王思遠(yuǎn)， 岳建偉， 王永鋒， 李嘉樂(lè)，蘇光偉， 趙麗敏， 孔慶梅， 王巍智

(1 河南大學(xué)土木建筑學(xué)院， 開(kāi)封 475004； 2 河南華磊古建集團(tuán)有限公司， 鄭州 451281)

0 前言

古建筑、古遺址受到長(zhǎng)時(shí)間的侵蝕，表面會(huì)展現(xiàn)不同程度的風(fēng)蝕現(xiàn)象，尤其是土遺址，經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的雨水、地下水的侵蝕，在干濕循環(huán)作用下，會(huì)加速遺址的破壞。所以土質(zhì)文物保護(hù)與修護(hù)是文物工作的重要內(nèi)容之一，河南省衛(wèi)輝市共城遺址被列為國(guó)家文物重點(diǎn)保護(hù)單位，目前針對(duì)共城遺址城墻的保護(hù)工作仍在進(jìn)行中，但是由于時(shí)間久遠(yuǎn)，遺址破環(huán)嚴(yán)重。鑒于此，以衛(wèi)輝市共城遺址為研究對(duì)象進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，采用現(xiàn)場(chǎng)踏勘、設(shè)站測(cè)量、夯土現(xiàn)場(chǎng)取樣、夯土室內(nèi)試驗(yàn)等多種手段來(lái)探究其遺址土力學(xué)性能[1-3]，對(duì)共城遺址的病害問(wèn)題、未來(lái)修復(fù)可能存在的巖土工程問(wèn)題進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果、夯土微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試分析及氣候條件，分析共城遺址大面積損毀的原因及機(jī)理。

1 共城遺址城墻現(xiàn)狀

共城城墻遺址位于河南省衛(wèi)輝市市區(qū)中北部，已有2 800年的歷史。城墻西墻長(zhǎng)約1 300m，北墻長(zhǎng)約1 200m，南墻長(zhǎng)約1 200m，東墻長(zhǎng)約1 300m，城圍長(zhǎng)約5 000m，共城總面積約156萬(wàn)m2。該遺址地處南太行東端南麓，西北連蘇門(mén)，北枕九山，東北為方山，東為共山，西有百泉河，東鄰五里河(東石河上游)。地跨城內(nèi)、城后、東關(guān)、呂巷等村。從地址條件上來(lái)說(shuō)，該場(chǎng)地位于太行山山前沖洪積平原，為第四系沖積層，主要巖性為黏性土和卵石，厚度大于50m，地貌單一，稍有起伏。

共城城墻遺址現(xiàn)存北城墻西段A、北城墻中段B、東城墻北段C、東城墻中段D、東城墻南段E，如圖1所示。北城墻西段A呈角狀，其中北側(cè)現(xiàn)存長(zhǎng)度318m；另外，北城墻中段B損壞嚴(yán)重，現(xiàn)存長(zhǎng)度82m；東城墻北段C呈角狀，其中北側(cè)現(xiàn)存長(zhǎng)度266.5m；東城墻中段D現(xiàn)存長(zhǎng)度422m，東城墻南段E現(xiàn)存長(zhǎng)度430m。

圖1 共城城墻遺址現(xiàn)狀圖

共城城墻截面為梯形，分三部分，兩外側(cè)部分為純凈黃土分層分段夯筑，中間虛填雜土，不做夯打，中間填充的雜土主要為褐色土，另混雜有黃褐、灰褐、深褐色土，中間填土密實(shí)度較大、強(qiáng)度較高。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察對(duì)各個(gè)城墻現(xiàn)存部分做出如下現(xiàn)狀評(píng)估：

東城墻南段E處文昌大道以南處墻體局部開(kāi)裂(圖2(a))，較大的豎向裂縫造成裂縫外側(cè)土體約束作用減弱，有隨時(shí)倒塌的隱患；文昌大道以北部分因近期改造為游園，整體保存較好，但西側(cè)因直接與居民區(qū)相銜接，高差懸殊，游園施工時(shí)未能妥善處理交接邊界處問(wèn)題，導(dǎo)致邊界處構(gòu)樹(shù)遍地，城墻側(cè)面坑洼不平(2(b))，影響城墻整體風(fēng)貌，城墻側(cè)邊局部有沖溝，如不及時(shí)處理，沖溝將繼續(xù)擴(kuò)大，進(jìn)而產(chǎn)生較大的安全隱患。

東城墻中段D及北段C因早期當(dāng)?shù)鼐用裎奈锉Ｗo(hù)意識(shí)較差，隨意在城墻上取土、種植農(nóng)作物、搭建臨時(shí)建筑、傾倒生活垃圾，導(dǎo)致城墻截面越來(lái)越小，甚至個(gè)別部位幾近消失；大量區(qū)域被取土用于停車(chē)、種植作物，墻體缺失較多；同時(shí)大量植物根系破壞原有夯土層，沖溝多(圖2(c))，沖溝面積大，造成部分區(qū)域墻體立面坡度大且有很多豎向裂縫(圖2(d))，形成柱狀墻體，安全隱患很大。

東城墻北段C，無(wú)防護(hù)措施，在雨水沖刷及植物根系雙重破壞下，水土流失嚴(yán)重，形成典型的沖溝現(xiàn)象(圖2(e))，加速土體的剝離，上述現(xiàn)象均需進(jìn)行有效維修。

北城墻西段A部分區(qū)域坡度大，并伴隨有植物根系的破壞和腐蝕根系的空洞(圖2(f))。北城墻中段B受歷史原因及人為損害，該段遺址損毀嚴(yán)重，幾乎難以辨別。

圖2 城墻破壞現(xiàn)狀

2 共城遺址土的物理力學(xué)性質(zhì)

2.1 基本物理指標(biāo)

試驗(yàn)用土取自共城遺址現(xiàn)場(chǎng)，為評(píng)價(jià)各城墻段的安全性能和制定切實(shí)合理的修復(fù)方案，參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[4]進(jìn)行試驗(yàn)。采用烘干法對(duì)4塊遺址土的天然含水率進(jìn)行了測(cè)定，含水率分別為6.20%，6.61%，6.19%，6.36%，平均天然含水率為6.34%。采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)方法，得到遺址土含水率ω與干密度ρd如表1所示。將表1數(shù)據(jù)繪圖并擬合(圖3)，得出遺址土的最大干密度ρdmax=1.75g/cm3，最優(yōu)含水率ωop=18.40%。遺址土顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，遺址土顆粒分布曲線如圖4所示。

遺址土含水率與干密度 表1

遺址土顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果 表2

圖3 干密度-含水率曲線

圖4 遺址土土顆粒級(jí)配分布曲線

2.2 基本力學(xué)性能

(1)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

測(cè)試遺址土的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)取不同位置的遺址土在壓力機(jī)上進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，將原狀土用線鋸切成邊長(zhǎng)為50mm的正方體，共3組9塊。第一組抗壓強(qiáng)度分別為1.83，1.79，1.80MPa，平均值為1.81MPa；第二組抗壓強(qiáng)度分別為2.04，2.33，1.96MPa，平均值為2.11MPa；第三組抗壓強(qiáng)度分別為2.34，2.67，2.71MPa，平均值為2.57MPa。遺址土抗壓強(qiáng)度是普通土抗壓強(qiáng)度的6～12倍，根據(jù)相關(guān)研究[5]，遺址土的抗拉強(qiáng)度也很高，遺址土較高的抗壓和抗拉強(qiáng)度確保了其具有較高的承載力和安全性能，是眾多土遺址在土遭到嚴(yán)重破壞后仍屹立不倒的原因所在。

(2)三軸剪切試驗(yàn)

按照輕型擊實(shí)試驗(yàn)所得最大干密度和依照表1的不同含水率制作4個(gè)土樣，分別在圍壓為100，200，300，400kPa下進(jìn)行固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)。本次試驗(yàn)采用某公司生產(chǎn)的三軸儀試驗(yàn)系統(tǒng)(圖5)進(jìn)行。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)要求進(jìn)行試樣剪切，保證軸向應(yīng)變率約0.5%/min，剪切速率為0.1mm/min。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖5 三軸儀試驗(yàn)系統(tǒng)

表3 三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，隨著含水率的逐漸增長(zhǎng)，黏聚力趨于穩(wěn)定，而摩擦角逐漸減小。該現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于該遺址土中離子含量豐富，當(dāng)含水率在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，顆粒骨架之間液橋產(chǎn)生的表面張力及范德華力充當(dāng)黏聚力[6]所致。

3 共城遺址土SEM圖像及XRD分析

3.1 礦物成分

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取得的土試樣進(jìn)行充分研磨，使土試樣團(tuán)聚顆粒分散。采用X射線衍射儀對(duì)4組土試樣進(jìn)行X射線衍射試驗(yàn)。金屬衍射成分見(jiàn)圖6，金屬氧化物衍射成分見(jiàn)圖7。共城土遺址易溶鹽成分含量和主要氧化物含量分別見(jiàn)表4和表5。

圖6 夯土金屬衍射實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖7 夯土金屬氧化物衍射成分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表4 共城遺址土易溶鹽成分含量/(g/kg)

共城遺址土主要氧化物含量/% 表5

由圖6、圖7可知，共城遺址土中氧化物的主要成分是SiO2和Al2O3。說(shuō)明此處遺址土化學(xué)成分與普通土基本相同，但根據(jù)表3三軸剪切試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)可知，遺址土力學(xué)性能強(qiáng)于普通土；結(jié)合元素分析結(jié)果分析造成遺址土性能改變的原因，不僅在于人工加夯，化學(xué)元素的改變?cè)谄渲幸舶缪葜匾巧?/p>

由表4可見(jiàn)，遺址土中Mg2+，SO42-離子含量遠(yuǎn)高于一般黃土，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2009)[7]、《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50942—2014)[8]中土腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)外夯土中SO42-離子含量均大于9g/kg，由此可判斷共城遺址土內(nèi)部和外部夯土的腐蝕等級(jí)均為強(qiáng)腐蝕。外部土溶鹽離子含量均高于內(nèi)部土，這是毛細(xì)作用和水分蒸發(fā)作用的結(jié)果。土中硫酸鹽成分較多，硫酸鹽因溫度降低或失水后，溶于土體孔隙中的鹽濃縮并結(jié)晶析出，產(chǎn)生一定的膨脹力，使土顆粒發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，粒間間距增大，從而產(chǎn)生體積膨脹；當(dāng)溫度升高后，結(jié)晶鹽又發(fā)生溶解，土顆粒之間失去了晶體的支撐而形成空隙，在外力作用下部分土顆粒塌落，體積縮小。在外界環(huán)境影響下，結(jié)晶與溶解反復(fù)進(jìn)行，導(dǎo)致土體疏松、多孔，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，承載力下降，造成城墻剝皮脫落，產(chǎn)生溝壑。在進(jìn)行遺址修復(fù)的工程時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮到這一點(diǎn)。

由圖7及表5可知，遺址土中內(nèi)外夯土氧化物均為SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，K2O，MgO，Na2O，TiO2,SO3，只不過(guò)內(nèi)部夯土與外部夯土之間的個(gè)別氧化物含量不同。除CaO，TiO2外，外部夯土氧化物含量均高于內(nèi)部夯土。

土遺址是賦存在一定環(huán)境中人類(lèi)歷史文化的遺存物，環(huán)境因素尤其是氣候?qū)ν吝z址有顯著影響，集中降雨和快速蒸發(fā)使土遺址處于干濕交替環(huán)境之內(nèi)，土遺址內(nèi)部的滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)發(fā)生改變對(duì)土遺址產(chǎn)生相應(yīng)的劣化作用，干濕交替的環(huán)境會(huì)也引起土遺址中的鹽分發(fā)生反復(fù)溶解收縮、結(jié)晶膨脹，引起土體內(nèi)部離子、氧化物的遷移和微結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致土遺址的物理力學(xué)性質(zhì)和水理性質(zhì)的劣化。表4和表5鹽分和氧化物的不同，也是土遺址水分遷移的結(jié)果。

3.2 微觀結(jié)構(gòu)特征

利用某公司生產(chǎn)的Su-1500型掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行土試樣的微觀掃描分析，并利用MATLAB軟件二值化處理原始電鏡圖片，內(nèi)外部夯土電鏡圖如圖8、圖9所示。通過(guò)對(duì)比圖8(b)、圖9(b)可知，外部夯土粒間顆粒較小，顆粒尺度較圓潤(rùn)，內(nèi)部夯土棱角較分明，內(nèi)部夯土受干濕循環(huán)次數(shù)較少，顆粒間團(tuán)聚作用明顯，外部夯土則表現(xiàn)團(tuán)聚效應(yīng)較弱，顆粒簇尺寸比內(nèi)部夯土較小。

在干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、太陽(yáng)輻射以及風(fēng)沙侵蝕的作用下，城墻遺址外部夯土相較于內(nèi)部夯土顆粒球度較高(圖8、圖9)，這是由于在自然條件下，尤其是在濕潤(rùn)環(huán)境中，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土顆粒在毛細(xì)力的反復(fù)作用下，表面張力造成土顆粒受力不平衡，引起土顆粒產(chǎn)生相對(duì)位移棱角磨損，致使趨于密實(shí)的土顆粒簇反復(fù)脹縮并產(chǎn)生不同程度的破壞，進(jìn)而致使土顆粒微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂縫如圖10(b)所示，導(dǎo)致土遺址外部粉化、剝皮脫落。

圖8 外部夯土電鏡圖

圖9 內(nèi)部夯土電鏡圖

圖10 共城遺址內(nèi)外部夯土孔隙形狀

內(nèi)部夯土由于受到表層土體的保護(hù)，受降雨和蒸發(fā)干燥作用的影響較小，其微觀結(jié)構(gòu)可能主要受到凍融作用的影響。在凍融循環(huán)初期，內(nèi)部夯土的微結(jié)構(gòu)處于調(diào)整階段，冰晶生長(zhǎng)導(dǎo)致土體內(nèi)微孔隙的體積膨脹，同時(shí)對(duì)土顆粒的聯(lián)結(jié)方式產(chǎn)生一定的破壞作用，當(dāng)冰晶融化后，土體骨架部分發(fā)生坍落[6,9]，導(dǎo)致土的團(tuán)聚體間孔隙、團(tuán)聚體內(nèi)孔隙和總孔隙體積均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，持續(xù)的凍融作用使得土顆粒間的聯(lián)結(jié)力下降，土體結(jié)構(gòu)趨于疏松，冰晶融化產(chǎn)生的收縮變形不足以抵消凍脹所產(chǎn)生的膨脹變形，導(dǎo)致土體內(nèi)孔隙和總孔隙體積的增長(zhǎng)。

圖10為5 000倍的視角下內(nèi)外部夯土孔隙形狀，相較于內(nèi)部夯土，外部夯土細(xì)觀尺度下顆粒簇之間間隙較大，這也從側(cè)面揭示了在外部環(huán)境的影響下，內(nèi)外產(chǎn)生溫度差，表層土壤就會(huì)沿著溫度梯度變形，在宏觀尺度上具體表現(xiàn)為表面的土塊剝離脫落及溝壑的形成[1,9]。在土體自由水結(jié)晶膨脹的過(guò)程中，凍脹力促使外部夯土顆粒間隙再次擴(kuò)展，土顆粒與土顆粒之間的黏結(jié)力將變?nèi)?，?dǎo)致其拉伸、壓縮強(qiáng)度下降，致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞[6]。

4 城墻整體穩(wěn)定性分析

為對(duì)共城遺址現(xiàn)存遺跡進(jìn)行安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，采用室內(nèi)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)為相關(guān)模擬參數(shù)，由表1、表3及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)針對(duì)不同工況選取相應(yīng)數(shù)值模擬參數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察確定圖1(b)中D段城墻最為危險(xiǎn)，如圖11所示，分別截取4個(gè)危險(xiǎn)截面，即C1-1，C2-2，C5-5，C9-9，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，截面尺寸如圖12所示。

圖11 5個(gè)危險(xiǎn)截面的位置

圖12 各截面尺寸

采用ABAQUS有限元軟件，利用折減系數(shù)法對(duì)城墻的整體穩(wěn)定性進(jìn)行二維數(shù)值模擬分析，并以特征部位的位移拐點(diǎn)作為判斷土邊坡達(dá)到臨界破壞的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

采用支持雙線性位移及孔隙壓力的CPE4P單元對(duì)遺址城墻進(jìn)行模擬，單元網(wǎng)格大小為0.1m×0.1m。墻體材料采用彈塑性本構(gòu)模型和摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。邊界條件為：上部邊界為自由邊界，底部為法向約束邊界。分析探討了4種不同工況下邊坡的安全穩(wěn)定性。

工況1：所有土層含水率均為13.5%，該工況為墻體當(dāng)前的實(shí)際狀態(tài)；工況2：所有土層含水率均為13.5%，且上部施加10kN均載，該工況為考慮墻頂修復(fù)增加的土層的重量的情況；工況3：上部土層含水率為13.5%，下部土層1m范圍的含水率為23.4%,該工況考慮夏季雨水侵蝕底部城墻的情況；工況4：所有土層含水率均為23.4%，該工況考慮墻體周?chē)潘粫?，夏季雨水長(zhǎng)時(shí)間對(duì)墻體有影響的情況。

模擬得到的最不利工況(即工況4)下邊坡塑性應(yīng)變分布如圖13所示，不同工況下邊坡安全系數(shù)與位移關(guān)系曲線如圖14所示。分析圖13可知，在工況4下，遺址土邊坡已經(jīng)形成了連續(xù)塑性變形貫通區(qū)。

圖13 各截面塑性應(yīng)變及滑動(dòng)面云圖

圖14 不同工況下邊坡安全系數(shù)與位移關(guān)系圖

如圖14所示，當(dāng)處于工況1條件下時(shí)，邊坡C1-1，C2-2,C5-5,C9-9安全系數(shù)分別為3.8，3.4，2.4，2.7；當(dāng)處于工況2時(shí)，安全系數(shù)分別為3.6，3.3，2.3，2.7；當(dāng)處于工況3時(shí)，安全系數(shù)分別為2.5，2.1，1.7，2.0；當(dāng)處于工況4時(shí)，安全系數(shù)分別為0.85，0.83，0.65，0.75。分析結(jié)果表明，土體含水率低的城墻，各截面的整體穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1，即現(xiàn)有狀態(tài)的城墻D段的穩(wěn)定性較高。表面的裂縫和沖溝對(duì)城墻整體穩(wěn)定性影響較小，建議對(duì)城墻頂部及外部夯土采取降排水措施[10]，封堵外墻砌體的裂縫、劣化區(qū)的滲水點(diǎn)，防止降雨入侵。當(dāng)在雨季時(shí)期，部分墻體的整體穩(wěn)定安全系數(shù)小于1，處于不穩(wěn)定狀態(tài)?？梢?jiàn)，雨水對(duì)城墻的影響十分顯著，修復(fù)時(shí)，應(yīng)注重城墻頂面的排水設(shè)計(jì)，并采取措施降低底部墻體土的吸水，保證城墻土的干燥性[11]。

5 結(jié)論與建議

(1)共城城墻的本體病害主要有自然風(fēng)化、雨水侵蝕、凍融循環(huán)、人為破壞等，城墻土體裸露部位均有不同程度的風(fēng)化酥堿、掏蝕、水土流失、生物病害和人為改造、取土、違建引起的破壞。

(2)SEM結(jié)果直觀地表明了風(fēng)化作用及干濕循環(huán)改變了城墻內(nèi)外部夯土的結(jié)構(gòu)，從而降低了土體的力學(xué)性能。城墻遺址內(nèi)外部夯土風(fēng)化及干濕循環(huán)引起了遺址土化學(xué)成分變化，外部土樣部分氧化物含量小于內(nèi)部，種類(lèi)亦有不同。內(nèi)部夯土XRD檢測(cè)結(jié)果為遺址土修復(fù)提供了依據(jù)。

(3)城墻遺址土含水率升高至23.4%時(shí)，其整體穩(wěn)定性差，有大幾率會(huì)出現(xiàn)局部滑坡或崩塌破壞，當(dāng)?shù)叵滤畡兾g深度超過(guò)1m 時(shí)，其整體穩(wěn)定性開(kāi)始下降，可能會(huì)出現(xiàn)局部滑坡或崩塌破壞。建議對(duì)城墻頂部及外墻夯土采取降排水措施，封堵外墻砌體的裂縫、劣化區(qū)的滲水點(diǎn)，防止降雨入侵。但如何阻止地下水侵蝕對(duì)遺址的破壞，尚需進(jìn)一步研究。