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。     

西北干旱区土建筑遗址加固概述

西北干旱区土建筑遗址很多, 有些还是世界文化遗产。由于风蚀风化作用强烈, 西北干旱区大批的土建筑遗址已破坏严重, 因而开展土建遗址加固研究十分必要。钾水玻璃 (PS)是一种水溶性的无机胶结加固材料, 本文全面详尽地总结了PS加固土建筑遗址技术, 就加固机理作了初步探讨。认识到PS是西北干旱地区土遗址加固的一种有效方法, 可达到较理想的加固效果。     

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。     

高昌古城土遗址加固工程冻融试验研究

通过对高昌古城土遗址加固工程进行冻融试验研究,对比了添加含水量前后的两种结果;试验表明,水玻璃与硅丙乳液均可提高土体的抗冻融性能。     

PS材料加固遗址土室内试验研究

土遗址文物的保护加固迫在眉睫,尤其是在西北地区,由于其特殊的地理气候环境,土遗址的破坏比较明显。为了延长土遗址的寿命,使其长久保存下去,在对土遗址文物的加固保护过程中,发明了很多有效的材料。本文就是以PS材料为研究对象,选用具有代表性的交河故城和高昌故城土,对其原状样和重塑样进行PS材料加固后,分别进行抗压、抗拉、雨淋、风洞试验及雨淋风洞复合试验,研究其加固故城土后的强度及耐久性能。大量的室内试验结果表明,经PS材料加固后,土体的力学性能和抗雨蚀、抗风蚀能力得到明显改善,说明PS材料具有良好的加固效果,为将其进一步应用于土遗址保护加固工程中提供了具有价值的理论指导。     

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。     

石灰-偏高岭土改良遗址土强度劣化特性的冻融循环效应

中原地区处于季冻区,周期性冻结与融化对遗址土体结构有显著影响。为探究石灰偏高岭土(L-MK)在抗冻融循环方面替代天然水硬性石灰(NHL)用于土遗址修复工作的可行性,以石灰、偏高岭土和遗址土为主要原料,对经历不同冻融循环次数的L-MK改良土试样分别进行质量损失测试、无侧限抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验,系统研究其强度特性的冻融循环效应;并取部分试样进行X射线衍射(XRD)、热重(TG)、电镜扫描(SEM)等微观试验,揭示L-MK改良土强度劣化规律的内在机制。结果表明：试验配合比下,L-MK改良土的抗冻性能优于NHL改良土,偏高岭土掺量的增加有助于提高L-MK改良土强度;随着冻融循环次数的增加,L-MK改良土应力-应变曲线的应变软化特征呈减弱趋势,无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度单调衰减,但经历30次冻融循环后L-MK改良土无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度分别高于NHL改良土3.79倍和1.16倍以上。这与L-MK及NHL改良土生成的水化产物(CSH和C₄AH₁₃等)受冻融循环的影响规律基本一致。     

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。     

高分子材料SH渗透加固遗址土的效果研究

西北地区的土遗址由于外界环境对其破坏作用以及自身的物理力学性能相对较差的原因,导致其逐渐消失。对土遗址坍塌、掏蚀等部位,可以采用拌和回填的方式进行恢复,而表面风化则需要喷洒或钻孔注浆进行加固。本文对经高分子材料SH渗透加固后的遗址土的抗崩解能力、抗干湿循环能力、抗冻融循环能力以及NaCl易溶盐的迁移特点从质量损失率的角度进行研究分析,发现经SH渗透加固后抗崩解能力大大提高、抗干湿循环的能力随干密度的增大而增大、抗冻融循环能力变化受含水率和干密度共同影响,干密度越小,平衡含水率值越大、SH能够抑制水分向土体上部迁移,最后对以上各种试验现象进行合理的解释。     

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。     

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。     

水利工程震害中土工结构低应力破坏实例分析

实际工程活动与低应力下土石料工程性质密切相关。总结了与低应力条件相关的工程活动,在总结分析以往地震中堤防和坝体滑坡案例的基础上,指出滑坡深度通常小于7 m,其上覆有效应力大多小于100 kPa。在对106组地震液化数据资料分析的基础上,指出地基液化大多发生在上覆有效应力低于100 kPa的低应力条件下。在目前的研究中,通常只关注中、高应力条件下土石料的工程性质。在应用中低应力区的土石料计算参数取值通常与中、高应力条件下获得的强度和变形参数一致,而高、低应力条件下土石料的强度和变形特性是不同的,这种计算参数取值方法的适用性存在疑虑。因此,研究低应力条件下土石料的工程性质,探讨数值计算中低应力条件下土石料计算参数的取值方法,具有重要的工程意义和科学价值。     

生石灰为掺料的土遗址锚固浆液选型和性能研究

锚固浆液的兼容性不理想、类型发展的滞后性成为制约土遗址锚固技术发展的关键问题。为了丰富锚固浆液类型和提高其兼容性,研究以传统材料生石灰为掺料,通过其与质量浓度为1.5%的SH黏结剂、黏土和粉煤灰拌和组成的SH-（CaO+C+F）锚固浆液进行流动性测试以及结石体进行物理、力学特性测试,确定了水灰比为0.5的浆液作为优选浆液。并以该型锚固浆液与2种不同材质的锚杆,在3种长度为变量的条件下组成的6种锚固系统开展原位试验。原位试验以获取6种锚固系统的破坏模式、极限荷载与极限荷载?位移特征以及锚固段应力沿锚固深度分布特征为目的,并对其进行分析与讨论。最后,通过对锚固力学机制的分析,对比并评价了该型锚固浆液的兼容性和锚固性能。该研究结果为土遗址锚固浆液的多样性选择提供了参考。     

基于热-水-力-损伤耦合数值模型的高地温水工高压隧洞围岩承载特性

针对高地温水工高压隧洞围岩的力学行为特点,在考虑岩体的渗透系数、热传导系数随岩体损伤发生变化的基础上,基于多物理场耦合理论,提出一种考虑硬岩强度力学参数劣化的含损伤演化的热-水-力-损伤耦合模型,并给出了该模型的FLAC3D数值实现方法。通过与物理模型试验结果对比,验证了模型的可靠性,进而利用该模型推演了高地温水工高压隧洞的多物理场耦合演化过程,分析了不同影响因素下的承载特性。研究结果表明：隧洞充水运行后,高地温水工高压隧洞的多场耦合效应显著,尤其高地温梯度和高内水压力联合作用下产生的迭加拉应力对围岩的承载安全具有不利影响;温度梯度、内水压力以及岩体线膨胀系数越大,隧洞围岩的损伤程度与开裂深度越大;当隧洞横断面的侧压力系数趋向于1时,洞周出现的宏观裂缝较多,且出现方位不确定;当隧洞横断面侧压力系数小于1/3时,洞周出现的宏观裂缝相对较少,且主要出现在与初始地应力的最大主应力方向相平行的方向上。常规锚喷支护对高地温水工高压隧洞的加固效果不佳。