高昌故城遗址的ps加固试验研究

高昌故城遗址的ps加固试验研究

1加固后试样的选择土壤加固保护效果与所采用的加固材料性能和加固工艺方法密切相关。然而，加固后，影响土壤保护效果的重要因素是环境。近几年,PS已经大规模地应用于我国西北干旱半干旱地区古代土建筑遗址的保护,并取得明显的加固效果。但是,这一地区特殊的环境因素,如强劲的风蚀,剧烈的温度、湿度变化、冻融以及集中式的强降雨等因素是如何影响PS对土遗址的加固效果的,一直不甚清楚。本文主要通过崩解试验、风洞试验、冻融试验及温差循环破坏等相关试验,对比了PS加固前后试样的力学强度和弹性波速的变化,以此来检测经PS加固后的土遗址抗环境因素破坏的能力,为评价PS加固土遗址的效果提供理论依据。吐鲁番交河故城和高昌故城是古丝绸之路上著名土建筑遗址,是第一批国家级的文物保护单位,又是十一五期间国家重点加固保护的遗址,因此试验选在交河故城和高昌故城进行,既有代表性,对丝绸之路土遗址保护也有重要意义。另外,根据建造的工艺方法和破坏程度的不同,可以将土遗址的土体分为高(1.7g·cm-3)、中(1.5g·cm-3)、低(1.45g·cm-3)三种密度,但土遗址风化层土体一般为中低密度,也是需要保护加固的土体。实际上,土建筑遗址大多为夯土,也有少量的土坯和垛(又称版筑泥),因此,选高昌故城城墙夯土制作试样进行试验具有很强代表性。根据土遗址现场具体情况,样品也分为高、中、低三种密度,设计为5cm×5cm×5cm的方体,其中,高密度样为原状夯土切割而成,中低密度样为重塑样,制样含水率17%;待试样完全自然干燥后,用模数为3.85、浓度为5%的PS溶液以喷洒和滴渗相结合的方法进行加固。将试样分为两组,即PS加固样和未加固样,每组中都含有高(原状夯土样)、中、低三种密度的试样,以进行对比试验。2环境因素对ps加固效果的影响2.1ps加固后试样的崩解行为PS加固前后的崩解特性呈现出很大的差异性(图1)。首先,初始崩解时间明显延迟。未加固样入水1min内即开始崩解,低密度样入水即崩解,中密度样次之,高密度样最慢;经PS加固后,试样10min以后才出现明显的崩解现象,高密度样全部延迟到25min以后,低密度样抗崩解性最为显著,1#在5h后表面开始出现两条细小裂隙,20h后,3#出现细小裂隙,8d后2#仍然完好,没有任何崩解迹象。其次,崩解速度大幅降低。高密度样和中密度试样加固后的崩解速度分别由原来的17.88g·s-1和55.36g·s-1,降低到4.72g·s-1和15.04g·s-1,仅为原来的1/4,低密度重塑样加固前,平均速度高达57.04g·min-1,加固后5h内没有崩解反应。此外,崩解形式各异,产物也不一样。未加固样从表面纷纷扬扬散落,崩解产物为均匀的散粒状或泥状,见图2上方;经PS加固后,水从PS加固层或小裂隙中浸入,内部干土饱和膨胀最终导致试样开裂,崩解产物呈块状或板状,见图2下方,而且有一定的厚度和硬度,具有很好的抗水崩解性。试验表明PS加固后的试样具有很好的抗水崩解性,同时又具有很好的透水性。低密度加固样的抗崩解性能最为突出,高密度样次之,中密度样最差,这是因为,在制样过程中中密度样出现开裂,虽经修补,并没有充分粘合,导致样品沿着裂隙方向崩裂。2.2沙化的生态修复对样品风蚀的影响采用兰州大学直流下吹式风洞设备模拟现场的风蚀破坏。根据现场的风沙状况,室内试验采用10m·s-1净风、10m·s-1、15m·s-1、20m·s-1和30m·s-1的挟沙风对试样进行吹蚀,时间为15min～30min,紊流强度在0.4%以下。大量研究表明,风是引起土壤风蚀的最直接动力,风速越大风蚀能力越强,在一定风速条件下,风沙流以其磨蚀和撞击作用,极大地削弱土壤的抗风蚀性,使土壤变得更易风蚀。试验结果显示,净风吹蚀对样品的风蚀破坏十分有限,10m·s-1净风持续30min,只能吹走试样表面附着的散粒或者胶结不好的小颗粒,对样品基本没有破坏能力,加固样几乎没有任何变化,未加固样破坏甚微,强度最弱的低密度样的风蚀模数也只有0.12kg·m-2·h-1。风蚀破坏主要发生在挟沙风条件下,当风速达到起沙风速以上,开始出现明显的风蚀,且随气流的挟沙能力的增大风蚀量迅速增加。未加固土样的风蚀态势增大最为突出,呈现出明显的指数增长的趋势:而加固土样在15m·s-1时出现风蚀,风蚀量且随风速增大缓慢增加,即使挟沙风速达到30m·s-1时,试样的最大风蚀模数也只有0.94kg·m-2·h-1,而同等条件下未加固样的风蚀模数分别为8.52kg·m-2·h-1、5.46kg·m-2·h-1、14.4kg·m-2·h-1,抗风蚀强度提高10倍以上,可见PS加固样表现出更好的耐风蚀性(图3～图5)。2.3抗冻融能力和初始含水率根据土遗址加固保护的特殊要求和气候特点及遗址现场的客观环境,制定规范:在16～20℃条件下,在-30℃时冷冻12h,再于RH16%保湿器中融化12h,如此为一周期,共循环20次。试验结果表明:初始含水率为20%的试样仅经历5次冻融循环即出现微裂隙,7个循环完全开裂;而初始含水率为12%的试样经历8次冻融循环才出现微裂隙;含水率为4%的试样经历10次循环基本完好,20个循环后才有较大程度的破坏,出现数条小裂隙,其力学强度呈现很大程度的下降。PS加固样表现出了很好的抗冻融能力,高、中密度加固样的无侧限抗压强度分别降低了35.7%、26.3%,而未加固样分别降低了47.3%、38.4%。土样经历反复冻结和融化作用后逐渐产生破坏,破坏程度取决于冻融次数和初始含水率。冻融次数相同时,试样被破坏的程度随初始含水率增大而增加。产生这种情况的原因主要有两个:一是由于温度的循环变化,土颗粒不断地经受热胀冷缩作用;二是当土温低于土体中水的冻结温度时土中部分水冻结会产生冻胀,增大土中的孔隙体积,随初始含水率增大,冻胀加剧且被增大的孔隙体积在土体融化后不能完全复原。PS加固以后,土体结构的变化增强了抵抗冻胀的能力。初始含水率相同时,试样被破坏的程度随冻融次数增加而加剧,试样的弹性波波速也随之降低,不同试样的降幅相差较大(图6)。对土遗址而言,分布较为脆弱的是中密度部分,但其经PS加固以后,降低幅度减小,抗冻融的能力明显提高。2.4加固样密度对高温下抗压强度的影响试验在新疆吐鲁番交河故城现场进行,根据当地气候特点设置温差破坏对力学强度影响试验规范(表1)。试样经过150d的养护试验后,无侧限抗压强度出现了较大的变化(图7)。无论高密度样还是中密度样经过温差循环以后抗压强度明显提高,其加固样也有同样的规律,高密度样表现得更为明显一些。其中,高密度样提高了69.05%,其加固样提高了29.05%,中密度样提高31.82%,其加固样相应提高了8.97%。这说明较高温度的烘箱养护在很大程度上提高了试样的力学强度,PS加固样也有很好的同步性,且具有较好的抗自然高温的能力。试样风干条件对试样的抗压强度也有较大的影响(图8)。烘箱中干燥的试样,无论是高密度样还是重塑样,都比自然干燥试样的抗压强度要高,高密度样较重塑样更明显,平均增加0.9MPa,远远大于重塑样的0.14MPa。2.5循环次数和循环次数根据土遗址加固保护的特殊要求和气候特点及遗址现场的客观环境,温湿度变化设置为:温度恒定为20℃,湿度设置为25%～85%,72h循环一次,共循环50次。由图9可以看出,干湿循环对试样具有较大的破坏作用,高密度样和中密度样的无侧限抗压强度分别降低了12.59%和6.15%,其加固样分别降低了14.81%和15.79%,加固样降低幅度稍大,但循环破坏后其抗压强度仍比未加固样大,这说明干湿循环对试样具有较大的破坏作用,破坏以后PS加固样仍然具有更好的力学强度。3ps加固西北干旱半干旱地区的土遗址的可行性(1)土遗址所处地区的复杂的环境因素是导致病害发展的外部原因,因此,减弱环境因素的负面影响是土遗址保护工作的有效途径。水稳定变化、风洞、冻融、温差及干湿破坏等试验表明,经PS加固