紫禁城古建筑土作技术研究
周 乾
（本文由《工业建筑》2021年3月22日网络首发）
1 引言
位于北京市中心的紫禁城（今故宫博物院前身）拥有世界上现存规模最大、保存最为完整的木结构古代宫殿建筑群。这些建筑自建成至今已600年，期间历经无数自然灾害（地震、风雪等）而保持完好，体现了良好的稳定性能。其中，紫禁城良好的地基做法是建筑整体稳定的重要前提，而地基中与土施工相关的工程技术可称为土作。紫禁城由永乐皇帝朱棣下令于永乐十八年（1420）建成，并建造在元代皇宫遗址的基础上[1]；明清时期，紫禁城内部分建筑因拆建、改建等原因而使得地基进行了重新处理。由此可知，紫禁城古建筑的地基做法含有元、明、清成分。从建筑施工指导规范角度而言，我国现存的古代官方建筑规范为宋代的《营造法式》和清代的《工程做法》。其中，《营造法式》为北宋官方颁布的一部建筑设计、施工的规范书，是我国古代最完整的建筑技术书籍，也是明代之前唯一的一部官方建筑规范[2-3]；而清雍正十二年（1734）工部颁布的《工程做法》，为清代指导建筑施工的官方规范[4]，紫禁城古建筑地基土作的营建技术，亦不可避免地受其影响。从研究现状来看，故宫内部分学者对紫禁城古建筑的地基构造和开展了调查研究，获得了紫禁城部分古建筑（遗址）的地基做法[5-7]；另有学者基于史料或科学试验方法，研究了我国古代地基的灰土施工技术及地基土的成分组成[8-10]。为全面、系统化研究紫禁城古建筑土作技术，本文在已有成果基础上，参照《营造法式》、《工程做法》中关于土作技术的相关规定，结合相关史料和现场调查的资料，对紫禁城古建筑土作技术开展分析研究，相关成果可为我国古建筑保护修缮提供理论参考。
2 土作技术
2.1 地基类型与埋深
紫禁城古建筑的地基类型可从史料及现场调查结果中获取。明代工部郎中萧洵在《故宫遗录》中记载了自己于洪武元年（1368）奉命拆除元皇宫，并记载了元代皇宫被拆除前的壮丽场景[11]。从故宫近20年来做的地基调查来看，部分已发掘的宫殿遗址地基做法均为满堂红[5-7]，即建筑遗址所在的整个区域均为人工填土层，部分有地下水的区域还设有木桩层。故宫博物院考古人员在近年的院内陆下考古研究中，发现了紫禁城古建筑地基土中含有元代遗留的建筑构件及土层[12-13]。另有研究表明，位于紫禁城北面的景山为紫禁城营造时期挖护城河泥及拆除元皇宫旧址土渣堆积而成[14]。由上述分析可知，紫禁城建筑的地基建于元皇宫遗址上，属于满堂红（俗称“一块玉”）类型。
另已发现的紫禁城古建筑基础埋深多为3m左右（无地下水处理情况时）[5,7]，属于浅基础。分析认为，紫禁城古建筑相对现代建筑而言，一般比较低矮，且属于木结构承重体系，建筑重量较轻，对地基产生的压力较小，而建筑又多建造在元代皇宫遗址上（基底已前期处理），因而地基埋深可满足承载力要求。另宋《营造法式》卷三规定基础的埋深应满足“其深不过一丈，浅止于五尺或四尺”[2]，即埋深在1.28m(4尺，1营造尺≈0.32m)至1丈(3.2m)之间，紫禁城古建筑基础埋深符合上述规定。
2.2 地基做法
《营造法式》卷三之《壕寨制度》规定了基坑回填土的做法为：“并用碎砖瓦石札等，每土三分内添碎砖瓦等一分”[2]，即开挖后的基础采取均匀密实的碎砖层和灰土层交错回填夯实，砖层厚度与土层厚度比约为1：3。从已发现的紫禁城外的元代地基做法来看，其又多受到《营造法式》的影响。如山西省运城市芮城县永乐宫其地基做法碎砖瓦与黄土的交替分层做法，其中碎砖瓦的厚度为0.05m，黄土的厚度为0.1m，与《营造法式》规定做法接近[15]；明初建造紫禁城时，其建筑技艺仍不可避免地受到元代建筑的影响。从近年来发掘到的紫禁城古建筑地基来看，其分层做法多为灰土与碎砖的交替分层，其中灰土层的厚度约为0.1—0.3m；碎石层厚度约为0.05—0.1m[5,7,12]。如2014年8月，在基础设施建设过程中，故宫考古人员发掘东城墙南段内侧的墙基及下部夯土基础（部分），其中开挖到的夯土基础总厚度约1.75m，由灰土及碎砖各5层组成，灰土层厚度平均厚度约为0.25m，碎砖层平均厚度约为0.09m（图1）。又如2015年4月的地下消防管线施工过程中，工程技术人员开挖到武英殿东侧十八槐建筑遗址地基（图2），开挖深度均为2.0m左右。地面杂填土深度约为0.5m，往下均为一层灰土、一层碎砖的交替做法，每层厚度均为0.1m左右。其中，碎砖层采用尺寸不一的碎砖填实，大粒径的碎砖外径可达0.1m，而小粒径的碎砖几乎呈粉末状。碎砖层初次暴露在空气中时，呈现出类似新砖的青色，随后逐渐变红，分析认为是青砖里的部分氧化亚铁（黑色）氧化后生成氧化铁（红棕色）[16]。文献[5]亦描述了紫禁城地下灰土被开挖后的颜色变化，即由潮湿的黄色逐渐变得泛白，可反应灰土材料在空气中被氧化的过程。
图1 东城墙基础分层
图2 十八槐区域基础分层
另紫禁城部分建筑地基采用的是纯灰土基础，如景运门以南的建筑遗址地基就由4层灰土组成，每层厚度0.1-0.4m不等[6]。需要说明的是，明代初期灰土就应用于地基施工，如筑于明代初期的北京城墙自地平以下约1.8m起，底槽夯实后打灰土（生石灰与土的体积比不低于3：7）5层，每层平均厚度为0.16m，其上砌筑条石，再上面则为城墙[5]。
2.3 灰土层施工技术
地基土回填的均匀密实是上部建筑稳定的重要保障，因而极其受到古代工匠的重视。灰土部分回填的主要工具有木夯（图3左）、铁硪（图3中）、拐子（图3右）等。清代《工程做法》有着详细的规定，将回填土的夯实方式分为小夯、大夯两种做法，以木夯头直径尺寸、用夯把数、夯实质量等要求来区分，其中，小夯夯头直径约为0.096m（0.3营造尺），可分为二十四把夯、二十把夯、十六把夯三种夯筑形式，主要用于宫殿、陵寝灰土夯筑，；大夯夯头直径约为0.192m，多为五把夯形式，主要用于城池、普通房舍或地面的夯筑。在这里，“把”是指在夯位夯打的次数。二十四把小夯回填的方式最为严格，其用工多（所需夯夫硪夫多达40人）、石灰用量大、工序复杂，在紫禁城清代地基营建的运用可能性较大，且与明初紫禁城营建时地基灰土层做法有着密不可分的关系。
图3 小夯主要工具
参照《工程做法》及明清灰土工程施工经验[17-18]，可得二十四把小夯灰土的主要施工工序及技术要点为：
第1步：大硪拍底1-3遍。所谓“硪”，即砸实地基或打桩等用的一种工具，可为铁质或石质，按重量可分为小硪（8人用，重42kg）、中硪（16人用，75kg）、大硪（24人用，137kg）。大硪通常做成圆饼形，周边用多根绳索引出，以便多人齐力抬起拍实回填土。由于大硪质量本身较大，再辅以较大的竖向的外力作用，对回填土产生拍打力较强，有利于回填土的初步夯实。
第2步：灰土拌匀下槽。灰土又称三合土，由生石灰与黄土过筛子后按约为4：6的比例混合而成。紫禁城古建筑的灰土与碎砖交替分层，一层称为“一步”。在灰土回填过程中，每步虚铺0.224m（0.7营造尺），夯实后为0.16m（0.5营造尺）。
第3步：夯打三遍，头夯冲开海窝，二夯筑银锭，余夯跟随冲沟。头夯即第一次夯实回填土，俗称“冲海窝”，见图4的标记①。每个夯窝（海窝）的距离为0.096m（0.3营造尺），每个夯窝夯打24下。在此基础上，选择头夯海窝间的间隙进行第二次夯打，见图1中的标记②，每个间隙打24次。该间隙类似银锭形，因而二夯被称作“筑银锭”。随后，在前2次夯窝的间隙上进行第三次夯打，每个间隙夯打24次，见图1中的标记③。由于第三次夯打的位置为前两次位置的间隙，且夯打后基本上使得整个地基回填土得到了夯实，因而又被称为“冲沟”、“跟溜打平”或“剁梗”。
图4 夯打顺序示意图
第4步：取平落水压渣子。“取平”即用铁锹把上一步打夯后的灰土拍平整，“落水”即在灰土上洒水，“压渣子”即在灰土表面撒一些磨细的砖渣。“取平”的主要目的是保持地基土平整，便于后续夯筑施工的开展。“落水”的主要目的是保持灰土有一定的湿度，灰土中的生石灰具有吸水能力，且吸水后强度增大，有利于提高石灰与黄土的粘结力。另外，虚土夯实后注适量水，体积膨胀，随后继续夯实，使得灰土密实，形成“一块玉”的效果。“落水”时，洒水量以底层的灰土洇湿为准，且一般选择在晚上进行，一方面有利于施工组织，另一方面有利于未熟化的生石灰颗粒充分熟化。“压渣子”的主要目的是避免灰土中的水分含量较多时，后续夯筑时灰土粘住夯底的问题，且在一定程度上可提高灰土的硬度。
第5步：起平夯、高夯乱打各一遍。所谓平夯，就是打夯时将夯举起到胸部位置。所谓高夯，就是将夯举起到头顶高度。“乱打”是相对前面步骤的夯打方式而言，该步骤的夯打回填土没有严格的夯窝位置要求，以目测适宜的夯位为准。
第6步：取平，旋夯三遍。“取平”即把上一步骤夯后的土用铁锹铲平；“旋夯”即打夯时，夯夫跳起，旋转落下，其主要目的是增加夯底对回填土的冲击力，并在一定程度上增大每次夯实的面积。旋夯三遍俗称“三回九转”，且在第二、三次旋夯前，需要压渣子、打拐眼、落水、打平夯各一次，以增加夯土的密实度。其中，打拐眼即用拐子用力旋转下压夯土，使其表面出现拐眼（圆坑）。拐眼无需成行成列，其在夯土上的分布犹如满天流星，因而又俗称“流星拐眼”。打拐眼实际相当于用更小的夯来夯实回填土，不仅有利于灰土更加密实，而且使得上下层灰土之间挤压咬合，提高地基整体承载力。
第7步：起高硪2遍。施工时，用24人大硪，由领硪者指挥，众人同时牵动绳子，将硪上抛过头顶，并保持硪顶面水平，然后使硪自由下落，拍在夯土上。起第一遍硪要求“一硪挨一硪”，即每个夯窝紧密相连（图5左）；起第二遍硪时要求“一硪压一硪”，分4次压实第一遍夯窝（图5右）。由于硪本身重量就很大，且采用2遍5次拍打夯土的方式，有利于进一步压密实灰土地基。
图5 铁硪分位示意图
以上为每步灰土回填的工序，至少包括使硪2次、使夯3次，即古建行业中“三夯两硪”质量要求最高的灰土做法，因此回填后的灰土基础极其牢固。对于顶步灰土回填施工而言，上述步骤还需增加“串硪”，其做法为：将硪斜向拉起离地面0.5m左右，然后使其自由下落。“串硪”的主要目的是将灰土表面“压光”，便于后续的放线施工。
2.4 碎砖石层施工技术
紫禁城地基的明代早期做法多含有碎砖石层。从已发现的紫禁城地基做法来看，碎砖应用于地基的形状多样、尺寸大小不一，这有利于细小粒径的碎砖填充于大块粒径的碎砖间隙中，使得整个碎砖层密实。《营造法式》之《壕寨制度》“筑基之制”部分规定了碎砖、夯土层的施工技术要点[2]：“每方一尺，用土二担；隔层用碎砖瓦及石札等，亦二担。每次布土厚五寸，先打六杵，二人相对，每窝子内各打三杵；次打四杵，二人相对，每窝子内各打二杵；次打两杵，二人相对，每窝子内各打一杵。以上并各打平土头，然后碎用杵碾蹑令平；再撵杵扇扑，重细碾蹑。每布（步）土厚五寸，筑实厚三寸。每布（步）碎砖瓦及石札等厚三寸，筑实厚一寸五分”。其中，“担”为重量单位，每步（层）夯土与碎砖所用重量相同，其密度相近[19]，因而体积相近；每步灰土虚铺厚度约为0.16m（1寸=0.1营造尺≈0.032m），夯实后的厚度约为0.096m；每步碎砖石的虚铺厚度为0.096m，夯实后的厚度约为0.048m。由此可知，夯土层夯实后压缩量大于碎砖层，其主要原因在于碎砖硬度较夯土大。另上述规定说明了碎砖及夯土层夯筑的施工均采用杵进行，工序共分6步，即（1）两人对着夯窝，各夯打3次，合计6次；（2）两人对着夯窝，各打2次，合计4次；（3）两人对着夯窝，各打1次，合计2次。前3步每步都要将夯土表面夯打平整。（4）来回夯打使整个地基表面平整，其中“碾蹑”即来回夯打之意；（5）进行多次的小幅夯打，其中“扇扑”为小幅度夯打之意[20]；（6）再来回进行更为细致的夯打，并使得地基表面平整。上述步骤说明：对于夯土层和碎石层，其施工过程由至少6次夯打组成；夯打方式是首先固定夯窝进行夯打，再在整个地基层进行夯打；对于固定夯窝而言，每次夯打遍数逐渐减少，使得碎砖石（夯土）达到初步夯实—挤紧—密实的效果；对于整个地基层而言，至少分3次进行整体夯打，且由于每个夯窝已经夯实，因此仅需小幅夯打，一方面对原有夯窝之间的间隙进行补夯，巩固其密实度，另一方面使整个地基层达到统一的平整度和密实度。另碎砖石在多次夯打中可能进一步碎化，这有利于碎砖层本身的密实，部分碎砖还可嵌入夯土层中，产生咬合效果，有利于地基层保持整体稳固性。上述回填方法可作为紫禁城碎砖石层地基施工技术的参考。
为什么上述紫禁城古建筑的早期地基并非全部为灰土分层做法，而是做成“一层灰土、一层碎砖”的交替分层做法形式呢？分析认为，这反映了我国古代工匠的智慧。由土力学基本理论可知，均匀分层的地基土有利于避免上部建筑物的不均匀下沉。然而，纯灰土地基由石灰与黄土混合而成，材料一般比较松软，其韧性强就意味着硬度较低。当上部建筑传来的竖向荷载较大时，尽管建筑会均匀下沉，但下沉量过大会影响建筑的有效使用。相比而言，碎砖的硬度远大于灰土，且大部分属于烧窑或砌墙用的残余料。在灰土层中均匀、交替地布置碎砖层，不仅有效地使用了建筑材料，而且减小了古建筑的沉降量，地基整体的强度也得到了提高，且仍具有一定的韧性[21]。
3 地下水处理
紫禁城所在的场地有地下水。北京市勘察设计研究院基于地质勘探和地球物理勘探手段相结合的方法，于1993年4月-10月对紫禁城的工程地质情况进行了勘探，结果显示紫禁城地下层间水位埋深为地面以下14.8—18.0m，来源为大气降水垂直渗入及西北部山区基岩水的补给；另局部地区有上层滞水，埋深为地面以下1.65-4.80m，主要来源为大气降水和内金水河河水渗入[6]。紫禁城初建时，当建筑建造在上述位置时，古代工匠则多在填土层之下采用木桩[7,21]，而宋《营造法式》和清工部《工程做法》将木桩称为“地丁（钉）”[2,17]。近年来，紫禁城部分地下区域因为消防及通讯管线施工而被开挖，部分桩基础的做法亦有机会得以发现。
紫禁城古建筑桩基础用桩主要包括水平桩和竖桩，其中竖桩可穿透软弱土层，并使得桩尖抵达坚硬的岩石层。一方面，桩对周围土体具有侧向挤压作用，减小土体的孔隙体积，降低土的收缩性，并通过桩与土体间的摩擦挤压来提高地基承载力[22]；另一方面，岩石层作为持力层可避免上部建筑的不均匀沉降。如慈宁花园东侧建筑在明代为司礼监，现仅存遗址。遗址的基础在2014年故宫博物院地下消防管线施工时开挖呈现。由于在考古发掘其间北京地区并没有下雨，而基坑能却有水积存，因此可以推断该位置有地下水或渗水软土层。该位置基础由上到下的分层做法特点为（图6）：灰土层与碎砖层交替向下延伸(即一层灰土一层碎砖)，每层各厚0.1m，共分18层，合计3.6m；在最下层分层土之下，为0.16m厚青石板一层；再往下分别为纵横向水平桩各一层及竖桩(长度未知)。水平桩及竖桩材质均为柏木，桩径均为0.25m，竖桩间距为0.4m左右。水平桩的端头有立桩护栏，以防止水平桩滚动。竖桩之间的间隙用碎砖灰填实，以加固地基，防止竖桩错动。在这里，建筑上部的重量通过青石板均匀地传给水平桩，再由水平桩传至各竖桩，最后由竖桩传到岩石层上。其中，青石板提供了一个稳定的支撑平台，可以减小地基沉降，并使得其沉降均匀[23]。水平纵横向桩是竖桩与青石板之间的合理过渡，并构成类似筏形基础，不仅有利于避免青石板直接承受竖桩传来的点荷载，而且还在顶部形成两个摩擦力极小的水平面，在发生地震的时候有利于上部建筑产生隔震效果[24-25]。竖桩则实现了上部建筑荷载的有效传递，使之到达坚硬的持力层。另前朝三大殿（太和殿、中和殿、保和殿）[26]、西华门马道[27]工程施工时发现的桩基础做法与慈宁花园东遗址桩基础类似。
(a) 基坑内
(b) 木桩与石板
(c) 竖向分层构造示意图
图6 慈宁花园东侧基础遗址
当建筑功能极其重要、基础埋深较大，且建筑下部有地下水时，古代工匠使用了卵石层。如1977年中和殿安装避雷针时，工程技术人员勘察到了中和殿室内陆面至地下15.6m深度的地基做法[26]，见图7。由图7(b)可知，在室内陆面以下6.0m至12.7m深度时，地基做法为灰土—卵石—碎砖交替层；再往下则为水平及竖向木桩层，其中在-14.1m位置附近有水平桩，-14.9m以下有黄土（老土），且该位置竖向木桩深度未知。由于前朝三大殿地基为一个整体，因而上述地基做法可反映其地基特征。分析认为：古代工匠在建造三大殿地基时，考虑稳定性需要，考虑采用卵石来处理地下水问题。卵石层透水性能较好，填筑密度大，抗剪强度高，承载力对水位变化不敏感，因而有利于上部建筑的稳定，并可产生一定的隔震效果[28]。
(a) 三大殿侧立面
(b) 地基分层做法
图7 中和殿地基资料
《营造法式》卷三《壕寨制度·筑临水基》部分，规定了靠近河水旁边的建筑地基施工需设桩基础，其中竖桩长度为1丈7尺（1丈=10尺，1尺=10寸，1寸≈0.032m，此处桩长约为5.44m），桩径5-6寸（0.16-0.19m）[2]。由于紫禁城古建筑地基为明代所建造，其做法不可避免地受到《营造法式》地影响，因而上述规定为紫禁城古建筑地基竖桩尺寸的信息提供了参考资料。
关于紫禁城古建筑地基的竖桩排列方式，目前尚无详实的资料。但紫禁城古建筑地基均为“一块玉”（满堂红）做法，而清代建筑工程中“一块玉”地基下的竖桩多为“棋盘式”布置方式[8]，即地基灰土层以下满布水平及竖桩，竖桩间距根据工程需要确定。另同样作为皇家建筑工程的南京明故宫午门，工程技术人员在长约15m的城墙基础下挖出木桩1700余根[29]；河北易县清崇陵（光绪帝及隆裕太后合葬墓）隆恩殿，其地基下的木桩达1.3万余根[15]。依据上述工程实例，亦可推断出紫禁城古建筑桩基础为棋盘式布置方式。
紫禁城古建筑桩基础所用木料多为柏木，而文献[30]归纳出北海、圆明园、摄政王府等皇家建筑工程大量使用了柏木桩基础（地丁）。这与柏木的优质材料特性相关[31]：柏木木质坚韧耐腐蚀，含多种防腐、杀菌物质；其中，挥发油可杀虫，树脂的化学成分有树脂酸类、醇类、羟类等，有利于防腐。
竖桩在施工时，由于桩身较长，且需要克服与地下泥土之间地摩擦挤压力方可使桩尖抵达岩石层，因而古代工匠多搭设硪盘架子（图8），采用定滑轮释放铁硪的方式来将竖桩打入地下，具体操作方式为[8]：在桩基础位置搭设竹木脚手架，一人站在脚手板上，竖拿铁杆，杆身穿过铁硪中心，杆下端做成套顶形式，套在桩顶，以防止桩顶被铁硪击坏。铁硪中心预留孔，套在铁杆内，以避免击打在桩顶上时作用力方向偏移。铁硪一端悬空，以利于自由落体击打桩顶，另一端用绳索通过定滑轮被站在地面的施工人员牵引。需要说明的是，定滑轮可以改变力的方向，有利于施工人员施加作用力，我国古代工匠很早就知道其应用方法，如战国科学家墨子所著《墨经·经说下》就有“绳掣挈之”的记载[32]，即当上提重物困难时，可用绳子跨过定滑轮（挈楹）来往上拉[33]。
图8 硪盘架子
4 胶凝材料
紫禁城古建筑地基有良好的承载能力，除了碎砖、黄土外，能将这些材料粘接在一起的胶凝材料亦起到重要作用[34]。紫禁城古建筑土作工程中掺入的胶凝材料主要包括生石灰、糯米、桐油、白矾等，其建筑功能分析如下：
（1）生石灰：紫禁城古建筑的基础中掺有灰土，且施工做法多为三七灰土基础。三七灰土是一种以生石灰、粘土按3:7的质量比例配制而成具有较高强度的的建筑材料，在我国有悠久历史。比如南北朝公元6世纪时，南京西善桥的南朝大墓封门前地面即是灰土夯成的。这种灰土基础的优点在于，生石灰遇水生成熟石灰，强度增大，即基础的吸水性很强，有利于在潮湿的环境中使用。灰土基础本身的粘结强度比较高，适合于承受上部建筑传来的重量，而不会产生土体松散[35]。另石灰是一种易于获得的建筑材料，我国在公元前7世纪开始使用石灰。宋代医学家苏颂所著《本草图经》载有：“石灰，今所在近山处皆有之，此烧青石为灰也。又名石锻，有两种：风化、水化”[36]。在这里，“青石”即为石灰岩；“风化”即将煅烧后的石灰石直接暴露空气中，空气中的水分及二氧化碳使得其产生自然消化；“水化”则是将煅烧后的石灰石加足量的水，使其产生消化。由此可知，生石灰取材方便，加工加单，使用效果好，因而在古建筑基础中大量使用。
（2）糯米：糯米又称江米，属于稻的粘性变种，外观为不透明的白色，与稻米的主要区别在于它所含的淀粉中以支链淀粉为主，含量达95-100%，因而具有很好的粘性[37]。糯米的粘性不仅用于食品加工，而且在我国古代建筑工程中得到了运用。上个世纪末，故宫古建筑维修工程中，曾发现几处元、明时期遗留下来的旧房基础，做法与《营造法式》规定相仿，基础中不仅含有石灰，而且还有白色米粒，且见风变硬，表面泛有一层白霜，抗压强度犹如现行标准砖[17]。尽管没有证据证明白色米粒即为糯米，但可以稻米类植物的粘性已被古人利用加固地基。近年有研究人员通过对故宫内慈宁花园、长春宫怡情书史、养心殿燕喜堂三处位置的建筑灰浆进行取样分析，发现了其中有糯米的成分[10]，可说明紫禁城建筑工程中运用了糯米材料。另明清古建基础施工中有灌糯米浆(江米汁)的施工的传统做法[38]，即把煮好的糯米汁掺上水和白矾以后，泼洒在打好的灰土上。其中，江米和白矾的用量为：每平方丈(10.24平方米)用江米225克，白矾18.75克。载录于光绪初年（1875）的《惠陵工程记略》中的《看小夯做法规矩》，详细地记载了清代皇家惠陵工程地基土小夯灰土施工的技术要点，其中第二步灰土施工要求“趁湿打流星拐眼一次，泼江米汁(糯米汁)一层。水先七成为好掺江米汁，再洒水三成，为之催江米汁下行，再上虚，为之第二步土，其打法同前”[39]，即第一步灰土施工夯实后、第二步灰土施工前，在拐眼上分撒两次水，第一次为7成水并掺有糯米汁，第二次为3成水，以利于糯米汁渗入灰土中。上述分析说明，紫禁城古建筑基础中掺入糯米的可能性很大。另有研究表明[40-41]：掺入糯米的灰浆具有强度大、韧性好、防渗性好、防腐性好等优点，其主要原因在于：糯米的主要成分支链淀粉为树枝型分支结构的多糖大分子，黏性很强，其空间形态交错有序，形成吸引力很大的空间网格，可限制Ca(OH)2与CO2的反应，对CaCO3方解石结晶体（灰土中的石灰）的大小和形貌也有调控作用，有利于结晶体的致密；糯米可以很好地粘接碳酸钙晶粒并填充其微孔隙；与糯米反应不完全的石灰又能抑制细菌的滋生，使得糯米成分长期不腐。由此可知，掺入糯米后的灰土基础，其强度和韧性均得到了巩固和提高。
（3）桐油：是一种植物蛋白胶，生桐油一般通过冷榨3-4年的桐树籽得来，外观呈浅棕黄色，清澈透明，熬制后成为熟桐油。熟桐油具有防水、防潮、耐老化、耐腐蚀和胶结性能[42]。我国古代工匠有利用桐油来对木材表明进行防腐、防渗处理的做法。如明代科学家徐光启所著《农政全书》之卷三十八载有“将青松斫倒去枝，于根上凿取大孔，入生桐油数斤，待其渗入，则坚久不蛀”，即在木材内部注入桐油，可达到防腐效果；明代科学家宋应星所著《天工开物》之《卷中》载有“凡船板合隙缝以白麻斫絮为筋，钝凿扱入，然后筛过细石灰，和桐油舂杵成团调艌”，即古代工匠在造船时，为防止板缝漏水，首先用麻塞入船缝，再用石灰与桐油的混合物抹实，以达到防渗的效果。紫禁城古建筑的木构件表面在油饰彩画施工前会做地仗层，地仗为砖灰、桐油、麻、猪血、腻子等材料的混合物，可起到保护木材表面免受雨淋虫蛀的效果[43]。另明清土作工程中，重要宫殿建筑的基础防潮处理方式为：采用生石灰、黄土、碎砖及桐油的混合物，其中桐油与生石灰的重量比为5：100，夯实后的土层即可达到防潮效果[38]。紫禁城地下水比较丰富，古代工匠在有地下水位置夯打土层时，会在土层下使用木桩。从发现的几处地下木桩层来看，木桩表面虽然很潮湿，但并无糟朽现象，这与其表面刷有具有良好防腐、防渗性能的桐油相关[7,30,44]。分析认为：桐油是一种有毒性的高分子植物，渗入木材内部后，能阻止菌虫生长繁殖，因而可起到防腐作用[45]；另桐油易于在泥灰类粘接材料表面发生包裹作用并填充与颗粒间的空隙，完全阻隔了粘接材料颗粒与空隙水之间的相互作用，使得水分更容易散失，因而起到防潮防渗作用[46]。
（4）白矾：白矾别名明矾、矾石、羽涅、羽泽、理石、白君等，由硫酸铝钾类矿物明矾石加工提炼而成。白矾是我国传统中药药材之一，内服有止血止泻、祛除风痰的功效，外敷则有解毒杀菌、燥湿止痒的功效，我国最早的中药学著作《神农本草经》之《上经》部分即载有白矾具有“主寒热泄利，白沃阴蚀，恶创，目痛，坚筋骨齿。炼饵服之，轻身不老，增年”等功能。紫禁城在营建过程中，其土作工程中掺入白矾，增强了建筑的稳定性和耐久性。如前述掺有糯米汁的灰土基础中，还掺入了白矾。现代科学研究表明[47]：明矾掺入灰土中后，形成钙矾石，其固相体积膨胀对糯米灰浆的干燥收缩起了一定补偿作用，因而有利于提高灰土的抗压强度、耐水性能和耐冻融性能。紫禁城古建筑地基的木桩层之上，有条石层，其铺墁所用灰浆多含有白矾。《工程做法》卷五十二载规定了汉白玉、青白石等石材铺墁时，石材与基层接缝处灌浆的灰浆材料为“宽一尺长一丈（石材）用白灰（生石灰）六十斤、江米（糯米）三合、白矾六两”，此处“合”为体积单位，为一升的十分之一。掺入白矾的灰浆材料不仅有使得石材与基层牢固结合，还有防水效果。
5 结论
本文基于对紫禁城古建筑土作技术的研究，得出以下结论：
（1）紫禁城古建筑地基多为满堂红做法的浅基础；受《营造法式》相关规定影响，明代早期地基做法多为碎砖、灰土交替分层；根据《工程做法》要求，清代地基多为灰土分层做法；上述地基的土作工程工序复杂，工艺要求苛刻。
（2）紫禁城古建筑地基在有地下水位置采用水平与竖向木柱，其中竖桩的施工采用硪盘架子进行；部分极其重要的宫殿地基内还含有卵石层，以利于透水。
（3）紫禁城地基土中掺有灰土、糯米、桐油、白矾等胶凝材料，对提高地基土的强度、粘结性、防渗性等物理力学性能起到了重要的作用。
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