趙州橋為何千年不墜?原因有三點,“銅幫鐵底"老洨河很關鍵

名聞海內外的國保文物趙州橋,每天都接待大批的遊客觀光遊覽,人們在讚美它“製造奇特,人不知其所以為”的同時,對它屹立1400年餘年不墜而嘖嘖稱奇,科學家發現,這與它科學選址採用天然地基是息息相關的,直接原因有以下三點。

趙州橋為何千年不墜?原因有三點,“銅幫鐵底

一、“銅幫鐵底”老洨河

位於河北趙縣的趙州橋橫跨於洨河之上。獲鹿縣志有這樣的記載:“兩水相交謂之洨。今河在平同村與金河、蒲蓮合流,三河有交匯之意故名洨河。”經科學家勘察發現,洨河行洪的河床均為黏土或輕亞黏土構成,黏土是一種重要的礦物原料。由多種水合硅酸鹽和一定量的氧化鋁、鹼金屬氧化物和鹼土金屬氧化物組成,並含有石英、長石、雲母及硫酸鹽、硫化物、碳酸鹽等雜質。黏土礦物的顆粒細小,常在膠體尺寸範圍內,呈晶體休或非晶體,大多數是片狀,少數為管狀、棒狀。

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黏土礦物用水溼潤後具有可塑性, 在較小壓力下可以變形並能長久保持原狀,而且比表面積大,顆粒上帶有負電性,因此有很好的物理吸附性和表面化學活性,具有與其他陽離子交換的能力。

黏土的化學組成、礦物組成和顆粒組成決定著黏土的工藝性能。黏土與適量的水混合後形成泥團,在外力的作用下泥團發生變形但不開裂,外力散去後,仍能保持原有形狀不變,黏土的這種性質稱為可塑性。一股來講,可塑性強的黏土,其結合力也大。

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趙州橋下洨河段的河床均為這種可塑性強的黏土,雖然歷經上千年的洪水沖刷,從未發生過決堤,河床變化很小,人們習慣上稱洨河為“銅幫鐵底"老洨河。這是趙州橋千年不墜的重要原因之一。

二、天然地基

建造拱橋,有一個伴隨而來的技術問題,橋體在自重和荷載作用下對橋臺產生很大的水平推力,因此對橋臺結構和地基的要求也相應提高。中國的先代橋工對此並不陌生。甚有趣的是:現代工程界的人士原都猜測趙州橋的橋臺必然既大且長,無疑是長後座形式。基礎結構也應該比較複雜。人們還疑有樁基……然而,1979年的大型鑽探和人工探坑的結果表明,趙州橋採用低拱腳淺基礎、短橋臺,其橋臺是既淺又小的普通矩形,長5.8米,寬9.6米,基礎厚度僅為1.549米。

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更使參加這次鑽探工作的人們驚訝不已的是,原來趙州橋橋基處的地基土並非過去文獻所說的粗砂,而是基本承載力為3.4公斤/平方釐米的褐黃式硬型的輕亞黏土(亞黏土的承載力小於粗砂)。

此外,低拱腳、短橋臺增強了橋臺的抗傾覆能力。拱腳之上有矩形橋臺,高340釐米深400-500釐米,通體以條石砌成,壘砌工整,雕刻方齊,以與拱券傳來的巨大推力相抵。在1955年的修復工作中,曾對安濟橋的橋臺進行測量發現基礎並無大的走動跡象。

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趙州橋千餘年不墜的原因不僅僅由於對上部構造考慮的周到,而下部構造,即橋臺、基礎的設計合理恐怕也是關鍵之一。

僅用這樣小的橋臺,這在中外建橋史上實屬罕見。這不僅充分體現了中國古代匠師合理的全局性設計思想,而且也反映了他們對土壤和結構力學有一定的認識。

三、橋位得當

由於趙縣境內洨河河道斷面窄小,而且多處彎曲不直,U形和S形彎達十幾處。所以在歷史上洨河洩洪排澇能力差。常年氾濫成災,危害民眾禾稼。

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眾所周知,河流的凸岸淤積凹岸沖刷問題,是造成河流改道的重要因素。而對於橋樑來說,若選址不當,一方面會造成一側橋臺沖刷過大,橋臺基礎底部掏空甚至橋樑被毀;另一方面,很可能河流改道後,使橋樑喪失使用功能。而趙州橋的設計建造者李春經過詳細勘察洨河的地形地貌和流向,極其巧妙地利用了洨河S形的轉彎,將趙州橋放在了一個科學合理的位置。

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趙州橋上游的洨河是長約1.5公里的直行河道,再往上長約1.5公里是S形的轉彎河道,正是因為這段S形的轉彎河道,自然地迫使洨河之水的流速減緩趨穩,衝擊力大大降低。水流進人趙州橋下的直行河道後,流速更加平緩,衝擊力相對減小,正如明代張居敬《重修大石橋記》雲:“河水上流波湍,至橋下則湛然淵停,風景自殊......”明顯減弱了水流對趙州橋的平推力,避免了洪水對橋臺過度沖刷問題,提高了橋樑的安全係數,增加了橋樑的穩定性。

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