赵州桥为何千年不坠?原因有三点,“铜帮铁底"老洨河很关键

名闻海内外的国保文物赵州桥,每天都接待大批的游客观光游览,人们在赞美它“制造奇特,人不知其所以为”的同时,对它屹立1400年余年不坠而啧啧称奇,科学家发现,这与它科学选址采用天然地基是息息相关的,直接原因有以下三点。

赵州桥为何千年不坠?原因有三点,“铜帮铁底

一、“铜帮铁底”老洨河

位于河北赵县的赵州桥横跨于洨河之上。获鹿县志有这样的记载:“两水相交谓之洨。今河在平同村与金河、蒲莲合流,三河有交汇之意故名洨河。”经科学家勘察发现,洨河行洪的河床均为黏土或轻亚黏土构成,黏土是一种重要的矿物原料。由多种水合硅酸盐和一定量的氧化铝、碱金属氧化物和碱土金属氧化物组成,并含有石英、长石、云母及硫酸盐、硫化物、碳酸盐等杂质。黏土矿物的颗粒细小,常在胶体尺寸范围内,呈晶体休或非晶体,大多数是片状,少数为管状、棒状。

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黏土矿物用水湿润后具有可塑性, 在较小压力下可以变形并能长久保持原状,而且比表面积大,颗粒上带有负电性,因此有很好的物理吸附性和表面化学活性,具有与其他阳离子交换的能力。

黏土的化学组成、矿物组成和颗粒组成决定着黏土的工艺性能。黏土与适量的水混合后形成泥团,在外力的作用下泥团发生变形但不开裂,外力散去后,仍能保持原有形状不变,黏土的这种性质称为可塑性。一股来讲,可塑性强的黏土,其结合力也大。

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赵州桥下洨河段的河床均为这种可塑性强的黏土,虽然历经上千年的洪水冲刷,从未发生过决堤,河床变化很小,人们习惯上称洨河为“铜帮铁底"老洨河。这是赵州桥千年不坠的重要原因之一。

二、天然地基

建造拱桥,有一个伴随而来的技术问题,桥体在自重和荷载作用下对桥台产生很大的水平推力,因此对桥台结构和地基的要求也相应提高。中国的先代桥工对此并不陌生。甚有趣的是:现代工程界的人士原都猜测赵州桥的桥台必然既大且长,无疑是长后座形式。基础结构也应该比较复杂。人们还疑有桩基……然而,1979年的大型钻探和人工探坑的结果表明,赵州桥采用低拱脚浅基础、短桥台,其桥台是既浅又小的普通矩形,长5.8米,宽9.6米,基础厚度仅为1.549米。

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更使参加这次钻探工作的人们惊讶不已的是,原来赵州桥桥基处的地基土并非过去文献所说的粗砂,而是基本承载力为3.4公斤/平方厘米的褐黄式硬型的轻亚黏土(亚黏土的承载力小于粗砂)。

此外,低拱脚、短桥台增强了桥台的抗倾覆能力。拱脚之上有矩形桥台,高340厘米深400-500厘米,通体以条石砌成,垒砌工整,雕刻方齐,以与拱券传来的巨大推力相抵。在1955年的修复工作中,曾对安济桥的桥台进行测量发现基础并无大的走动迹象。

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赵州桥千余年不坠的原因不仅仅由于对上部构造考虑的周到,而下部构造,即桥台、基础的设计合理恐怕也是关键之一。

仅用这样小的桥台,这在中外建桥史上实属罕见。这不仅充分体现了中国古代匠师合理的全局性设计思想,而且也反映了他们对土壤和结构力学有一定的认识。

三、桥位得当

由于赵县境内洨河河道断面窄小,而且多处弯曲不直,U形和S形弯达十几处。所以在历史上洨河泄洪排涝能力差。常年泛滥成灾,危害民众禾稼。

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众所周知,河流的凸岸淤积凹岸冲刷问题,是造成河流改道的重要因素。而对于桥梁来说,若选址不当,一方面会造成一侧桥台冲刷过大,桥台基础底部掏空甚至桥梁被毁;另一方面,很可能河流改道后,使桥梁丧失使用功能。而赵州桥的设计建造者李春经过详细勘察洨河的地形地貌和流向,极其巧妙地利用了洨河S形的转弯,将赵州桥放在了一个科学合理的位置。

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赵州桥上游的洨河是长约1.5公里的直行河道,再往上长约1.5公里是S形的转弯河道,正是因为这段S形的转弯河道,自然地迫使洨河之水的流速减缓趋稳,冲击力大大降低。水流进人赵州桥下的直行河道后,流速更加平缓,冲击力相对减小,正如明代张居敬《重修大石桥记》云:“河水上流波湍,至桥下则湛然渊停,风景自殊......”明显减弱了水流对赵州桥的平推力,避免了洪水对桥台过度冲刷问题,提高了桥梁的安全系数,增加了桥梁的稳定性。

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