PS材料加固土遗址风蚀试验研究

风蚀是西北干旱地区土遗址破坏的主要动力机制和成因,强烈的风蚀作用致使许多土遗址坍塌殆尽,导致这一不可再生资源的破坏。通过对土遗址的室内和现场风蚀模拟试验研究发现,经PS（高模数硅酸钾）材料加固后土遗址的抗风蚀能力明显增强。室内试验发现,风蚀量随风速的增长而增加、随风蚀时间延长近线性增长,PS材料浓度大于5 %的加固试样,即使风速达20 m/ s时,风蚀量均小20 (kg/ m2)•h,抗风蚀强度提高 6～10 倍。现场模拟试验结果表明,加固材料的入渗深度和用量直接影响加固效果,中浓度PS材料加固的墙面抗风蚀能力最强。因此,选择适当的PS材料浓度、提高加固材料的渗透力是土遗址保护加固的关键,将对西北地区土遗址科学保护的全面开展起到重要的指导作用。     

PS加固黄土力学特性试验研究

通过对不同含水率、不同密度的黄土PS加固前后的直接剪切试验和渗透试验研究,认为PS加固效果受土体的初始含水率、密度的影响明显。对相同干密度、不同含水率下的PS加固效果进行研究表明,含水率为9 %左右时强度提高效果最显著。同一干密度的土体,随着含水率的变化,土的渗透性能呈现非线性的变化。试验表明,含水率在8.5 %～11 %之间时,PS加固土体效果最好。     

交河故城瞭望台保护加固技术

交河故城遗址是第一批全国重点文物保护单位,瞭望台是交河故城内重要建筑遗址,它的主要病害是表面风化、裂隙密布、洞顶失稳。在分析病害形成机理的基础上,重点研究了生土遗址保护加固的几个关键技术,对掏蚀深度相对于悬挑土体厚度较小的土遗址,当基础掏蚀深度小于块体宽度的30 %时,可不采用砌补技术,只进行表面防风化处理;可选择竹木锚杆、PS-C浆液灌浆加固生土遗址,锚杆的单位锚固力可采用5 kN/m;采用新奥法加固洞顶可较好地保持文物原貌;西部干旱地区采用PS材料对土遗址进行防风化加固时应采用低浓度（小于5 %）、多次渗透的方式,迎风面渗透次数应不少于3遍,背风面应达4～5遍,并应合理选择施工时间。工程实践检验表明,这些保护技术取得了理想的加固效果。     

硅酸钾对遗址土的渗透加固机制及改进特性研究

即一定模数硅酸钾溶液,是保护加固土遗址的一种无机化学材料。通过近20年的实践证明,PS材料具有增强遗址土体强度和抵抗外界环境破坏的作用。但PS渗透加固遗址土的微观机制以及加固后遗址土宏观特性的改变如何,并没有取得显著的突破和统一的认识。利用3%体积浓度的PS溶液渗透加固室内击实制备的良渚遗址土试样,渗透初始含水率为13%、17%、19%、21%和25%,并对加固前、后试样进行非饱和直剪、压汞和扫描电镜试验,旨在解决上述两个问题。基于压汞试验得到的双峰孔隙分布模型,提出了PS渗透加固遗址土的两种微观加固机制,并通过扫描电镜试验结果验证了加固机制,同时提出了用于表征两种加固机制指标参数P1和P2。通过研究发现,加固指标P1和P2能够较好地描述在不同含水率下经PS加固试样的相关改进特性如土-水特征曲线和剪切特性的变化规律。研究成果为PS的进一步应用和加固保护土遗址研究提供了新的方法和手段。     

冻融循环条件下水泥固化铅污染土强度模型研究

以冻融循环条件下水泥固化铅污染土为研究对象,通过室内试验研究冻融条件下水泥固化铅污染土的抗压强度特性。试验结果表明：水泥固化铅污染土的强度随水泥掺量增大而增大,随冻融循环次数的增加先略微增加,达到峰值后,随冻融循环次数的增加而快速减小,最后趋于稳定。随着冻融循环次数的增加,不同铅离子浓度的固化铅污染土的强度损失量不同,并表现出在相同水泥掺量下,铅离子浓度为0.5%的固化污染土抗压强度损失量最小。通过回归分析,建立了水泥固化铅污染土强度随冻融循环次数变化的预测模型,为实际工程提供理论参考。     

交河故城瞭望台保护加固技术

交河故城遗址是第一批全国重点文物保护单位，瞭望台是交河故城内重要建筑遗址，它的主要病害是表面风化、裂隙密布、洞顶失稳。在分析病害形成机理的基础上，重点研究了生土遗址保护加固的几个关键技术，对掏蚀深度相对于悬挑土体厚度较小的土遗址，当基础掏蚀深度小于块体宽度的30 %时，可不采用砌补技术，只进行表面防风化处理；可选择竹木锚杆、PS-C浆液灌浆加固生土遗址，锚杆的单位锚固力可采用5 kN/m；采用新奥法加固洞顶可较好地保持文物原貌；西部干旱地区采用PS材料对土遗址进行防风化加固时应采用低浓度（小于5 %）、多次渗透的方式，迎风面渗透次数应不少于3遍，背风面应达4～5遍，并应合理选择施工时间。工程实践检验表明，这些保护技术取得了理想的加固效果。     

一种复合加固剂改良砂土的强度试验研究

本研究采用聚丙烯纤维和聚氨酯型固化剂复合加固材料（简称复合加固剂）对砂土进行改良,对不同配比的复合加固剂改良砂土的强度,进行了无侧限抗压和直剪试验研究,并对其改良机理进行较为深入的分析。试验结果表明,复合加固剂改良砂土的无侧限抗压强度和剪切强度均得到了一定程度的提高。当复合加固剂中固化剂的浓度一定时,砂土的无侧限抗压强度和黏聚力均随着纤维含量的增加先增加后减少,分别在纤维含量0.3%和0.2%左右达到峰值;当复合加固剂中纤维含量一定时,砂土的无侧限抗压强度和黏聚力均随着固化剂浓度增加而增加,而内摩擦角变化不大。综合试验结果和施工可行性,建议复合固化剂在改良砂土应用中的最佳配比为聚氨酯固化剂浓度30%,聚丙烯纤维含量0.2%。复合加固剂是结合物理和化学加固方式,能够有效地提高砂土强度。本研究结果为复合加固材料的进一步研究和应用提供一定的参考依据。     

高分子材料固化滨海盐渍土的强度与微结构研究

高分子材料SH固土剂与生石灰粉共同固化滨海盐渍土具有很高的抗压强度、抗拉强度和水稳性。由于SH固土剂对土颗粒的包裹作用及在土颗粒间和孔隙内形成的丝网状联接结构,使得固化土的强度和水稳性较单一石灰固化土提高很多,正弦波压缩疲劳作用降低了固化土的抗压强度。在一定的荷载值及幅值条件下,随疲劳次数的增加,抗压强度下降。30×103疲劳次数是强度下降的另一个起始点。固化土的微结构形貌照片显示,SH固土剂在两周固化龄期时形成了稳固的丝网状联接结构,四周龄期时结构已相当稳定。浸水后丝网状联接结构依然存在,表明SH固土剂的固化反应具有不可逆性。     

土遗址顶部风化层加固试验研究

中国西北气候干旱,自然环境恶劣,表层严重风化使该地区土遗址逐渐消失殆尽。基于此,本文以糯米浆和SH作为注浆浆材在现场加固土遗址顶部薄弱风化层,通过微型贯入仪、红外热成像仪、声波仪等仪器及模拟雨淋试验检测加固后的力学强度特征及耐久性能。并在室内制作重塑样测量单轴抗压强度、波速、崩解速率与现场实验结果对比。结果表明,SH加固后的土遗址表面抗压强度、抗水侵蚀能力均优于糯米浆的加固效果。当注浆孔径为25mm时,各浓度浆液渗透半径最大。用2%SH浆液加固后,抗压强度提高了2.6倍,抗崩解能力提高了1.63倍,因此2%SH浆液可以作为防风化加固材料最佳选择。     

SH材料加固夯筑遗址土耐久性试验及机理研究

以添加SH材料加固的明长城古浪段夯筑遗址土为研究对象,对其重塑样进行紫外老化试验、冻融循环试验及耐盐、耐碱试验,研究其力学强度特征及耐久性能,并采用扫描电镜（SEM）、EDS能谱分析以及粒度分析研究SH材料加固夯筑遗址土的机理。试验结果表明,经紫外老化的SH固化后试样的无侧限抗压强度随老化时间增长呈先增后降,SH含量高的试样强度呈一直增长的趋势;随着冻融循环次数的增加,试样的无侧限抗压强度逐渐降低,质量损失率逐渐增加,其中SH固含量为0.8%的试样表现出极好的耐冻性能;相比素土,加固后的试样耐盐、耐碱性能明显有所提高。由机理分析得出,SH材料主要通过团聚、氢键、架桥和包裹等作用使土颗粒排列紧密、增强连接性,提高了遗址土的各种性能;SH材料加固夯筑遗址土具有良好的耐久性能。     

干旱环境下土遗址夯补支顶加固变形机制室内试验研究

在自然力和人为活动影响下,地处干旱半干旱地区的长城、交河故城、北庭故城等土遗址,其墙体根部因掏蚀而大面积悬空,甚至造成局部区域坍塌。针对夯土遗址根部严重掏蚀问题,采用夯筑支顶加固措施既符合文物保护的基本原则,也遵循保存原材料与原工艺的要求,且加固效果显著。然而大体积夯筑支顶体在固结和失水干缩作用下,与原遗址墙体之间形成较大的裂隙,宽度达1～3 cm。如何控制和减小夯补体与原遗址体之间的收缩缝隙,成为实现大体积夯筑砌补加固的关键。基于固结理论和失水收缩特性,在室内制作不同密度和级配的试块进行固结试验,以及不同形状土样试验的失水收缩量的数据统计,对比分析不同密度、级配条件固结变形、干缩变形的特征,拟合基于传统夯筑工艺的夯补支顶体固结、干缩变形的阈值,初步摸索出了预控大体积垂直方向变形的经验式,为预判大体积夯筑支顶体沉降机制提供可靠的理论依据。     

PS加固土遗址土体的红外热像检测试验研究

红外热像技术作为一门新兴的无损检测技术,是基于被测对象温度场的变化规律而进行的,目前广泛应用于检测物体表面的结构状态、性质和内部缺陷等。为了探讨土遗址加固土体的无损检测方法,以新疆交河故城遗址现场采取的扰动土制作了模型。模型的1/2用浓度为10%PS（PS为一种高模数的硅酸钾溶液）加固,1/2不加固,将加固后的模型室温静置30 d,自然风干后进行了红外热像室内模型试验。试验表明,PS阻碍了土体的热传导过程,加固前后的土遗址土体在红外热像上会出现差异,为进行土遗址加固效果的无损检测提供了一种途径。最后进行了PS加固遗址土体的热传导率测定试验和微型贯入仪现场试验,结果表明加固土体与未加固土体的热传导性能产生差异的原因与经PS加固减小了土体的热传导率、提高了土体的力学强度有关     

单轴压缩条件下锚杆对含三维表面裂隙试样的锚固效应试验研究

在岩石相似材料试件中设置三维表面裂隙,制作不同锚固方式的试件,对其进行单轴压缩试验,研究锚杆对试件强度以及预置裂隙扩展模式的影响。试验结果表明,与无锚试件相比,4种加锚试件的抗压强度和压缩弹性模量均有不同程度的提高,而且锚杆对压缩弹性模量的增强效果比对抗压强度的增强效果更显著。4种加锚试件的残余强度大体相等,比无锚试件的残余强度提高了2.0～2.5倍。加锚试件的破坏过程大致分4个阶段:孔隙裂隙压密阶段、弹性变形至微弹性裂隙发展阶段、非稳定破坏阶段和破裂后阶段,试件表面宏观裂纹均出现在破裂后阶段。由于锚杆的加固止裂作用,预置裂隙的扩展模式发生变化,加锚试件内部出现了弧形破裂面和剪切薄弱面。试验中共出现3种裂纹:张拉裂纹、剪切裂纹和拉剪复合裂纹。     

水泥土抗压强度和变形模量试验研究

采用DWD-100型微机控制电子万能试验机,对不同水泥掺入比的棱柱体和立方体水泥土试块进行了单轴抗压试验,获得了水泥土材料抗压强度与养护龄期以及棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之间的关系,并进一步结合三轴试验、水泥土梁的弯曲试验和引用已发表的现场静载荷试验数据,讨论了不同试验手段对测定水泥土变形模量的影响,认为采用棱柱体抗压强度测定水泥土变形模量比较简单、合理,并得出了水泥土变形模量与抗压强度的关系。     

Preservation of earthen heritage sites on the Silk Road,northwest China from the impact of the environment

The Silk Road played an important role in the economic and cultural exchanges between central China, Europe and Central Asia. A number of heritage sites with significant values still remain throughout the Gobi Desert and other desert regions in Northwest China. Most of the heritage sites composed of adobeern materials and the earthen structures have been impacted by adverse environmental conditions for thousands of years causing severe damage with only a small proportion of the structures left surviving to the present day. Analysis of the main environmental factors affecting the heritage sites such as temperature difference, wind storms, rain storms, and the freeze–thaw process and a study of the mechanism of the deterioration are the main topics presented in this paper. The authors have concluded that a Potassium–Silica solution PS invented by one of the authors has been effective in improving the intrinsic properties of heritage site earthen structures with regard to reducing the impact of environmental damage. The results of comparative tests show that samples treated by using the PS solution have performed well, particularly in protecting structures from aeolian erosion and heavy rainfall. Some findings on the effect of PS treatment on earthen structures at heritage sites are discussed in detail in the present paper.     

Experimental study of mechanical and hydraulic properties of bedded rock salt from the Jintan location

A series of triaxial compression tests, triaxial extension tests, and triaxial compression creep tests were conducted to evaluate the strength, deformability, and permeability of rock salt from the Jintan location. Based on a previous analysis, the measured data can be physically modeled very well as shown by the constitutive model Hou/Lux and indicate that China’s representative bedded rock salt from the Jintan location is characterized by good ductility and deformation properties, similar to the European high-purity rock salt. Based on a comparison of compression as well as extension failure strength determined at rock salt from Jintan location, a similarity of compression and extension failure strength could be demonstrated. Permeation flow seems to be an anisotropic process because the permeability measured at samples prior to failure by compression tests differs to those measured at samples prior to failure by extension tests. The anisotropy of damage and destruction of rock salt has a significant influence on permeability. In case of triaxial compression tests, the measured permeability increases two to six orders of magnitude because of consistent direction of injection and cracks. In case of triaxial extension tests, however, the permeability increases less with a maximum of two orders in magnitude. The test results are significant for understanding the load-bearing behavior of rock salt from Jintan location and investigations with reference to the stability and tightness of underground caverns.     

土工格室加筋土的大尺寸直剪试验研究

采用自行研制的500 mm?500 mm?400 mm（长?宽?高）大尺寸直剪仪,对土工格室加筋土以及土工格室加筋水泥稳定土的剪切性能进行了试验研究。通过大尺寸直剪试验模拟土工格室加筋土的剪切作用过程,得出加筋土剪切应力与剪切应变关系为非线性确定了土工格室加筋土的抗剪强度指标以及土工格室对土的抗剪强度增强机理,土工格室加筋土的黏聚力提高较大,内摩擦角变化相对较小。通过对素土和掺入量为5 %的水泥稳定土进行常规直剪试验、大尺寸直剪试验和三轴压缩试验对比分析,探讨不同试验方法对抗剪强度指标的影响,得出3种试验方法对应的抗剪强度指标及其相对大小;即素土的摩擦角大小依次为：三轴试验小于大尺寸直剪试验小于常规直剪试验,素土的黏聚力大小依次为：大尺寸直剪试验小于三轴试验小于常规直剪试验;水泥稳定土的摩擦角大小为：三轴试验小于大尺寸直剪试验,黏聚力结果比较大小依次为：三轴试验小于大尺寸直剪试验。