同濟(jì)大學(xué) 王宇龍

一、引言

土遺址在文化、歷史、藝術(shù)、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)等方面具有極高的文物價(jià)值。我國(guó)地域遼闊，自然環(huán)境條件復(fù)雜，土遺址常分布于凍土、鹽漬土等地區(qū)。寒區(qū)復(fù)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(biāo)主要包括土體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)等。相關(guān)研究主要以理論分析和試驗(yàn)研究為手段，試驗(yàn)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(yàn)條件，例如單次循環(huán)時(shí)長(zhǎng)、循環(huán)間隔時(shí)長(zhǎng)、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(xué)耐久性試驗(yàn)研究現(xiàn)狀，并分析指出土遺址凍融耐久性研究趨勢(shì)。

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(yàn)表明[1]，凍結(jié)試樣內(nèi)部生長(zhǎng)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(duì)漢長(zhǎng)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(duì)敦煌本地脫鹽土的試驗(yàn)表明[6]，摻入不同含量氯化鈉、硫酸鈉及兩者不同比例復(fù)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(cè)定了融化過程中試樣表面的溫度變化。針對(duì)青藏高原5個(gè)典型地區(qū)的明長(zhǎng)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(dǎo)致孔隙擴(kuò)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(fēng)蝕能力降低、抗雨蝕能力降低、強(qiáng)度衰減。

（二）土遺址力學(xué)耐久性

土遺址力學(xué)耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)通常包括：彈性波速、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(qiáng)度等。針對(duì)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(yàn)，以風(fēng)蝕、強(qiáng)度、微觀結(jié)構(gòu)為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)探究遺址土的耐久性，試驗(yàn)表明，凍融循環(huán)和干濕循環(huán)對(duì)土體耐久性改變趨勢(shì)完全一致。隨循環(huán)次數(shù)增大，原狀樣強(qiáng)度減小 ，重塑樣強(qiáng)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(qiáng)度衰減。針對(duì)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(yīng)力-應(yīng)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(yàn)表明[10]，溫度降低會(huì)弱化凍融循環(huán)對(duì)土體強(qiáng)度的影響，補(bǔ)水會(huì)強(qiáng)化凍融循環(huán)對(duì)土體強(qiáng)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(zhǎng)幅度都大于封閉系統(tǒng)條件下的結(jié)果。針對(duì)永登明長(zhǎng)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(yàn)條件下，測(cè)定土體縱波波速、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、表面硬度、體積變形等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)表明：?jiǎn)未蝺鋈诤?，融化溫度為的土樣頂部?jī)雒浡实停砻嬗捕茸畹?、破壞最?yán)重，外觀基本不變；隨著循環(huán)次數(shù)增多，抗壓強(qiáng)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(qiáng)度幾乎無(wú)差別，隨融化溫度增高，表面硬度增大。針對(duì)永登明長(zhǎng)城土遺址[12]，設(shè)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(yàn)表明：凍融循環(huán)后，頂部入滲水試樣抗壓強(qiáng)度損失率最大，積雪厚度越大，強(qiáng)度損失率越大；由于積雪的保溫效應(yīng)，積雪覆蓋試樣中央位置的強(qiáng)度損失進(jìn)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?yàn)橹鞯牧芽p、酥堿和泥皮翻卷。對(duì)于含鹽凍土試驗(yàn)[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(shì)。

三、發(fā)展趨勢(shì)分析

（一）完善耐久性表征指標(biāo)

低溫條件下或者凍融循環(huán)后土體的力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生很大的變化。目前研究中通常采用無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、彈性波速試驗(yàn)、表面硬度計(jì)等方式測(cè)定土體力學(xué)行為。根據(jù)不同工況，以不同應(yīng)力路徑加載得到的各種力學(xué)指標(biāo)，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(yàn)可以表征某一土體的各種力學(xué)行為，土樣是否破壞也可以由三軸試驗(yàn)得到的莫爾圓與破壞包絡(luò)線的關(guān)系確定。同時(shí)，各種力學(xué)指標(biāo)也可以由破壞莫爾圓得到最大主應(yīng)力時(shí)，最小主應(yīng)力等于抗拉強(qiáng)度，即；最小主應(yīng)力時(shí)，最大主應(yīng)力等于抗壓強(qiáng)度，當(dāng)中間主應(yīng)力為零時(shí)，代表無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。但是，三軸試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)條件要求較高。

凍結(jié)條件下，土體可以劃分為主動(dòng)區(qū)、被動(dòng)區(qū)兩個(gè)區(qū)域，被動(dòng)區(qū)為凍結(jié)區(qū)，水結(jié)冰產(chǎn)生凍脹變形；主動(dòng)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(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度的結(jié)果。因此，壓縮模量和抗拉強(qiáng)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(yàn)較少。

（二）多因素建模

對(duì)于土遺址劣化機(jī)制，作為導(dǎo)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(yàn)更真實(shí)地模擬了土體長(zhǎng)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(yàn)研究鮮有研究。

研究方法上，目前凍融耐久性試驗(yàn)研究，基本是趨勢(shì)性的定性研究。也有學(xué)者通過數(shù)值擬合，建立土體耐久性的某一表征指標(biāo)隨某一影響因素而變化的數(shù)學(xué)回歸模型，但是這些模型參數(shù)缺乏實(shí)際的物理意義，同時(shí)，已有模型未考慮多個(gè)因素綜合影響下的土體耐久性變化。實(shí)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(xué)建模方式，但該方式需要大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，通過各力學(xué)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性分析是一種減少試驗(yàn)工作量的有效路徑。

（三）改善試驗(yàn)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(wú)法真實(shí)還原自然積雪時(shí)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(yīng)”，積雪的加載作用等。直接在試樣頂部設(shè)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(biāo)、病害產(chǎn)生機(jī)制、研究方法以及試驗(yàn)條件等方面展開進(jìn)一步探索，從而揭示土遺址的劣化機(jī)理，為土遺址保護(hù)工程實(shí)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(xué)價(jià)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(dòng)文物。

3.從價(jià)值上說，具有歷史、文化和科學(xué)等方面的價(jià)值。

中國(guó)是世界文明古國(guó)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(cè)。中國(guó)土遺址包含的歷史過程從石器時(shí)期綿延至近代，是人類重要的文物資源。土遺址在全國(guó)范圍內(nèi)都有分布。截止第六批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，現(xiàn)已公布的國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)單位的土遺址共計(jì)約為400個(gè)，分布于全國(guó)30個(gè)?。ㄖ陛犑?、自治區(qū)）。