廣州四處清代炮臺三合土工程特性分析

（西北大學文化遺產學院，陜西 西安 710069）

車歪炮臺始建于嘉慶二十二年（1817年），位于珠江河面的沙洲上，四面環(huán)水，汛期江水漫延至島上，將外圍垛墻等建筑淹沒。江水長期掏蝕沖刷，造成遺址底部被掏空。島上植被豐富且植物根系發(fā)達，以榕樹最為常見，其根系常交錯于炮座之上，使其產生巨大裂縫，遺址表面常見苔蘚植物發(fā)育。

穗石村炮臺[1]始建于道光二十三年（1843年），位于廣東藥學院大學中藥試驗田內。因近代以來沙田成陸，炮臺距現(xiàn)在的珠江水面已有一定距離，但地下水位依然較高，雨天可見地表積水。其相對地勢仍高出前沿和兩翼少許，視野十分開闊。

沙路炮臺[2]始建于光緒十年（1884年），位于馬腰崗和兵崗兩座山上。山上植被茂密，兩個山崗之間如今是一片塑料大棚遮蓋的花圃。兵崗呈南北向分布，其南側有數(shù)個小山崗，現(xiàn)因修建道路和開拓農田等原因不見原貌；兵崗北側和西側為沙田。馬腰崗呈南北向分布，東側有一條南北向水道“化龍運河”，山崗周圍有水塘和沙地。遺址已開展考古清理工作，遺跡現(xiàn)處于露天保存狀態(tài)。

牛山炮臺始建于光緒十一年（1885年），位于黃埔區(qū)紅山街文沖船廠生活區(qū)內，占地面積12 hm2。公園內有牛山炮臺遺址、烏涌清官兵合葬墓、“萬人坑”3個廣州市市級文物保護單位，平日參觀人數(shù)較多。牛山炮臺建于牛山山麓和山脊之上，周圍植被茂密。

為正確評價四處炮臺所用三合土材料的工程特性[3-5]，為之后的加固保護工程提供依據，對三合土進行了基本物理性質試驗（含水率試驗、塊體密度試驗、顆粒密度試驗）、水理性質試驗（吸水性試驗）以及力學性質試驗（抗壓試驗、抗拉試驗），并對試驗數(shù)據和結果進行了系統(tǒng)分析。

1 樣品及樣品制備

為了避免對遺址造成破壞，本文選取4處炮臺坍塌、掉落的三合土樣進行試驗。試樣制備主要包括試樣的開啟、描述、切取等程序，這些程序步驟的正確與否，都會直接影響到試驗成果的可靠性。因此，試樣的制備是試驗工作的首要質量要素。根據文獻[6-7],樣品制備的具體要求如下。

(1)含水率試驗：保持天然含水率的試樣應在現(xiàn)場采取，保持天然含水率的狀態(tài)；試件最小尺寸應大于組成巖石最大礦物顆粒直徑的10倍，每個試件的質量為40～200 g。

(2)顆粒密度試驗：將巖石用粉碎機粉碎成巖粉，使之全部通過0.25 mm篩孔，并用磁鐵吸去鐵屑；對于含有磁性礦物的巖石，用瓷研缽或瑪瑙研缽粉碎，使之全部通過0.25 mm篩孔。

(3)塊體密度試驗：采用水中稱量法，不規(guī)則試件宜采用邊長40～60 mm的渾圓狀巖塊。試驗用水應采用純凈水，水的密度取為1 g/cm3。

(4)吸水性試驗：不規(guī)則試件宜采用邊長40～60 mm的渾圓狀巖塊。試驗用水應采用純凈水，水的密度應取為1 g/cm3。巖石飽和吸水率應在巖石吸水率測定后進行。

(5)力學強度試驗：本次試驗采用抗拉、抗壓強度表征試件的力學強度，將試件用切土刀、鋼鋸、游標卡尺等工具切割成上下表面平行的立方體或長方體，用紗布打磨使其表面光滑平整。

2 試驗方法及分析結果

2.1 物理性質試驗

(1)含水率。稱取代表性試樣進行含水率測定。每個炮臺取兩個試樣進行平行測定，取其平均值為該炮臺的含水率測試結果。試驗結果見表1。

表1 含水率試驗結果

巖石的含水率是指巖石天然狀態(tài)下含水重量與巖石干重之比。試驗數(shù)據說明，4處炮臺的樣品所測得的含水率值基本相同，約為2%，這可能與它們所處賦存環(huán)境相似有關。4處炮臺三合土含水率有細微差別，其中車歪炮臺、牛山炮臺三合土含水率略高于穗石村炮臺和沙路炮臺。

(2)顆粒密度。將制備好的巖粉置于105℃溫度下烘干至少6h，放入干燥器內冷卻至室溫后應用四分法取兩份巖粉，每份15 g，并用比重瓶法（使用蒸餾水作試液，煮沸法排除氣體）進行顆粒密度測定。每個炮臺取兩個試樣進行平行測定，取其平均值為該炮臺的顆粒密度測試結果。試驗結果見表2。

表2 顆粒密度試驗結果

巖石的顆粒密度是指巖石固相部分的質量與其體積的比值。試驗數(shù)據說明，牛山炮臺、沙路炮臺及穗石村炮臺試樣所測得的顆粒密度值均大于2.63 g/cm3，數(shù)據屬于正常范疇，其中穗石村炮臺三合土的顆粒密度最高，牛山炮臺三合土最低。

(3)塊體密度。塊體密度測量時應將試件置于烘箱內，在105℃溫度下烘24 h，取出放入干燥器內冷卻至室溫后稱量，并采用煮沸法飽和試件不少于6 h，期間煮沸容器內的水面應始終高于試件。每個炮臺取兩個試樣進行平行測定，取其平均值為該炮臺的塊體密度測試結果。試驗結果見表3。

表3 塊體密度試驗結果

巖石的塊體密度是指巖石單位體積內的質量。致密而裂隙不發(fā)育的巖石，塊體密度與顆粒密度很接近，隨著孔隙、裂隙的增加，塊體密度相應減小。4處炮臺的樣品所測得的塊體密度值為1.56～1.99 g/cm3，與顆粒密度測量值差別較大，反映出其內部孔隙、裂隙較多。牛山炮臺塊體密度最小，只有1.56 g/cm3，同時其塊體密度和顆粒密度之間的差值也是最大的，反映出其內部孔隙、裂隙相對較多。

2.2 水理性質試驗（吸水性）

測定吸水性時應將試件置于105℃烘箱內24 h，取出放入干燥器內冷卻至室溫后稱量，用自由浸水法測定試樣的巖石吸水率，煮沸法測定試樣的飽和吸水率。每個炮臺取兩個試樣進行平行測定，取平均值為該炮臺的吸水性測試結果。試驗結果見表4。

表4 吸水性試驗結果

巖石的吸水性是指巖石在一定的試驗條件下吸收水分的能力，常用吸水率、飽和吸水率和飽水系數(shù)等指標表示。吸水率是指巖石試件在大氣壓力和室溫條件下自由吸入水的質量與巖樣干質量之比。飽和吸水率是指巖石試件在高壓（一般壓力為15 MPa）或真空條件下吸入的質量與巖樣干質量之比。飽水系數(shù)為吸水率與飽和吸水率的比值。一般來說，飽水系數(shù)愈大，巖土中的大開空隙愈多，而小開空隙愈少。飽水系數(shù)大，說明常壓下吸水后余留的空隙少，巖石愈易被凍脹破壞，因而其抗凍性差。飽水系數(shù)常用于反映巖石中總的張開型孔隙和裂隙的發(fā)育程度，評價巖石抗凍性、抗風化能力。

試驗數(shù)據表明，牛山炮臺樣品的吸水率最高，其內部孔隙和裂隙發(fā)育的情況最為嚴重；而車歪炮臺、沙路炮臺樣品的吸水率相對較低，其內部孔隙和裂隙發(fā)育的情況相對而言較輕。4處炮臺三合土的飽水系數(shù)均在0.91～0.98之間，飽水系數(shù)較大，說明常壓下吸水后留有的空間較小，溫度較低的情況下三合土會由于冰劈作用被凍脹破壞，因而4處炮臺抗凍性能均較差。

2.3 力學性質試驗

材料的力學性能一般是指材料在不同環(huán)境下，承受各種外加載荷時所表現(xiàn)出的力學特征。其主要指標有強度、韌性、脆性等10項指標，其中強度是衡量材料本身承載力的最重要指標之一。巖石強度一般包括抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度。由于樣品數(shù)量有限，且試驗儀器對樣塊大小有要求，因此符合試驗室力學強度試驗的樣塊有限，本次選取車歪炮臺樣塊3個（CY-1、CY-2、CY-3），沙路炮臺樣塊1個（SL-1），穗石村炮臺樣塊1個（SL-1），而牛山炮臺由于樣品不符合力學強度測試試驗要求，未能進行強度測試。對取得樣品進行處理后，進行抗壓強度以及抗拉強度的測試。試驗結果見表5。

表5 力學強度測試結果

試驗數(shù)據表明，車歪炮臺樣品CY-3抗壓強度最高，沙路炮臺步道樣品SL-1抗壓強度最低，車歪炮臺樣品CY-1、CY-2，穗石村樣品SSC-1抗壓強度居中，在1.7 MPa左右；樣品抗拉強度均不高，在0.154～0.245 MPa之間。綜上所述，車歪炮臺樣品力學強度最高。

3 結束語

通過對廣州清代的車歪炮臺、沙路炮臺、牛山炮臺和穗石村炮臺（以下簡稱為“4處炮臺”）三合土特性的試驗分析，可以得出以下結論：

(1)4處炮臺樣品的含水率均較低,大約為2%；

(2)4處炮臺的樣品所測得顆粒密度在2.63～2.69 g/cm3之間，塊體密度值在1.56～1.99 g/cm3之間，顆粒密度與塊體密度測量值差別較大，反映出其內部孔隙、裂隙較多，其中，牛山炮臺三合土的孔隙、裂隙發(fā)育情況最為嚴重；

(3)4處炮臺樣品的飽水系數(shù)在0.91～0.98之間，數(shù)值較大，表明4處炮臺抗凍性能均較差；

(4)測試的3處炮臺樣品中，車歪炮臺樣品力學性能最優(yōu)，沙路炮臺樣品力學性能最差。