生石灰为掺料的土遗址裂隙注浆浆液结石体力学兼容性研究

裂隙注浆是目前土遗址裂隙加固领域的通用手段,浆液的膨胀性和结石体与遗址土体的力学兼容性成为注浆措施能否充分发挥封堵和黏结作用的关键。研究通过对9种不同配合比及水灰比的SH-(Ca O+F+C)浆液进行膨胀性与流动性测试,最终遴选出配合比CaO:F:C=3:2:5的3种不同水灰比浆液作为优选浆液,并通过对优选浆液连续间隔龄期结石体的强度测试确定了最佳养护龄期。而后通过热膨胀和不固结不排水三轴试验,得到了浆液结石体和遗址土体的线胀系数以及浆液结石体、浆液结石体-重塑遗址土和重塑遗址土3类试样的破坏模式、应力-应变关系曲线、抗剪强度参数与弹性模量。结果表明:浆液结石体和遗址土体的线胀系数数量级别相同,3组优选水灰比浆液结石体和重塑遗址土体力学行为一致,其中配合比为CaO:F:C=3:2:5、水灰比为0.50的浆液结石体与重塑遗址土力学兼容性最佳。     

基于SH-(C+F)浆液锚杆锚固性能与机理研究

锚固技术在土遗址稳定性控制领域已得到了广泛应用,然而锚固浆液的缺乏成为制约土遗址锚固技术和理论发展的关键问题之一。对质量浓度分别为0.5%、1.0%、1.5%的SH与黏土、粉煤灰拌和组成SH混合浆液试块进行物理、力学、声波特性测试以及基于该类型混合浆液分别同木锚杆、玻璃纤维锚杆、钢筋锚杆组成的不同锚固系统的原位锚固、拉拔测试和杆体-浆体界面应力-应变监测。获取了3种锚固系统的破坏模式、锚固性能和杆体-浆体界面应力-应变的时空分布规律。试验结果表明:SH锚固浆液拥有良好的物理、力学性能,与土遗址构筑材料性能兼容;基于SH锚固浆液全长灌浆的3种锚固系统的锚固性能优良;木锚杆锚固系统锚固性能在SH浓度为1.0%时达到最优,而玻璃纤维和钢筋锚杆锚固系统锚固性能良好度随着SH的浓度升高而升高。研究结果为以SH为主材的改性浆液在土遗址锚固领域中的应用提供了依据和参考。     

土遗址全长黏结式锚固系统动力响应解析方法

以纵向宽大裂隙引起的夯土城墙遗址稳定问题为背景,建立危险土体?锚杆?稳定土体锚固系统简化力学模型。该模型将土体对锚杆的摩阻作用简化为一个线性弹簧和一个与速度相关的阻尼器的并联机构,将裂隙段锚杆对两侧土体的拉结作用简化为一个线性弹簧。基于弹性体动力理论建立锚固系统动力平衡方程,并推导了锚杆轴力和位移的动力响应解析解。最后,以新疆高昌故城南城墙某段锚固工程为例对提出的解析方法进行了说明,明确了锚杆轴力响应特征及其分布规律,并通过数值分析对其合理性进行了验证。结果表明：在动力作用下同一位置锚杆的轴力响应呈围绕静力平衡位置的波动形态,轴力峰值点位于裂隙附近,且逐渐向临空端和锚固端指数衰减。在考虑地震加速度沿遗址高度的放大效应后能够获得较精确的锚杆轴力响应。     

基于改性糯米灰浆的3种锚杆锚固性能对比研究

锚固浆液的类型及其与杆体、土体的兼容协调性问题是土遗址锚固领域的研究焦点。由糯米浆为胶凝主材和由黏土、粉煤灰为填充料组成的改性糯米灰浆与木锚杆、玻璃纤维增强塑料锚杆、钢筋锚杆组成了3种锚固系统。通过对3种锚固系统的原位锚固、拉拔试验和界面应力-应变监测,分析比较了3种锚固系统的破坏模式、极限荷载、荷载-位移特征,剖析了杆体-浆体界面应力分布传递规律和界面测点应变对荷载时步的响应程度。在初步分析其锚固机制的基础上,最终得出了此类基于改性糯米灰浆的3种锚固系统的锚固性能的优劣完全取决于杆体-浆体的受力机制、变形和强度特征所决定的力学兼容性的结论。该研究成果为以糯米浆为主材的改性浆液在土遗址锚固领域中的应用提供了依据和参考。     

一类特殊土西北干旱区遗址土工程地质特性研究

应用地质工程学科的理论和方法对遗址土进行研究,提出遗址土作为一类新型特殊土的概念,以交河、高昌古城、居延遗址的遗址土为例,叙述了遗址土的物理特性、力学特性、崩解特性、易溶盐特性、动力学特性等特征,明确遗址土的特殊性所在,并对遗址土的研究作了进一步展望。     

夯土介质中基于PS浆液的楠竹锚杆锚固特性

基于PS溶液的楠竹锚杆锚固系统在夯筑土遗址加固中得到了成功的应用,然而其锚固机理研究还未开展。运用室内物理模型试验,针对该锚固系统开展了拉拔测试与杆体-浆体界面应变监测,研究了该锚固系统的锚固性能与破坏模式、杆体-浆体界面剪应变分布与传递特征。试验结果表明基于PS-F浆液锚固系统和基于PS-（C+F）浆液锚固系统均为杆体-浆体界面失效模式,极限锚固力分别为10～15kN和8～16kN;锚固系统均具有较强的延性;在荷载进程中杆体-浆体界面的应变分布具有单峰值及双峰值特点,荷载增加时界面应力向锚固末端传递、压应力出现在锚固段末端及峰值局部出现在末端等特征。研究结论表明,锚固系统的力学性能适用于夯筑土遗址加固,但在杆材耐久性和完整性保证方面还需要进一步探究。     

生石灰改良膨胀土的试验研究：以宁连一级公路六合段为例

文章以宁连公路六合段膨胀土路堤填料为例，阐述了用生石灰改良膨胀土的试验方法和改良效果。     

土遗址加固中GFRP锚杆锚固性能现场试验研究

为揭示GFRP锚杆在土遗址加固中的性能,进而克服现有竹、木、复合锚杆锚固的局限性,拓展该新型材料在古遗址加固中的应用,选择直径22mm和25mm的GFRP锚杆开展了现场锚固测试试验。通过单级和循环两种加载模式,获取了两种杆体的破坏模式与极限锚固力; 在杆体砂浆界面布设应变片,获取了受荷过程中界面监测点剪应变的变化特征与分布规律。结果表明：两种锚固系统均失效于砂浆土体界面,22mm GFRP杆体极限锚固力50kN,而25mm GFRP杆体超过120kN; 从加载端到末端监测界面剪应变呈衰减分布,在较大荷载下由于加载方向与杆体轴向微弱偏离导致局部出现受压现象,试验过程中监测界面未出现脱黏现象。研究表明GFRP锚杆可以部分替代复合锚杆,在土遗址载体加固中具有良好的应用前景。     

干旱区土遗址病害的分类研究

我国西北干旱区分布大量的土遗址,在分析干旱区土遗址病害的基础上,建立了按病害成因、病害表现形式和形成机理分类的土遗址病害3级分类体系和定义。将土遗址的病害分为两大类即自然破坏和人为破坏。自然破坏有5个亚类14个病害表现形式,包括片状剥蚀:雨蚀剥离病害、风蚀剥离病害和裂隙剥离病害;淘蚀:酥碱、风力淘蚀和流水淘蚀;裂隙(缝):卸荷裂隙、构造缝、变形裂隙、建筑工艺裂缝;冲沟:裂隙型冲沟和径流型冲沟;生物破坏:动物病害和植物病害。人为破坏有两种即历史破坏和近现代破坏。     

SH固土剂在遗址土中的渗透注浆扩散规律

风化是中国西北地区土遗址最常见的病害之一。土遗址防风化方法主要是表面喷洒和钻孔注浆。通过对不同干密度重塑土样的钻孔注浆试验,来寻找改性聚乙烯醇（SH）固土剂扩散规律,建立了SH固土剂渗透范围模型——旋转抛物体,解释了产生该渗透现象的原因,并通过计算得到了SH固土剂渗透加固土体体积以及渗透范围内SH的固含量,确定了土遗址中含该固含量的SH固土剂足以对其产生防风化的作用。利用Image J图像分析软件对SEM照片进行处理,获得了不同干密度条件下孔隙分布、孔隙分形维数和平均Feret直径。研究发现,随着干密度增大,土体渗透性减弱,其主要原因是中、大孔隙被压缩成微、小孔隙,并建议将SH固土剂渗透注浆应用于平均Feret直径大于4.98 ?m的土体。最后通过多元线性回归的方法发现,注浆量对渗透半径影响最大,其次是平均Feret直径,孔径的影响最小。     

潮湿环境下古代土遗址的原位保护加固研究

古遗址的保护是文物保护工作中最复杂的问题之一,而土质文物是文物保护中最难保护的文物,所以古代土遗址的保护已在国际上被列为专门的保护项目,而处于潮湿环境下的古代土遗址保护的课题在文化遗产实物和遗迹就地保存和展示领域就更为迫切。浙江良渚文化是中国新石器时代长江流域最重要的史前文化, 塘山遗址位于良渚文化遗址的西北部,选择了PS（硅酸钾）、WD－10（十二烷基三甲氧基硅烷）、WD－S（低聚甲氧基硅烷）、RTV（聚有机硅氧烷+硅酸乙酯）4种保护材料对塘山遗址进行了保护加固实验研究。室内实验和现场实验（2个月,6个月,9个月）的结果都表明,RTV和WD-10防水性优于WD-S,WD-10和WD-S材料仅能作为防水材料,PS材料仅能作为加固材料使用,而RTV则具有较好的加固和防水效果,且加样量越大,强度提高越多。     

钙基液态水硬性加固剂用于潮湿土遗址的加固保护

通过对钙基液态水硬性加固剂的研制,对潮湿环境土遗址的加固保护进行了探索性研究。X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析结果表明,已成功制出了潮湿土样水硬性加固所需的纳米材料。同时,研究发现,氢氧化钙在650 ℃下用马弗炉煅烧1.5 h后,可得到直径约50 nm、长度约200 nm的针状二次生石灰;这种二次生石灰经水消化后,会成为粒径在200～300 nm左右、大小十分均匀的扁平椭圆状纳米氢氧化钙颗粒;氧化钙在密封陈化一段时间后,也可使氢氧化钙的粒径达到纳米级。土样加固试验的结果显示,纳米石灰的乙醇分散液的渗透性优于分析纯氢氧化钙,钙基水硬性加固剂对潮湿土样的加固效果较为明显,有望成为一种适合于潮湿环境土遗址加固的新型材料。     

粉煤灰与生石灰加固软土的室内试验研究

粉煤灰是一种工业废弃物,与生石灰一样均可用来加固软土地基。笔者进行了粉煤灰与生石灰加固土的室内配方试验,分别将水泥或生石灰与粉煤灰按照不同的比例干拌均匀后,再与不同含水量的软土人工拌和均匀,测定了不同龄期的无侧限抗压强度;分析了石灰加固土强度与生石灰掺入比和龄期的关系及其压缩系数、压缩模量等的变化。并进一步分析了粉煤灰的加固机理,旨在为其进一步的研究和工程应用提供参考。     

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。     

不同遗址土的热物理参数研究

为了研究干密度、含水率和NaCl含量对遗址土热劣化的影响,采用Hot Disk热常数分析仪对良渚遗址、交河故城遗址和通古斯巴西古城遗址的遗址土重塑样进行了热物理参数的测试,分别确定了遗址土的导热系数、热扩散系数和体积比热随干密度和含水率的变化关系。对通古斯巴西古城遗址重塑样掺入了不同含量的NaCl,研究了含盐量对遗址土重塑样导热系数的影响。结果表明,当含水率与干密度增加时,3种遗址土的导热系数均呈线性增长,热扩散系数和体积比热也随着含水率与干密度的增加而增大;相同条件下3种遗址土的热物理参数存在差异,良渚遗址的较大,交河遗址的较小,通古斯巴西古城的居中总体上与土中SiO2含量成正相关关系。当干密度与含水率一定时, 掺入NaCl增加了遗址土的导热系数。     

硅酸钾材料加固土遗址耐风蚀颗粒元模拟分析

西北干旱地区土遗址受风化、风蚀等破坏严重,大量土质文物亟待加固抢修。加固后土遗址的各耐环境因素及加固机制研究是土遗址加固的理论基础。首次引入颗粒元程序PFC,通过改变模型中颗粒间平行连接强度,对硅酸钾（简称PS）加固前后的土样进行数值模拟。在考虑实际土样颗粒粒径和密度的前提下,拟合了生土PS加固前后的抗压和抗拉强度,并将拟合后的颗粒元模型应用于风蚀模拟。通过随机生成挟沙风颗粒,以一定的速度撞向土体,模拟挟沙风的吹蚀作用。挟沙风颗粒数与循环步数成正比例,因此,可以用挟沙风颗粒数来代表吹蚀时间的长短。挟沙风颗粒的速度则代表挟沙风风速。模拟结果表明,在20 m/s的挟沙风吹蚀作用下,风蚀程度随吹蚀时间的增加而增大,未加固土样的风蚀程度增幅度远大于加固土样;同样吹蚀时间条件下,加固土样的抗风蚀强度明显高于未加固土样。这些模拟结论与风洞试验结果的统计规律一致。本研究拟合的颗粒流模型可进一步应用于PS加固机制研究及耐风蚀、雨蚀、冻融等诸环境影响分析研究。