遺址土力學性能研究

韓順利 馬 琪

（1、西京學院 陜西省混凝土結構安全與耐久性重點實驗室，陜西 西安 710123 2、江蘇 沛縣 221600）

1 概述

土遺址的主要建筑材料是土，土遺址的特點首先是遺址規模比較大，其次是年代久遠。但由于風蝕、雨蝕、微生物入侵以及人畜踐踏等多重不良因素的作用，致使土遺址墻體強度降低，破壞較嚴重，所以急需采取相應措施進行保護。

胡富利[1]在夯土遺址裂隙改性注漿材料性能試驗研究中，探索出符合土遺址裂隙加固的注漿材料，確定基于綜合性能的最佳配比；諶文武等[2]在糯米漿溫度對糯米灰漿加固遺址土的影響研究中，得出當糯米漿濃度為6%時,改良的遺址土樣的硬度、縱波波速、無側限抗壓強度的值較大。在中國古代建筑中，糯米漿因其韌性好、防滲性能穩定、粘聚性強而廣泛適用于古城墻、寺廟與水利工程等相關建筑中，其由糯米粉與水加熱混合熬制而成。

同時，惡劣的氣候條件對土遺址區有非常大的影響，凍融下的土體呈現一個損傷不斷積累的過程，受到凍融后，其力學性能顯著降低。凍融使密實土的孔隙比增大，松散土體的密實度減小。在中國，多年凍土與季節性凍土面積達到2.15x106平方千米，其對建筑造成嚴重破壞，建筑內部因凍融而產生風化，本文是在結合前人研究成果的基礎上，提出針對遺址土抗風化性能研究，探究人工制備遺址土在經過凍融循環后的基本特性，為古遺址區保護與修復提供參考依據。

2 土樣制備

2.1 土料性質

本文制備的遺址土主要來源于正在進行施工的建筑基坑下3.5～4.9 米的土壤，土體為馬蘭黃土，其顏色為褐黃色，土體的濕陷性系數為0.062。土體基本性質指標如表1。

表1 天然黃土基本物理性質

2.2 實驗材料與方法

本文研究人工制備遺址土的動力特性及其改良機理，天然黃土的基本物理性質見表1。主要針對加糯米漿和不加糯米漿的重塑土樣，以及在不同動荷載情況下的土樣破壞點進行對比。分析糯米漿對遺址土保護的影響。在制作土樣之前，先進行篩分，采用2mm 篩，之后將土料放進烘干箱，使得含水率為0，之后開始進行配含水率與糯米漿含量。本實驗采取的方法是固結不排水的情況下進行的。

2.3 制樣準備工作

在配制實驗所需土樣時，量杯稱取所需質量的1000 毫升水、糯米粉150g 進行熬制，糯米漿熬制30min 后，糯米漿液呈現為漿糊狀，將其倒入定量的土料中，土與糯米漿比為100：0 和90:10，糯米土的含水率為16%，加水拌和。（未加糯米漿的土樣，只需加水拌和即可），然后稱取340g 混合土料放入靜壓加載裝置中，分兩層加壓，第一層加壓成型后，進行刮毛處理，加入剩余混合料，再次加壓，最后脫模成型成型。

2.3.1 人工制備遺址土試驗工況（表2）

表2 糯米漿與土質量比試驗工況

土是三相體系，包括：固體顆粒（構成土的骨架）、氣體、水，其中氣體與水填充在土骨架的孔隙中，凍融循環過程中，溫度正負的變化，會導致土樣內的水分子會產生相變，除此以外，還存在著著水分的遷移，所以，土體的孔隙形態會產生顯著變化。

經過多次凍融后，粘聚力均有所下降。當粘聚力升高時，內摩擦角減小。未加糯米漿土樣的粘聚力遠遠小于加糯米漿的土樣。同一種土，密度越大，則其原始粘聚力越大。

2.3.2 凍融循環結果

本實驗是在-20℃到20℃，土樣分別凍融0、5、10、15 次，每次24 小時。土樣的凍融循環，實際上是固、液相變的動態過程，模擬較為惡劣的自然氣候條件。由于在凍融過程中，實驗時來往人群較多，需在所用儀器設備前貼標簽，防止他人破壞凍融效果。經過凍融循環后，發現凍融次數越多的土樣其強度越低。土體裂隙在凍融交替過程中產生，土樣內部土體骨架發生不可逆的細微損傷，破壞土體結構性和完整性。

3 動三軸實驗

基本步驟：

動三軸實驗實驗的原理是根據土壤受力達到極限破壞狀態，是在三軸應力條件下，先通過橡皮套對試樣施加一個各向相等的圍壓力σ1=σ2=σ3=σc固結，然后進行固結不排水實驗。

實驗前，需要準備好橡皮套、透水石、濾紙，還要仔細檢查橡皮套是否破損漏氣。實驗時，底座安裝試樣，降低試樣高度后，壓力室放在底座上，安裝完成后，升高試樣，壓力室注水直到注滿為止，扭緊螺栓，通過液體施加圍壓，開始進行實驗。實驗第一階段，受到靜水壓力的各向同性加載，試樣在各主方向上發生相等應變。第二階段，施加軸向載荷時，設置相應參數，逐漸增大垂直壓力直至破壞。

通過圍壓100 時的相關數據可以看出，圍壓相同時，加糯米漿的土樣與不加糯米漿的土樣相比，加糯米漿土樣粘聚力c 增大，糯米漿土樣的阻尼比有所提高。在粘結力增大時，土顆粒很少出現相對滑動的現象。此外，凍融循環時間越長的土樣，在動三軸下，破壞越快。經過凍融的土樣相比于未經過凍融的土樣，破壞程度嚴重一些。凍融作用隨凍融次數的增加而增強。土樣的內部結構逐漸被破壞，削弱了土樣的抗剪切能力。

當圍壓均為300 時，土樣在動三軸下可以看出，土樣的變形和強度由其內部結構決定。隨著圍壓的增大，土顆粒內部結構被擠密，土樣內部結構穩定性增強。所以，高圍壓階段，結構性參數的變化趨于穩定。宏觀上達到相同動應變時的動應力增大。未加糯米漿的土樣與加入糯米漿的土樣對比，效果更明顯，在圍壓為100KPa、300KPa 時，應力應變曲線呈現硬化型。當軸應變增加時，糯米土極限強度趨于平緩。振次相同時，動強度隨圍壓的增大而增大。

由圖1 知，振動次數越小，動應力越大。振動次數越大，動應力越小。

圖1 震動破壞次數與動應力關系曲線

在含水率相同的條件下，圍壓增大時，動應力～動應變曲線增大，斜率變陡。動彈性模量可由動應力與動應變關系曲線得到。含水率保持不變，最大動彈性模量隨圍壓的增大而增大。在同一固結圍壓和動應變下，糯米漿土樣的動應力高于未加糯米漿土樣。這表明，糯米漿土可承受更大動應力。人工制備遺址土動模量與未加糯米漿土相近。

在100KPa 與300KPa 圍壓時，人工制備遺址土與天然黃土的破壞振次隨著動應力的增大而增大。同一振次不同土樣而言，人工制備遺址土能承受更大的應力。表明相同外界條件下，加糯米漿的遺址土抗風化性能更好，圖2。

圖2 強度應力包線圖

4 結論

4.1 相同含水率時，動應力-動應變關系曲線在彈性階段的斜率隨圍壓的增大而增大。動強度隨圍壓變化而變化，當結構屈服應力大于圍壓時，圍壓增大，動強度則增大。結構屈服應力低于圍壓時，圍壓增大，但動強度減小。

4.2 土樣經過凍融后，土體內自由水發生位移，土顆粒間膠結力減弱。凍融過程中，大顆粒分解成小顆粒。隨著凍融次數增加，土體內孔隙呈現增多趨勢，粘聚力先增大后減小，遺址土在凍融循環下，抗剪強度減小。凍融對未添加糯米漿的土樣劣化最為嚴重。

4.3 土質的擾動對遺址土的動力特性有顯著影響。土體剛度隨動三軸圍壓的增大而增大，從而土體強度增大。

4.4 由于實驗條件限制，動三軸實驗過程中土樣共出現四種狀況：拉伸破壞、壓縮破壞、剪切破壞、壓縮密實穩定。土樣的軸向應變隨振動次數的增加而增加，動彈性模量減小。

4.5 動三軸實驗摩爾應力圓表明：同種土樣，土體的抗剪強度隨著偏應力的增加而增強。