圓明園舍衛(wèi)城遺址夯土崩解試驗(yàn)研究及保護(hù)建議

周 華， 陳曉鵬， 張中儉， 周雙林

(1.北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院， 北京 100191; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院， 北京 100083； 3.北京大學(xué)考古文博學(xué)院， 北京 100871)

以石灰、黃土及砂石按不同配合比構(gòu)成的二元或三元灰土材料是中國古建筑材料的重要組成部分，灰土材料在中國古建筑上的使用主要包括用作建筑地面和墻體的防水防潮材料、膠結(jié)材料、或直接用來夯筑墻體等，它在中國古代墓葬、城墻、房屋、壁畫、炮臺、橋梁、長城等遺址的建造中發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用。中國古代各個(gè)歷史時(shí)期的建筑遺址中均有灰土材料的使用。

圓明園舍衛(wèi)城是圓明園中一處重要的佛教相關(guān)的建筑群，仿照古印度橋薩羅國首都的城池布局而建，城墻用灰土夯筑而成，自下而上共夯筑14層，夯土墻內(nèi)部夾雜石塊與瓦片等[1]。鴉片戰(zhàn)爭后，圓明園歷經(jīng)數(shù)次劫難，舍衛(wèi)城也僅殘存東西夯土墻。

課題組于2017年對舍衛(wèi)城遺址夯土城墻病害進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)查，掏蝕及殘缺病害為舍衛(wèi)城夯土城墻最為嚴(yán)重的病害之一(圖1)，面積達(dá)439.68 m2，占城墻表面積的44%[2]，通過對其周邊環(huán)境及地下水位的調(diào)查可知，舍衛(wèi)城遺址周邊地下水位較高且雨后常有積水，推測導(dǎo)致掏蝕及殘缺病害的直接原因是夯土遇水逐步崩解造成的，為了驗(yàn)證這一想法，筆者對舍衛(wèi)城夯土進(jìn)行了崩解試驗(yàn)研究。

圖1 舍衛(wèi)城夯土城墻各類病害分布比例Fig.1 Distribution proportion of various diseases of rammed earth wall in Sravasti

1 夯土崩解的影響因素

土的崩解是指土由于浸水而發(fā)生碎裂、散體的現(xiàn)象。崩解是由于土體沒入水中后，水進(jìn)入孔隙或裂隙中的情況不平衡，引起粒間擴(kuò)散層增厚的速度也不平衡，以致粒間斥力超過吸力的情況也不平衡，產(chǎn)生應(yīng)力集中，使土體沿著斥力超過吸力最大的面崩落下來。土的崩解性在評價(jià)夯土城墻穩(wěn)定性時(shí)具有很大的意義。

近年來，中國科技工作者開展了大量巖土文物水鹽侵蝕、風(fēng)化崩解的研究工作。喬榛等[3]、楊有貞等[4]、劉?？档萚5]研究了溫度、濕度、酸堿鹽等環(huán)境因素對巖體性能的差異，發(fā)現(xiàn)不同的環(huán)境因素影響程度不同。趙凡等[6]、王浪等[7]通過實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)對巖土文物的崩解特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)巖土文物崩解與巖土的顆粒分布密切相關(guān)。

土的崩解形式可呈均勻的散粒狀、鱗片狀、碎塊狀或崩解狀等, 不同的崩解形式與土的礦物成分、含水率，密度，孔隙度、粒度成分有關(guān)[8]。

1.1 土粒的礦物成分

土的顆粒分散程度愈高，比表面積愈大，則擴(kuò)散層的總體積愈大。而顆粒的比表面積與顆粒的大小、形狀有關(guān)，顆粒的大小、形狀又與礦物成分有關(guān)，所以礦物成分是決定因素。常見的土體成分蒙脫石黏土往往崩解成細(xì)小粒子，在水中似云霧散開使水混濁；而高嶺石往往崩解成小塊下落。夯土材料的主要構(gòu)成材料黃土的礦物成分以石英、長石為主，含有大量不穩(wěn)定礦物，其膠體分散礦物以伊利石、蒙脫石為主，反映形成于比較干燥的氣候條件下。在浸水時(shí)，顆粒的擴(kuò)散層厚度迅速達(dá)到最大，容易崩解。

1.2 含水量

有關(guān)試驗(yàn)表明，當(dāng)含水量增大到22%時(shí)，黏性土基本無崩解性。含水量增加減小了土的滲透性、吸水量和吸水速度，也增大了土的塑性，更不利于崩解的發(fā)生。

1.3 粒度組成

粒度成分對黏性土崩解的影響十分顯著,它決定了土的孔隙性和透水性,因而對崩解時(shí)間、崩解 特征和崩解速度起著重要作用,文獻(xiàn)[9]給出了黏粒含量與崩解速度的大致關(guān)系(表1)。

表1 黏粒含量與崩解速度的關(guān)系

黃土以粉粒(0.05～0.005 mm)為主,平均含量達(dá) 50%以上。由于透水性強(qiáng),而且粉粒含量較多,擴(kuò)散 層達(dá)到最大厚度的時(shí)間很短,粒間黏結(jié)力很快消失, 所以往往一浸水就發(fā)生崩解。

1.4 密實(shí)度與結(jié)構(gòu)連接

土的結(jié)構(gòu)對崩解性起著主要的作用。因?yàn)橥恋耐杆耘c孔隙、裂隙發(fā)育程度有關(guān)，孔隙、裂隙不發(fā)育的土，一般崩解速度較慢；若土中孔隙、裂隙發(fā)育，那么土體浸水后，首先通過孔隙或裂隙滲入，使土體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，導(dǎo)致土體沿著孔隙、裂隙方向崩解。

通過以上簡要分析，崩解的主要影響因素可歸結(jié)為土的含水量及水溶液的化學(xué)成分、濃度，土的成分、粒度組成和結(jié)構(gòu)。對于特定的壓實(shí)土，當(dāng)水的化學(xué)成分、溫度不變時(shí)，用含水量和壓實(shí)度作為崩解試驗(yàn)指標(biāo)是可行的。

2 試樣與測試方法

2.1 XRD分析

首先分別選取14層夯土樣品非石灰粒的部分10 g研磨成粉狀，去除粉末中的纖維、石頭等雜質(zhì)后待進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析。風(fēng)化土粉末樣品則是在去除雜質(zhì)后，待進(jìn)行XRD分析。

實(shí)驗(yàn)選用Dmax12 kW粉末衍射儀，試驗(yàn)條件為：X射線：CμKα(0.154 18 nm)；管電壓：40 kV；管電流：100 mA；石墨彎晶單色器；掃描方式：θ/2θ掃描；掃描速度：8°(2θ)/min；采數(shù)步寬：0.02°(2θ)；環(huán)境溫度：(25.0±1) ℃；濕度：20.0%±5% 進(jìn)行測試分析。依據(jù)《沉積巖中樣品礦物總量和常見非樣品礦物X射線定量分析方法》(SY/T 6210—1996)與粉末衍射文件(PDF2)粉末衍射數(shù)據(jù)庫進(jìn)行解譜。

2.2 含水率的計(jì)算

將所取舍衛(wèi)城夯土墻的各層試樣(共11層)進(jìn)行稱重得濕土質(zhì)量m0，在105 ℃的恒溫下烘干至恒重md。試樣的含水率w0由式(1)計(jì)算可得：

(1)

2.3 開孔孔隙率和塊體密度的計(jì)算

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，將試塊烘干至恒重，稱得干重md。然后將試塊放入抽氣容器，逐漸將容器內(nèi)壓力加至(2.0±0.7) kPa[(15±5) mmHg]，保持此壓力(2±0.2) h，以便消除試塊中開孔孔隙內(nèi)的空氣。在(20±5) ℃條件下慢慢向容器內(nèi)加入去礦物質(zhì)水。加水過程中保證壓力為(2.0±0.7) kPa。當(dāng)所有試塊都被浸沒后，將容器內(nèi)的壓力變回常壓，并在常壓下保持試塊在水中浸泡(24±2) h。然后每個(gè)試塊在水中稱重，記錄mh，然后快速用濕毛巾擦去試塊表面的水分，稱其吸水飽和后的質(zhì)量ms，ρrh為水的密度(20 ℃時(shí)，ρrh=1 g/cm3)。試樣的開孔孔隙率p0和塊體密度ρb計(jì)算式為

(2)

(3)

2.4 顆粒密度和總孔隙率

試塊做完顆粒密度和開孔孔隙率后，分別研磨試塊至顆粒直徑為0.25 mm。烘干研磨后的粉末至恒重。稱得質(zhì)量為me(約10 g)。然后向比重瓶中加入大約半瓶蒸餾水，然后加入稱好的式樣粉末，搖勻。然后將比重瓶放入抽氣容器內(nèi)，抽氣到2 kPa,保持壓力，直至不再有氣泡上升。取出后慢慢向比重瓶注入水至滿瓶，然后讓粉末沉淀。最后加水蓋上塞子至有少量水從塞子頂溢出，稱得質(zhì)量為m1。將比重瓶清空并洗凈，然后僅用水將比重瓶裝滿，稱得質(zhì)量為m2。試樣的顆粒密度ρr和總孔隙率p計(jì)算式為

(4)

(5)

2.5 顆粒分析試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用篩分法對舍衛(wèi)城夯土墻各層樣品進(jìn)行測試，所選用篩孔徑為2.0、1.0、0.5、0.25、0.074 mm。稱量烘干至恒重的樣品質(zhì)量并記錄，準(zhǔn)確至0.01 g。之后將試樣倒入依次疊好的篩，然后按照順時(shí)針或逆時(shí)針進(jìn)行篩分。振搖時(shí)間為10～15 min。 振搖完成后逐級稱取留在各篩上粉末的質(zhì)量。

2.6 耐崩解性試驗(yàn)

為測定樣品抵抗水流沖刷的能力，采用巖石耐崩解性試驗(yàn)測定其耐崩解性指數(shù)。所選樣品共16個(gè)，第1～11號試樣均取自西城墻表面風(fēng)化嚴(yán)重部位，第D1～D5號試樣取自西城墻下掉落的堅(jiān)硬墻體。取樣見表2。

表2 取樣信息

將試樣裝入耐崩解試驗(yàn)儀的圓柱形篩桶內(nèi)，在105～110 ℃的溫度下烘干24 h后冷卻至室溫。將裝有試樣的篩筒放入水槽，向水槽內(nèi)注入蒸餾水，水面在轉(zhuǎn)動(dòng)軸下約20 mm。篩筒以20 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)10 min后，將裝有殘留試樣的篩筒在105～110 ℃的溫度下烘干24 h并冷卻至室溫稱量。

重復(fù)上述操作，稱量第二次循環(huán)后的篩筒和殘留試樣質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)過程中水溫保持在20 ℃左右。

巖石二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)計(jì)算式為

(6)

式(6)中：Id2為巖石二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)，%；mr為原試件烘干質(zhì)量，g；ms為殘留試件烘干質(zhì)量，g。

3 結(jié)果與分析

3.1 XRD分析結(jié)果

表3中可以看到夯土的主要骨架礦物成分為石英、方解石及各類長石。各層中石英的含量除第3層(71%)和第12層(26%)外，其他各層石英含量都在30%～50%范圍內(nèi)，而方解石的含量多在10%～20%之間，表面該夯土材料含石灰材質(zhì)[10]。斜長石、微斜長石、含量總和為20%～30%。

表3 夯土中非石灰粒取樣部位的XRD分析結(jié)果

而膠結(jié)材料為綠泥石、云母、白云石，閃石等黏土礦物，比例較為穩(wěn)定，占10%～20%。綠泥石等黏土礦物作為夯土的膠結(jié)材料，浸水后，水貫入土體的孔隙、裂隙當(dāng)中,細(xì)小土粒的吸附水膜便會增厚,從而引起土體顆粒的崩裂解體和體積膨脹變形，導(dǎo)致土體崩解[6-8]。

3.2 含水率、開孔孔隙率和表觀密度測試結(jié)果與分析

將以上對舍衛(wèi)城夯土墻各層樣品的物理性質(zhì)測試結(jié)果整理得其物理性質(zhì)如表4所示。

表4 密度和孔隙率測試記錄

在選取樣品時(shí)，取樣點(diǎn)近期內(nèi)無降水記錄，且溫度較高，故含水率較低。根據(jù)前面的論述，可知土體含水量小于 22%時(shí)，土體不易崩解[11]。但是孔隙率結(jié)果表明樣品結(jié)構(gòu)較為松散，孔隙較大，平均開孔孔隙率在30%以上，意味著一旦地下水位上升或降雨后，土體含水量會急劇升高。浸水-干燥-浸水的反復(fù)過程會導(dǎo)致夯土的黏土礦物水解，乃至崩解[12-14]。究其原因是土體的干濕循環(huán)通過改變土體毛細(xì)孔隙中基質(zhì)吸力、土顆粒表面自由能和可溶鹽結(jié)晶狀態(tài), 擾動(dòng)土體微結(jié)構(gòu)，改變土體的強(qiáng)度和抗風(fēng)蝕能力。

3.3 各層樣品篩分試驗(yàn)結(jié)果與分析

各層篩分試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 夯土墻各層樣品篩分結(jié)果Fig.2 Sample screening results of each layer of rammed earth wall

由粒徑累計(jì)曲線，可以看出舍衛(wèi)城夯土墻各層間的粒徑分布大致相同。根據(jù)粒徑累積曲線可由式(7)、式(8)確定顆粒級配的不均勻系數(shù)Cu及曲率系數(shù)Cc。

(7)

(8)

式中：d10為過篩重量占10%的粒徑，mm；d30為過篩重量占30%的粒徑，mm；d60為過篩重量占60%的粒徑，mm。

經(jīng)計(jì)算，舍衛(wèi)城的夯土城墻樣品Cc約為10，表明其粒度分布范圍較大。Cc在0～3范圍內(nèi)，表明缺少中間粒組，各粒組間空隙的連鎖充填效應(yīng)較低，級配不良。對于此種級配不良土，較粗顆粒間的空隙無法被較細(xì)的顆粒所充填，密實(shí)性不好，有較大空隙，強(qiáng)度較低，在土體浸水后，首先通過孔隙或裂隙滲入，使土體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，導(dǎo)致土體沿著孔隙、裂隙方向崩解。

3.4 耐崩解性試驗(yàn)結(jié)果與分析

耐崩解性試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 耐崩解性試驗(yàn)結(jié)果

可得如下耐崩解性試驗(yàn)結(jié)果。

(1)夯土墻表面風(fēng)化程度強(qiáng)的區(qū)域耐崩解性弱，容易發(fā)生掏蝕病害，弱風(fēng)化樣品的耐崩解性強(qiáng)，不易發(fā)生崩解。

(2)層內(nèi)各部位耐崩解性存在較大差異，對于耐崩解性低的試樣，礫石含量高的試樣較礫石含量低的試樣耐崩解性指數(shù)更高。

(3)墻體耐崩解性由高層位向低層位呈先減小再增大的趨勢。

由此可以推測：城墻在地下水位上升導(dǎo)致的毛細(xì)作用或雨水沖刷作用下，首先在風(fēng)化區(qū)域被剝蝕，而毛細(xì)水作用夯土墻體的高度受地下水位及夯土孔隙結(jié)構(gòu)的影響，一般在夯土墻體的下部。夯土墻剝蝕后新鮮墻體暴露于空氣中，進(jìn)一步風(fēng)化；待再一次降水或毛細(xì)作用，而進(jìn)一步掏蝕剝落，不斷循環(huán)，從而影響墻體的穩(wěn)定性，直至破壞殆盡[15]。

4 討論與結(jié)論

通過對舍衛(wèi)城夯土墻礦物成分測試可知，夯土材料的膠結(jié)材料為綠泥石、云母、白云石、閃石等黏土礦物，比例較為穩(wěn)定，占10%～20%。綠泥石等黏土礦物作為夯土的膠結(jié)材料，浸水后，水貫入土體的孔隙、裂隙當(dāng)中,細(xì)小土粒的吸附水膜便會增厚,從而引起土體顆粒的崩裂解體和體積膨脹變形，導(dǎo)致土體崩解。

通過對夯土材料的孔隙率結(jié)果分析，表明樣品結(jié)構(gòu)較為松散，孔隙較大，平均開孔孔隙率在30%以上，意味著一旦地下水位上升或降雨后，土體含水量會急劇升高。浸水-干燥-浸水的反復(fù)過程會導(dǎo)致夯土的黏土礦物水解，乃至崩解。

通過顆粒分析實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)夯土墻級配不良。對于此種級配不良土，較粗顆粒間的空隙無法被較細(xì)的顆粒所充填，密實(shí)性不好，有較大空隙，強(qiáng)度較低，遇水易崩解。

通過耐崩解性實(shí)驗(yàn)可以得出弱風(fēng)化樣品的耐崩解性強(qiáng)，不易發(fā)生崩解，表明夯土本身具有較好的穩(wěn)定性，但是一旦夯土墻受各種環(huán)境因素影響，呈現(xiàn)風(fēng)化狀態(tài)，風(fēng)化程度越強(qiáng)的區(qū)域耐崩解性越弱，容易發(fā)生掏蝕病害。待再一次降水或毛細(xì)作用，而進(jìn)一步掏蝕剝落，不斷循環(huán)，從而影響墻體的穩(wěn)定性，直至破壞殆盡。

以上結(jié)論表明，夯土本身富含黏土礦物及夯土顆粒分布級配不良是夯土城墻破壞的重要內(nèi)因，水是舍衛(wèi)城夯土城墻破壞的重要外因，而水的來源主要有儲存的地下水及毛細(xì)作用及明顯降雨，至夯土墻體飽和，使土體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，導(dǎo)致土體沿著孔隙、裂隙方向崩解。

5 保護(hù)建議

針對舍衛(wèi)城的保存現(xiàn)狀、掏蝕及殘缺的成因，建議如下[16-17]:

(1)加強(qiáng)對圓明園舍衛(wèi)城夯土墻體土質(zhì)和環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測，包括夯土墻墻體土質(zhì)成分分析測試、力學(xué)強(qiáng)度測試、遇水崩解試驗(yàn)、凍融試驗(yàn)、可溶鹽測試；圓明園自然環(huán)境因素監(jiān)測，包括溫度、濕度、風(fēng)力、雨水和地下水監(jiān)測；周邊環(huán)境監(jiān)測，包括污染氣體、震動(dòng) 監(jiān)測和人為破壞評價(jià)。

(2)墻基加固主要采用土坯和夯土相結(jié)合的方法進(jìn)行支護(hù)加固，然后作舊處理。

(3)對已經(jīng)坍塌的墻體和基礎(chǔ)要進(jìn)行夯補(bǔ),并注意與原墻體銜接。

(4)對舍衛(wèi)城墻體表面風(fēng)化病害部位，可采用特殊的錨固技術(shù)與專用的防風(fēng)化漿液相結(jié)合的工藝進(jìn)行加固。

(5)對處于水道邊沿的墻基設(shè)置防水擋墻等設(shè)施, 使水流不能直接沖擊遺址本體。同時(shí)在水流沖出的地方建排水溝，排水溝應(yīng)低于目前的地面，并且保證城墻內(nèi)部的排水暢通。

(6)另外可采用礫石土進(jìn)行培筑，在不干擾遺址區(qū)環(huán)境前提下，就地取材，將礫石土堆積于遺址體的底部，形成一定的坡面，坡度不小于15°，從而把地表水引流遠(yuǎn)離墻體。

(7)防止人為破壞，防止人為攀爬，盜取夯土造成進(jìn)一步的破壞。