中国丝绸之路夯土长城监测预警研究——以嘉峪关关城为例

嘉峪关关城是世界文化遗产中典型的土遗址类型.因年久失修、日照风雨侵蚀等因素影响,夯土墙体出现了墙体表面风化、酥碱脱落、坍塌裂缝倾斜等现象,严重制约着文化遗产的可持续发展.针对土遗址所面临的病害问题,建立监测预警指标体系,制定科学的预警值,实现预防性保护.通过监测预警管理,旨在减缓或降低各类风险因素对土遗址带来的危害,使嘉峪关关城得到更科学有效的保护.     

定远营遗址稳定性和微观劣化的研究

在自然环境的反复作用下,土遗址表层持续劣化并产生宏观病害,致使土遗址本体的稳定性存在隐患,合理评价土遗址的安全性为文物界所关注.以西北地区阿拉善盟定远营城墙为研究对象,定性分析城墙各段病害,测定城墙土样的基本物理指标和力学性能,运用ABAQUS软件进行数值模拟,对比分析自然状态和降雨条件下的城墙稳定性,发现随含水率提高城墙存在失稳的危险.在宏观劣化现象分析基础上,运用X射线衍射仪和扫描电镜技术对城墙内外部夯土的成分和微观结构进行研究,探讨城墙劣化的机理.对土遗址稳定性和微观劣化的分析方法揭示了残存土遗址的真实状态,有助于土遗址的保护和修复,避免土遗址修复方案的盲目性.     

土建筑遗址墙体温度变化规律

热劣化在土遗址老化过程中起着不可忽略的作用.在新疆交河土遗址中,采用人工夯土墙植入硅半导体传感器的方式,进行温度监测.结果表明在墙体内部靠近西表面处的温度变化比其他墙体内部测点的温度变化更为剧烈。且从墙体表面向墙体中心有明显的温度梯度变化,可以得出环境温度变化影响着土粒的膨胀和收缩变形存在着差异性.     

圆明园舍卫城城墙夯土工艺的科学分析

圆明园位于北京西郊，是一组清代的大型皇家园林，蕴涵丰富的历史、文化、宗教和考古价值，自英法联军火烧圆明园，此后又经历数次劫难，风化破坏十分严重，严重影响遗址的保存与展示。通过舍卫城遗址现场勘查，其城墙夯土遗址共分为14层，形制与普通夯土存在明显的不同，具有典型清代官式建筑土作的做法，目前关于清代官式建筑营造记载的文献主要集中在《工程做法则例》中，但关于“灰”与“土”的内涵缺乏科学认识与解读，为了舍卫城保护修复过程中修补材料的准确应用，舍卫城遗址夯土工艺就十分必要。因此针对这一关键问题，本文采用X射线衍射分析、激光粒度分析及密度与孔隙率分析等手段，对圆明园舍卫城城墙的夯土进行了较为全面的理化检测和工艺性能研究。结果表明，舍卫城城墙主要由石灰和土组成，且没有人为添加细砂，灰土比最接近二八灰土，与古文献《工程做法则例》中的十六把小夯灰土相吻合。同时，通过多种科学数据对比，可进一步推测在夯筑灰土过程中，下层夯土使用了更多的灰土量。多层次的夯土制作工艺，展示了清代宫廷工匠对夯土技术的工艺认识和制作方法。对舍卫城城墙土作工艺进行复原，相关结果为研究圆明园的建筑特点，夯土城墙的文物保护和科学修复等内容，提供了重要科学支持和有益借鉴。     

夯土遗址表层热劣化模拟试验研究

以武威明长城夯土遗址为例,通过现场调查及室内模拟试验,研究分析夯土遗址表层的热劣化机制.X射线衍射及电镜扫描试验表明:遗址表层与母墙土的矿物成分相似,表层微观结构平滑,但风化明显.热劣化模拟试验表明,试样表层热传导系数、热扩散系数及体积比热均低于母墙.热劣化过程中,表层与母墙的热传导系数与热扩散系数均维持稳定.研究认为,夯土遗址表层与母墙组成具有热性质差异的双层结构,在温差作用下,双层结构间的稳定热差异会使其接触面产生热应力差.热应力差的持续作用使接触面劣化疲劳,导致遗址表层与母墙分离,产生剥离病害.     

土遗址片状剥离加固现场渗透试验

中国西北地区存在有大量的土遗址,由于长期受到风吹雨淋及水盐运移导致表面盐分的富集,使表面片状剥离加剧,已经成为土遗址破坏的主要病害之一.通过滴渗和喷洒渗透2种试验,研究了糯米浆液和SH浆液2种新型材料对墙体表面的加固效果,采用检验墙体表面贯入阻力、渗透深度和渗透量的变化检验材料的加固效果.采用红外热成像技术判断加固后的墙体与原有墙体兼容性.结果表明糯米浆液和SH浆液均能作为新的加固土遗址片状剥离的新材料.     

嘉峪关关城夯土遗址的主要病害及成因

嘉峪关关城夯土遗址是嘉峪关明长城中较为典型的遗址,具有非常高的历史科学价值。嘉峪关关城夯土遗址的主要病害是城墙开裂、楼体倾斜、彩饰彩画剥落、墙体渗水等。产生这些病害的原因除与遗址自身因素有密切关系外,还与风沙蚀、雨蚀、温差变化、其他因素的影响有极大关系。     

干旱区线性夯土遗址径流型冲沟影响因素

为了深入研究夯土遗址径流型冲沟病害的发育机理与科学防治方法,展开径流型冲沟发育活跃程度的影响因素研究.选择具有相同赋存区域、时代和工艺属性、分布于研究区的线性夯土遗址明长城为研究对象,通过对17处明长城1 km长度遗址上冲沟的数量和形态特征的调查统计,提出表征一个地区冲沟发育活跃程度的特征值冲沟线性密度和收缩率.利用回归分析法筛选出崩解速率、液性指数、黏聚力、年均降雨量、年均日极端降雨量和年均气温日较差作为主要影响因素.最后,通过熵权灰色关联法建立影响因素评价模型,得到系统内的影响因素关联大小为崩解速率>液性指数>黏聚力>年均气温日较差>年均降雨量>年均日极端降雨量.在西北干旱区夯土遗址径流型冲沟发育过程中,夯土自身因素的影响比环境因素影响更为显著.     

面向材料老化的遗址土特性研究——以销阳城遗址为例

暴露在自然环境中的土遗址在降雨、风沙和温度变化的长期影响下，材料功能不断退化。以锁阳城遗址土为研究对象，测试遗址土物理、化学、热学和力学特性，为开展土遗址建筑材料老化机理研究提供基本参数。结果表明，不同方位城墙遗址土均为低液限黏土，矿物成分主要为石英、长石、云母、绿泥石、方解石和白云石，易溶盐主要为NaCl和CaSO₄。不同方位城墙土体颗粒及矿物组成造成物理力学性质差异。东城墙的可溶盐总量较大，矿物风化程度最大。西城墙土体的导热系数和热扩散系数最小，热劣化损伤程度最小。原生夯土比重塑试样的结构性更好，具有较高的抗压强度和抗剪强度。在土遗址夯筑砌补加固施工过程中，分层夯筑有利于提高结构稳定性。     

胶木棒锚杆在唐皇城含光门土遗址锚杆锚固中的应用

针对唐皇城墙含光门土遗址出现的夯土脱落、变形裂隙、建筑工艺裂隙等病害现状,对该遗址的土体性能进行了测试分析,设计了适宜于半干旱、半湿润地区土遗址的胶木棒锚固锚杆。结果表明:对比其他土遗址类锚杆,采用均匀分布阻力棒的胶木棒锚杆具有抗腐蚀、强度大、韧性好等特点;此胶木棒锚杆性能优异,已成功应用于唐皇城墙含光门土遗址等重要文物的保护工程中。     

土楼夯土结构受力变形特性的数值模拟

以福建永定土楼中的九盛楼(方形)及侨福楼(圆形)为研究对象,采用ANSYS有限元软件,对土楼夯土结构建立整体模型,并通过数值模拟对两种典型的土楼进行对比分析.结果表明:夯土墙体的最大应力在材料实测的峰值应力以下,其结构强度符合要求;圆形土楼的位移和应力随厚度均匀分布,夯筑形式更加合理.同时,分析夯土结构的薄弱部位,为土楼的加固和维护提供依据.     

圆形福建土楼模态分析

为了研究福建土楼的动力特性,运用有限元数值模拟方法,将土楼简化为外部夯土结构、夯土-木构混合结构两种模型,并对模型进行模态分析;研究夯土弹性模量、夯土密度、夯土墙高度、土楼结构平均半径及夯土墙平均厚度等5个因素对土楼外部夯土结构自振频率的影响.结果表明:夯土结构自振频率随着夯土弹性模量、夯土墙平均厚度的增加而增加,随着夯土密度、夯土墙高度、土楼结构平均半径的增加而减小;夯土结构自振频率与夯土弹性模量的平方根近似成正比,与夯土密度的平方根及夯土墙高度近似成反比;不同阶自振频率曲线发生重合现象,说明圆形土楼夯土结构可能存在密频现象,也说明材料特性变化对不同阶自振频率的影响基本一致;土楼结构平均半径和夯土的弹性模量的参数敏感性最大,夯土密度的参数敏感性较小.     

干旱区夯土遗址表面剥离二元结构特征与形成机制

通过对分布于中国干旱区规模最大的线性遗址明长城9处不同气候分区地点表面剥离形态特征的调查与统计,结合逐地逐层样品的颗粒分析、孔隙率及易溶盐含量实验结果,揭示了表面剥离所具有的二元结构特征.在此基础之上,通过不同条件下逐地逐层土体不同条件下的颗粒分析实验、缩限含水量测试以及剥离形态、颗粒组成和含盐特征值与环境因素和夯土性质因素特征的联合分析,初步阐释了夯土遗址表面剥离二元特征形成及发育过程中盐分分异、不均匀收缩两个重要机制;证实了环境因素和夯土自身因素对表面剥离发育形成和发展的控制性影响.     

干湿与盐渍耦合作用下土遗址强度劣化机理

通过集中降雨过程3处典型遗址温度和含水率的实时监测,发现遗址内部不同位置土体经历耦合作用的频率与程度存在差异.通过对分别掺入不同含量Na_2SO_4、NaCl,经历不同期次干湿循环的遗址土重塑样的强度指标测试和粒度分析,得出试样的抗压强度、抗拉强度、内聚力、粗粉粒质量分数和粒度分维值都随含盐量和干湿循环次数的增加而产生规律性调整.数学统计分析证明不同频率与程度耦合作用下遗址土宏观强度指标的变化与粒度分析指标调整之间存在定量关系,分析和讨论了干湿盐渍耦合作用下遗址土强度劣化的本质原因、遗址消亡过程的形式和速度与遗址土强度劣化过程之间的联系.     

同步实施的相邻基坑相互作用机理

采用数值方法建立基于小硬变硬化(HSS)本构模型的相邻基坑模型,将其与单个基坑模型和不考虑墙土摩擦的相邻基坑模型进行对比分析,得到了同步实施的相邻基坑的受力变形特性,揭示相邻基坑相互作用机理.结果表明：坑间土体中存在两种土拱效应,一种是由墙体不均匀变形引起的土拱效应,另一种是由墙土摩擦引起的土拱效应,两者共同影响作用在围护墙上的土压力.随着基坑间距的减小,前者减弱,导致开挖面附近土体向被支撑土体的土压力转移减弱;后者增强,导致作用在相邻围护墙上的土压力减小.在两者的作用下,随着基坑间距的减小,作用在相邻墙体上的土压力先由R型分布向线性分布发展,再向R型分布发展,非相邻墙体水平位移最大值增大,相邻墙体水平位移最大值先增大后减小.     

干旱、半干旱地区干湿与盐渍复合过程遗址土强度响应实验研究

以20处土遗址的物理性质参数测试、易溶盐监测和气候环境研究的相关数据为基本依据,分别掺入不同含量Na2SO4和NaCl,并对经历干湿循环的遗址土重塑样进行强度实验,最后结合实验结果和定性分析对复合过程土遗址强度响应的规律与机理进行讨论.研究结果表明:遗址土的抗压、抗拉和抗剪强度对该复合过程产生明显的衰减性响应行为,试样的各种强度参数与掺入盐分的含量之间存在良好的相关关系,而且其回归方程服从指数法则.     

固化夯土材料强度特性与耐久性能试验

随着生态建筑的大力推广,夯土技术被广泛应用.基于改良夯筑方法,针对含有不同黏土矿物的膨润土、高岭土和天然土的夯土试样,开展以水泥和石灰为固化剂的11种不同配比,4种养护龄期(3、7、28、56d)条件下的无侧限抗压强度(un-confined compressive strength,UCS)试验和吸水试验,研究固化夯土材料强度特性以及耐久性能.研究结果表明:随养护龄期的增加,膨润土试样的强度逐渐增强,高岭土试样的强度先增加而后小幅衰减,而对于天然土试样,仅当水泥和石灰等量配比时,其强度先增加而后减小,其余配比条件下,试样强度逐渐增强;对于同一类试样,水泥在试样耐久性和抗风化能力方面相较于石灰表现出更好的固化作用,但石灰含量的变化对试样强度的影响效果各不相同;整体而言,3种试样中高岭土表现出最优的强度和耐久度,其次是天然土,膨润土试样的强度和耐久度最差.进一步对实验结果进行了拟合并得到固化夯土试样无侧限抗压强度增长函数模型,该函数能良好地描述其夯土材料强度增长规律.     

焦山古炮台夯土成分及力学性能

为确定焦山古炮台修复工程中夯土主要材料的配比及改进其制作工艺,采用传统方法试制了夯土试样,通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜,对比分析了古代夯土与现代夯土的组成成分,综合确定焦山古炮台夯土的成分比.通过测试夯土试样的力学性能,得到其应力应变曲线.结果表明,焦山古炮台夯土的主要材料土、石灰、细砂的配比为4:3:3,其力学性能与混凝土类似,用改进的Saenz公式能很好地拟合其本构关系.分析结果可为类似古建筑维修工程提供参考.     

新郑门遗址土力学性能劣化规律研究

土遗址在我国分布广泛,形式繁多,随着遗址的暴露时间增长,其力学性能会出现一定的劣化现象.以开封市新郑门遗址土作为研究对象,取暴露时间不同的土样进行直剪实验及室内固结实验,得到了不同暴露时间下遗址土的抗剪强度及压缩模量.实验结果表明:随着暴露时间的增长,土体抗剪强度和压缩模量均有一定程度的降低.经分析,开挖引起的土体卸载回弹、环境温度及湿度变化是其性能劣化的主要原因.对实验结果进行数学拟合,得出遗址土的黏聚力、内摩擦角及压缩模量的劣化规律.在开挖的早期时间内,遗址土的力学性能劣化幅度较大,随着暴露时间的进一步增长,其劣化速度有一定减缓.依据实验结果及其影响因素,提出了相应的保护措施,为土遗址的保护提供参考.     

明代夯土长城的城墙材料与构造——以大同镇段为例

为了深入了解夯土长城的材料和构造特征,在对现存明大同镇段长城这一典型夯土长城遗存进行实地考察的基础上,借鉴土力学的相关理论和方法,对城墙夯土材料的种类和存在方式进行了分类统计,并从基础做法、夯层厚度、夯层构造和铺设植物枝条做法等方面分析了城墙的构造特征,揭示出夯土长城在材料和构造方面的丰富性以及与环境的密切相关性.结果表明,明大同镇段夯土长城的城墙高度一般为6~10 m,墙面斜度一般为70°~80°,夯层厚度多为150~250 mm,夯土材料由细粒土、砂砾、碎石、块石和植物枝条组成,夯土材料中砂砾、碎石和块石的含量与地形和土壤环境有密切关系,证明取材方式为就近取土,夯层中砂砾、碎石和块石或铺砌或掺杂的多种构造方式反映了古人基于当地土质和实践经验对夯层构造的改良,少数案例显示了夯土中可能铺设了植物枝条作为连接筋,反映了古人的夯土技术成就.