倾斜。特别是砖石结构的古塔,由于其长细比大、重心高,自重大、强度低,对地基条件往往十分敏感,一旦倾斜,往往会造成倾斜一侧地基应力集中,又进一步加速了建筑物的倾斜。目前我国现存的砖石古塔,大多存在不同程度的倾斜,个别则已经由于过度倾斜而倒塌。云南大理崇圣寺创建于唐南诏时期,为南诏大理国的皇家寺院,也是我国西南著名佛塔。崇圣寺三塔始建至今1200余年,是国内保存较完好的古建筑群之一。历经千年风雨沧桑、无数有感地震,崇圣寺三塔中两座小塔塔基发生了不均匀沉降,塔体已偏离了中垂线,出现了令人担忧的倾斜状态。三塔稳定性判定、病害现状与塔体倾斜、地基不均匀沉降诱发因素及发展趋势已成为迫切需要解决的问题。本论文依托云南大理崇圣寺三塔保护工程项目,以崇圣寺三塔中发生明显倾斜的南北小塔为主要研究对象,在查明其不均匀沉降病害的现状、诱发因素的基础上,探讨了砖石古塔产生不均匀沉降变形的机理。通过理论计算和应用有限元分析软件ANSYS对崇圣寺南北小塔较长时期内地基与基础的应力应变情况、塔体地基不均匀沉降状态下的变形规律进行细致的模拟分析,找寻沉降倾斜变形的特点和规律,总结常用的纠偏加固原则、技术的适用性,提出保护三塔的对策,为三塔古建筑群的保护工程设计提供科学依据。主要研究成果可归纳为以下几个方面:1、分析总结国内外众多古塔倾斜病害形成的主要原因、现状及其纠偏加固成果,归纳了砖石古塔纠偏加固的常用解决方案。对古塔的倾斜机理分析和各种纠偏技术的调查研究,为崇圣寺三塔南北小塔倾斜成因分析及后期的纠偏方案的研究提供了理论基础。2、通过理论计算和三维有限元模拟分析研究得出,北小塔的地基不均匀沉降引起塔体倾斜占塔体总倾斜量的41.57%。南小塔的地基不均匀沉降引起的塔体倾斜占塔体总倾斜量的32.90%,由此可知塔体倾斜除地基不均匀沉降外还有其它影响因素,主要为风与地震荷载引起的塔体结构损坏导致的塔体倾斜。在引起南北小塔地基不均匀沉降的影响因素中,由于地基土层的不均匀性而引起的不均匀沉降差为主要因素,分别占66.46%、68.33%,其次为水平风荷载影响,分别占24.51%、22.84%,三因素中影响相对较小者为地震荷载。3、根据场地地质条件建立三维仿真模型,应用分析软件ANSYS,对影响地基不均匀沉降的主要因素进行模拟,分析地基中的应力应变变化规律得出:地基中粉质粘土层由于厚度差异及土性差别,在塔体及上覆垫层重力荷载作用下,相对较厚及软弱侧产生较大变形。由于沉降变形差异,地基产生不均匀沉降,导致塔体的倾斜。另外,对南北小塔地基中塑性变形区进行了模拟分析。由于有限元分析中考虑了边界条件、岩土材料的非线性及塑性应变区等影响因素,使得沉降计算结果相对更加符合工程实际。4、通过对崇圣寺南北小塔进行整体倾斜、基础的沉降与倾斜变形及塔体安全度的验算得知,南北小塔的整体及基础倾斜变形指标均已超过规范要求的允许变形值,需要对其采取措施进行纠偏加固。5、在对建筑物常用纠偏方案进行适用性分析的基础上,针对产生倾斜的影响因素,考虑南北小塔特定的场地地质条件及文物保护中所提倡的“不改变文物原状”的原则,提出了保护对策。认为大理崇圣寺南北小塔地基纠偏加固方案应偏重于软弱地基的加固,减缓或停止南北小塔继续沿倾斜最大方向发生不均匀沉降。最后提出了三种适合于本场地地基加固的方案。建议优先考虑“粉质粘土层树根桩加固+地面防渗层+排水系统”的塔基纠偏加固方案。塔体补强加固方面,可在各层塔檐与塔身结合的隐蔽部位,增设钢筋混凝土圈梁。同时将塔身、塔檐上的所有裂缝,采取压力灌浆的方法用水泥砂浆填充注实。本文研究为后期的纠偏加固保护工作提供了理论基础。本文主要创新点如下:目前,应用有限元方法建立三维实体模型,分析倾斜状态下,砖石古塔与地基的应力应变状态及沉降变形规律在国内还很少。而且,目前针对大理崇圣寺南北小塔塔基不均匀沉降变形及纠偏加固方面的研究尚属空白。同以往利用计算机模拟分析结构某一阶段、单独的模型不同,本论文在查明其不均匀沉降病害的现状、诱发因素的基础上,探讨了砖石古塔产生不均匀沉降变形的机理。针对引起不均匀沉降的主要影响因素,通过理论计算和应用有限元分析软件ANSYS进行三维仿真模拟相结合的方法,对崇圣寺南北小塔较长时期内地基与基础的应力应变情况及塔体与地基在不均匀沉降状态下的变形规律进行了细致的模拟分析,找寻不均匀沉降倾斜变形的特点和规律。总结常用的纠偏加固原则、技术方法及其适用性,提出保护三塔的对策,为三塔古建筑群的保护工程设计提供科学依据,并为今后其它古建筑加固提供了借鉴。