ＰＳ材料加固交河故城土體試驗研究

內(nèi)容摘要：交河故城病害的成因主要是風(fēng)化作用，本文選用PS材料對交河故城土體進(jìn)行了加固試驗，對原狀土和重塑土PS加固前后進(jìn)行力學(xué)強度測試和抗風(fēng)蝕能力測試。試驗結(jié)果表明PS加固交河故城土體后，其物理力學(xué)參數(shù)都能得到明顯的改善，抗風(fēng)蝕能力也得到明顯提高，證明交河故城土體適于用PS材料進(jìn)行表面防風(fēng)化加固。

關(guān)鍵詞：PS材料；交河故城；加固試驗；風(fēng)蝕

中圖分類號：K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-4106(2007)05-0032-04

千百年來，由于受環(huán)境諸因素，特別是強烈的風(fēng)蝕和雨蝕的影響，使新疆吐魯番交河故城遺址產(chǎn)生了多種地質(zhì)病害，如裂隙、沖溝發(fā)育，危土體坍塌，墻面風(fēng)化剝離等對遺址造成嚴(yán)重破壞。所以對交河故城土體進(jìn)行研究，探討其加固原理就有非常重要的意義。

PS材料經(jīng)過敦煌研究院多年來的研究和應(yīng)用，已經(jīng)在多處土遺址加固工程中發(fā)揮了巨大的作用，如寧夏西夏王陵、甘肅玉門關(guān)、河倉城、破城子、高昌故城等。實踐證明，PS材料用于土質(zhì)文物具有良好的效果。為了更好地將其應(yīng)用于交河故城的保護加固工程中，本文對交河故城土體的物理力學(xué)性質(zhì)和PS材料加固效果進(jìn)行了初步的研究。

一 交河故城土體的性質(zhì)

交河故城本體土的類型有四種：生土、夯土、垛泥和土坯。本試驗選取前三種土作為研究對象，三種土在物理力學(xué)性質(zhì)上有較大的差別，通過大量的室內(nèi)常規(guī)試驗得出交河故城土的基本物理性質(zhì)如表1所示。

可以看出，交河故城土體的類型不同，導(dǎo)致其基本性質(zhì)也有所差別，生土建筑是在原狀土中直接開鑿而成的，屬天然土，所以其土體性質(zhì)波動范圍較大，而夯土和垛泥都具有特殊的施工工藝，所以其性質(zhì)相對較單一。從表中還可以看出，夯土的性質(zhì)與垛泥相比較好一些，這與兩種土的建造工藝的差異有關(guān)。

二 交河故城土PS加固試驗

試驗選用交河生土和垛泥作為研究對象，用PS材料對其原狀土和重塑土樣進(jìn)行加固，測試其物理力學(xué)性質(zhì)，對比加固前后的結(jié)果，得出其加固效果。

1、試樣的制取

①原狀樣

將交河故城現(xiàn)場取的土樣切割成大小統(tǒng)一的立方體，本試驗為5cm×5cm×5cm的立方體，詳細(xì)測量每塊試樣的尺寸和重量。在室溫條件下自然養(yǎng)護至干待測。

②重塑土樣

參照交河故城土的天然密度，試驗選取1.5g/cm³、1.6g/cm³、1.7g/cm³三種密度進(jìn)行制樣。將原狀土用粉碎機粉碎，過5mm的篩子，一般按10％的含水量充分拌勻，裝入塑料袋密封過夜，使其充分浸濕。

定量稱取備好的濕土，裝入7.07cm×7.07cm×7.07cm立方體模具，在WE-30型液壓式萬能材料試驗機下壓制，之后用脫模機脫模。將試樣放在室內(nèi)一定時間自然風(fēng)干養(yǎng)護，風(fēng)干時間可控制半個月，并稱試樣質(zhì)量，風(fēng)干的指標(biāo)含水量控制在2.0％左右。

2、PS材料加固方案

試驗采用模數(shù)為3.8的PS溶液，采用濃度分別為3％、5％、7％和10％。試驗方案分為以下幾種：①未用PS加固。②3％濃度PS溶液噴灑第一次、5％濃度PS溶液噴灑第二次、7％濃度PS溶液噴灑第三次。③5％濃度PS溶液噴灑三次。④7％濃度PS溶液噴灑三次。⑤10％濃度PS溶液噴灑三次。

3、試驗結(jié)果分析

(1)抗壓、抗拉強度試驗

①原狀土

將原狀土用5％濃度PS溶液噴灑三次，每次噴灑時間間隔為24小時，全部噴灑完畢后在室內(nèi)養(yǎng)護至自然風(fēng)干，測試其單軸抗壓和抗拉強度，選取典型的土樣JH-029、JH-030、JH-011和JH-012，其測試結(jié)果如表2。

可以看出：經(jīng)過PS材料加固后，生土和垛泥的強度得到了明顯的提高，提高幅度120％-180％，生土的強度要高于垛泥。

②重塑土

分別對密度為1.5g/cm³、1.6g/cm³、1.7g/cm³的重塑土樣進(jìn)行PS加固，采用與加固原狀土同樣的方式，加固后測試其PS固含量和強度(見表3、4、5)。

從表3、4和5可以看出：土的密度越小，吸收PS溶液的能力越強，經(jīng)PS加固后，重塑土的抗壓和抗拉強度明顯增大，最大可提高約1.6倍。

(2)抗風(fēng)蝕試驗

抗風(fēng)蝕能力測試在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)研究所的寧夏沙坡頭野外風(fēng)洞試驗室進(jìn)行，試樣水平放置，采用風(fēng)速為17m/s的攜沙風(fēng)，吹蝕時間為10分鐘。

①原狀土

對原狀土進(jìn)行(1)、(2)、(3)、(4)、(5)種方式的操作進(jìn)行加固，并對其結(jié)果進(jìn)行對比分析，試驗結(jié)果如表6、圖1。

從圖1中可以看出，PS濃度越大，原狀土的抗風(fēng)蝕能力越強，但變化不明顯，所以PS濃度以5％濃度為宜。不同加固方法以及PS濃度不同，風(fēng)蝕率也略有不同。未加固的原狀土風(fēng)蝕率為加固土風(fēng)蝕率的6-24倍，可見PS加固后原狀土的抗風(fēng)蝕能力大大提高。

②重塑土

從表7可以看出：密度越大，PS加固后抗風(fēng)蝕能力越強，加固樣的抗風(fēng)蝕能力提高8-22倍。

三 結(jié)論

1、交河故城各種土的物理參數(shù)有所差別，但總體來講其物理性質(zhì)較好。

2、土的密度越小，吸收PS溶液的能力越強，經(jīng)過PS材料加固后，原狀土和重塑土的強度都能得到明顯的提高，原狀土可提高1.8倍，重塑土可提高1.6倍。

3、經(jīng)PS加固后，土的抗風(fēng)蝕能力明顯增強，原狀土可提高6-24倍，重塑土可提高8-22倍。不同加固方法以及PS濃度不同，風(fēng)蝕率也略有不同，PS濃度以5％為宜。

4、PS材料是交河故城土體加固的理想材料。

致謝：本試驗得到西北大學(xué)文博學(xué)院孫滿利高級工程師和敦煌研究院張魯高級工程師的大力支持，在此表示感謝。

責(zé)任編輯：梁 紅