土遺址凍融耐久性研究進展

同濟大學 王宇龍

一、引言

土遺址在文化、歷史、藝術(shù)、科學、經(jīng)濟等方面具有極高的文物價值。我國地域遼闊，自然環(huán)境條件復雜，土遺址常分布于凍土、鹽漬土等地區(qū)。寒區(qū)復雜的自然環(huán)境中，由于水、熱、鹽的遷移作用，土遺址產(chǎn)生劣化，出現(xiàn)宏觀病害現(xiàn)象，尤其是溫度變化引起的凍結(jié)作用加速土遺址劣化。土遺址凍融耐久性指低溫條件下土體抵抗水、熱、鹽劣化作用的能力，其表征指標主要包括土體結(jié)構(gòu)、力學性質(zhì)等。相關(guān)研究主要以理論分析和試驗研究為手段，試驗變量主要包括：不同土體性質(zhì)，例如土類、初始干密度、含水率等；鹽分狀態(tài)，例如鹽類、含鹽量、入滲溶液濃度等；試驗條件，例如單次循環(huán)時長、循環(huán)間隔時長、循環(huán)始末值、循環(huán)次數(shù)、圍壓、水熱鹽施加方式等。文章歸納了在凍融循環(huán)作用下土遺址的結(jié)構(gòu)耐久性和力學耐久性試驗研究現(xiàn)狀，并分析指出土遺址凍融耐久性研究趨勢。

二、研究現(xiàn)狀

（一）土遺址結(jié)構(gòu)耐久性

土遺址結(jié)構(gòu)耐久性主要通過土體密度、孔徑分布、孔隙率等研究。切片試驗表明[1]，凍結(jié)試樣內(nèi)部生長了大量冰晶，冷端冰晶更密、更薄，溫度梯度越大，冰透鏡體越多。凍融循環(huán)后黃土形成新的土骨架[2]，高密度土的密度減小，使低密度土的密度增大[3]。原狀或重塑黃土隨凍融循環(huán)次數(shù)增多[4]，干密度先增再減最后穩(wěn)定，大孔隙孔徑先減后增，小孔隙孔徑先增后減，向某一范圍集中。針對漢長城城墻夯土試樣[5]，經(jīng)凍融循環(huán)后土顆粒粒徑減小，土骨架被破壞。

針對敦煌本地脫鹽土的試驗表明[6]，摻入不同含量氯化鈉、硫酸鈉及兩者不同比例復合鹽的試樣在凍融循環(huán)后，孔隙變少，鹽分逐漸充滿孔隙，并利用紅外熱成像技術(shù)，測定了融化過程中試樣表面的溫度變化。針對青藏高原5個典型地區(qū)的明長城粉質(zhì)黏土或粉質(zhì)土遺址[7]，發(fā)現(xiàn)在凍融、鹽漬耦合作用下，水分、鹽分的相態(tài)變化導致孔隙擴張、土顆粒間的連接變?nèi)?，摻入不同含量氯化鈉和硫酸鈉的試樣在凍融循環(huán)后的抗風蝕能力降低、抗雨蝕能力降低、強度衰減。

（二）土遺址力學耐久性

土遺址力學耐久性評價指標通常包括：彈性波速、無側(cè)限抗壓強度、表面硬度、體積變形、粘聚力值、內(nèi)摩擦角值、變形/彈性模量、壓縮模量、抗拉強度等。針對新疆交河故城原狀生土和重塑土[8]，通過干濕、凍融循環(huán)試驗，以風蝕、強度、微觀結(jié)構(gòu)為評價指標來探究遺址土的耐久性，試驗表明，凍融循環(huán)和干濕循環(huán)對土體耐久性改變趨勢完全一致。隨循環(huán)次數(shù)增大，原狀樣強度減小 ，重塑樣強度先增后減。這是由于原狀樣固結(jié)較好，具有結(jié)構(gòu)性，重塑樣為欠固結(jié)樣，循環(huán)使重塑樣“陳化”，微損傷愈合，但循環(huán)超過臨界次數(shù)后，與原狀樣相同，結(jié)構(gòu)損傷增多增大，強度衰減。針對西安黃土添加糯米漿的人工制備遺址土[9]，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)后試樣的應力-應變曲線變?yōu)橛不?，呈塑性破壞形式，壓縮系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)增大而增大。

試驗表明[10]，溫度降低會弱化凍融循環(huán)對土體強度的影響，補水會強化凍融循環(huán)對土體強度的影響，開放系統(tǒng)凍融后土體粘聚力的衰減幅度和內(nèi)摩擦角的增長幅度都大于封閉系統(tǒng)條件下的結(jié)果。針對永登明長城汪家灣段夯土墻體的塌落塊體重塑土[11]，在控制融化溫度、循環(huán)次數(shù)的試驗條件下，測定土體縱波波速、無側(cè)限抗壓強度、表面硬度、體積變形等數(shù)據(jù)。試驗表明：單次凍融后，融化溫度為的土樣頂部凍脹率低，表面硬度最低、破壞最嚴重，外觀基本不變；隨著循環(huán)次數(shù)增多，抗壓強度均降低，10次循環(huán)后，試樣凍脹率最高，三種融化溫度條件下縱波波速、抗壓強度幾乎無差別，隨融化溫度增高，表面硬度增大。針對永登明長城土遺址[12]，設置不同的水力邊界，包括覆蓋不同厚度積雪或頂部滴滲雪水。試驗表明：凍融循環(huán)后，頂部入滲水試樣抗壓強度損失率最大，積雪厚度越大，強度損失率越大；由于積雪的保溫效應，積雪覆蓋試樣中央位置的強度損失進程緩慢；積雪覆蓋下，表面硬度損失率隨干密度減小而增大，隨雪層厚度增大而增大；積雪覆蓋試樣頂部產(chǎn)生橫向為主的裂縫、酥堿和泥皮翻卷。對于含鹽凍土試驗[13]，隨著含鹽量增大，土樣凍脹率、壓縮系數(shù)均為先增后減趨勢。

三、發(fā)展趨勢分析

（一）完善耐久性表征指標

低溫條件下或者凍融循環(huán)后土體的力學性質(zhì)會發(fā)生很大的變化。目前研究中通常采用無側(cè)限壓縮試驗、直剪試驗、彈性波速試驗、表面硬度計等方式測定土體力學行為。根據(jù)不同工況，以不同應力路徑加載得到的各種力學指標，本質(zhì)上都由土體性質(zhì)和受力歷史決定。因此，一系列三軸試驗可以表征某一土體的各種力學行為，土樣是否破壞也可以由三軸試驗得到的莫爾圓與破壞包絡線的關(guān)系確定。同時，各種力學指標也可以由破壞莫爾圓得到最大主應力時，最小主應力等于抗拉強度，即；最小主應力時，最大主應力等于抗壓強度，當中間主應力為零時，代表無側(cè)限抗壓強度。但是，三軸試驗對試驗條件要求較高。

凍結(jié)條件下，土體可以劃分為主動區(qū)、被動區(qū)兩個區(qū)域，被動區(qū)為凍結(jié)區(qū)，水結(jié)冰產(chǎn)生凍脹變形；主動區(qū)為水鹽遷移區(qū)，孔隙水壓力在上覆土壓力和外荷載作用下逐漸消散，土體產(chǎn)生壓縮固結(jié)變形。因此，低溫環(huán)境土體的壓縮性質(zhì)將影響土體的變形。此外，凍結(jié)土體中往往產(chǎn)生多層冰透鏡體，冰透鏡體的產(chǎn)生伴隨著土體的開裂破壞，是土體有效應力超過抗拉強度的結(jié)果。因此，壓縮模量和抗拉強度直接表征了土體在凍結(jié)條件下的變形和破壞特性，是凍結(jié)條件下土遺址水鹽遷移研究的關(guān)鍵參數(shù)，但是相關(guān)試驗較少。

（二）多因素建模

對于土遺址劣化機制，作為導致土遺址病害最活躍的因素之一，鹽分顯著影響著土遺址在凍融條件下的耐久性。而且，不同鹽類、不同濃度溶液連續(xù)入滲的鹽分循環(huán)試驗更真實地模擬了土體長期賦存的鹽分環(huán)境狀況。但是，關(guān)于鹽分、凍融雙重作用下的土遺址耐久性試驗研究鮮有研究。

研究方法上，目前凍融耐久性試驗研究，基本是趨勢性的定性研究。也有學者通過數(shù)值擬合，建立土體耐久性的某一表征指標隨某一影響因素而變化的數(shù)學回歸模型，但是這些模型參數(shù)缺乏實際的物理意義，同時，已有模型未考慮多個因素綜合影響下的土體耐久性變化。實際上，通過灰色關(guān)聯(lián)度分析確定各因素的影響權(quán)重，結(jié)合多因素回歸分析，是一種較方便的數(shù)學建模方式，但該方式需要大量試驗數(shù)據(jù)支撐，通過各力學指標的關(guān)聯(lián)性分析是一種減少試驗工作量的有效路徑。

（三）改善試驗條件

目前凍結(jié)條件下水環(huán)境的模擬方式包括：使水分直接入滲[14]，增大試樣含水率[8]等。這些方式雖然具體分析了積雪與土體的某一相互作用過程，但是無法真實還原自然積雪時的某些條件：積雪層與土體的水分、溫度交換，積雪自身融化，新積雪的產(chǎn)生，積雪與土體接觸面的“凍膠結(jié)”接觸關(guān)系，積雪保溫、保濕的“鍋蓋效應”，積雪的加載作用等。直接在試樣頂部設置積雪的模擬方式可以綜合反映積雪與土體的各種相互作用過程。

綜上所述，目前土遺址凍融耐久性研究需要在表征指標、病害產(chǎn)生機制、研究方法以及試驗條件等方面展開進一步探索，從而揭示土遺址的劣化機理，為土遺址保護工程實踐提供參考。

相關(guān)鏈接

土遺址是以土為主要建筑材料的具有歷史、文化、和科學價值的古遺址。

1.從材料的質(zhì)地上說，屬于土。2.從文物形態(tài)上說，屬于不可移動文物。

3.從價值上說，具有歷史、文化和科學等方面的價值。

中國是世界文明古國之一，悠久的歷史，燦爛的文化，早已載入世界人類文明的史冊。中國土遺址包含的歷史過程從石器時期綿延至近代，是人類重要的文物資源。土遺址在全國范圍內(nèi)都有分布。截止第六批全國重點文物保護單位，現(xiàn)已公布的國家重點文物保護單位的土遺址共計約為400個，分布于全國30個?。ㄖ陛犑小⒆灾螀^(qū)）。