高昌古城土遺址加固工程凍融試驗(yàn)研究

涂  曉，陳  平

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安7 10055)

    高昌古城位于吐魯番市東45 km處火焰山南麓的木頭溝河三角洲，是古絲綢之路的必經(jīng)之地和重要門戶。它始建于公元前l世紀(jì)，初稱“高昌壁”，為“絲路”重鎮(zhèn)。后歷經(jīng)高昌郡、高昌王國、西州、回鶻高昌、火洲等長達(dá)1 300余年之變遷，于公元14世紀(jì)毀棄于戰(zhàn)火。l961年，這里被列為全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

    由于歷經(jīng)戰(zhàn)火，加上自然與氣候變化等原因，高昌古城只留下殘破的土遺址。近年來，國家開始并重視古建筑、古遺址的維修與加固，開始對高昌古城遺址進(jìn)行修繕加固。對土遺址的修繕加固，與保護(hù)古建筑一樣，要“修舊如舊”。當(dāng)前對土遺址的加固，主要采用巖土注漿和巖土錨固技術(shù)。由于土遺址的特殊性以及古建筑加固保護(hù)的原則要求，目前世界范圍大多應(yīng)用膠結(jié)和引入筋材原理，即采用化學(xué)加固、物理加固或化學(xué)物理相結(jié)合(化學(xué)錨固技術(shù))的方法加固土遺址!”。

    高昌古城遺址由含沙量較高的生土挖造和板筑泥建造而成，受大風(fēng)和沙暴的磨蝕破壞非常嚴(yán)重，加之雨蝕的交替作用，使遺址墻面產(chǎn)生各種形式的片狀或塊狀剝離。其板筑墻上的草泥層被磨蝕殆盡，使遺址墻體被剝蝕得凸凹不平呈蜂窩狀，有的呈鱗片狀龜裂剝離，墻面上形成許多龜裂和即將剝離的小塊，以迎風(fēng)面墻體最為嚴(yán)重。根據(jù)實(shí)際情況，決定對墻體采用化學(xué)加固方法。檢驗(yàn)和研究加固材料對土體的凍融性能影響，是本文的目的所在。

1.試樣土體物理及化學(xué)分析

    1.1土樣的基本物理性質(zhì)分析

    本試驗(yàn)土樣取自新疆高昌古城遺址，通過測試，對土體的一些基本物理特性有所了解。新疆高昌古城遺址由砂土夯筑而成，土樣成大塊，呈堅(jiān)硬狀態(tài)，黃褐色，有孔洞，部份有裂隙；干密度l．709；其含水率只有0．35％～0．45％，水穩(wěn)定性差，遇水崩解。

    1.2遺址土樣的化學(xué)全分析

    高昌古城遺址土樣化學(xué)全分析結(jié)果見表1。

2.試驗(yàn)采用的加固材料

    目前所用土遺址加固保護(hù)材料很多，本文采用國內(nèi)外普遍認(rèn)可的無機(jī)加固保護(hù)材料：水玻璃與有機(jī)類加固保護(hù)材料——有機(jī)硅改性丙烯酸酯樹脂(硅丙乳液)作為加固劑。加固后檢驗(yàn)土體加固后的凍融試驗(yàn)效果，為土遺址保護(hù)的實(shí)用加固技術(shù)提供理論依據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

    土遺址加固方法有噴灑、浸泡、注射、涂刷等方法。通常采用的加固方法是在土遺址表面直接噴涂加固劑，此種方法的滲透深度很小，再加之本試驗(yàn)中試樣密實(shí)，加固效果不好，故本次試驗(yàn)采用多次定量涂刷進(jìn)行試樣加固。由巖土工程化學(xué)知，在灌漿中，為了取得灌漿的良好效果，灌漿必須在受控制的情況下進(jìn)行。我國化學(xué)灌漿的控制方法有兩種，即定量法和定時(shí)法，在土遺址加固保護(hù)中加固溶液經(jīng)計(jì)算后進(jìn)行控制。按毛細(xì)飽和最大飽和度S，=85％計(jì)算，加固溶液用量按下式確定：

    式中：yd為試樣干密度(9／em3)；V為試樣總體積(cm3)。

    一般來說，加固劑濃度越大，強(qiáng)度提高幅值越大，加固效果越好。但當(dāng)加固劑濃度超過一定范圍時(shí)，容易在試樣表面產(chǎn)生富集現(xiàn)象，加固劑不能滲透到試樣內(nèi)部，另一方面，它又阻止了后來加固劑的滲入[3]。故對土遺址加固保護(hù)時(shí)加固劑濃度選擇很重要，關(guān)系到保護(hù)的成敗。參考有關(guān)資料，認(rèn)為硅丙乳液加固較密實(shí)的土遺址濃度低于25％合適[4]。因此，本文采用濃度為20％的水玻璃與硅丙乳液作為加固劑。

3.凍融試驗(yàn)研究

    新疆高昌古城采用夯土和土坯建造而成。由于本試驗(yàn)中土樣堅(jiān)固，自身就真實(shí)地反映土遺址本身的實(shí)際結(jié)構(gòu)，故試驗(yàn)直接采用原狀土樣進(jìn)行試樣制備。試驗(yàn)中共制備試樣2組，第一組為夯土，試樣被加工成50 mm x50 mmx50 mm的立方體，共l5個(gè)；第二組為土坯，試樣尺寸與數(shù)量同第一組。每一組又分為3個(gè)小組，每小組5個(gè)試樣。對其中兩小組分別采用濃度為20％的水玻璃與硅丙乳液作為加固劑，加固溶液用量式(1)確定，另一小組保持原樣。將定量加固劑分3次對試樣進(jìn)行涂刷，固化后,便可進(jìn)行凍融試驗(yàn)。

    本次凍融試驗(yàn)委托陜西省建筑科學(xué)研究院進(jìn)行，采用 PT-2230型凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)。以l2個(gè)小時(shí)模擬一年12個(gè)月平均氣溫，進(jìn)行反復(fù)凍融試驗(yàn)，先進(jìn)行5次循環(huán)，在每次循環(huán)完畢后目測或采用放大鏡觀察土樣的破壞情況。模擬高昌古城當(dāng)?shù)?/span>12個(gè)月份的平均氣溫見表2。

    3.1根據(jù)試驗(yàn)記錄發(fā)現(xiàn)的規(guī)律

    (1)夯土的抗凍融性能較土坯的性能好(夯土只有一個(gè)土樣出現(xiàn)裂紋，而土坯有三個(gè))。

    (2)經(jīng)加固劑處理過的土樣抗凍融性能較原樣土的性能好(出現(xiàn)裂紋的都是原樣土，而加固后的土樣則沒有出現(xiàn)裂紋)。

    (3)裂紋一旦產(chǎn)生，則不斷發(fā)展，擴(kuò)大，直至形成貫通裂紋；沒有產(chǎn)生裂紋的土樣則一直完好。

在5次凍融循環(huán)結(jié)束后，把土樣分為5組。每組包括原樣夯土；水玻璃處理過的夯土與硅丙乳液處理過的夯土；土坯原樣土；水玻璃處理過的土坯與硅丙乳液處理過的土坯，每組6個(gè)土樣。對其中四組分別添加5％，l0％，15％，20％的初始含水量，用塑料袋密封包裹后放入恒溫箱內(nèi)靜置l d后再進(jìn)行凍融試驗(yàn)，另外一組保持原樣，以進(jìn)行對比。

    3.2根據(jù)試驗(yàn)記錄進(jìn)行的分析

    (1)隨著添加含水量的增加，土樣的下半部分有遇水饋解的趨勢，并出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

    (2)在低于20％的含水率下，土樣的破壞情況隨含水率的增加而增加。

    (3)在同一含水率下，經(jīng)加固劑處理過的土樣抗凍融性能較原樣土的性能稍好。

4.試驗(yàn)結(jié)論

    經(jīng)過加固土樣在原含水率及添加初始含水率兩種情況下的凍融試驗(yàn)研究，本文得出以下結(jié)論。

    (1)在未添加初始含水量以前，由于土體天然含水率很小，經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，土樣很少出現(xiàn)破壞。經(jīng)觀察分析；夯土的抗凍融性能較土坯的性能好，經(jīng)加固劑處理過的土樣抗凍融性能較原樣土的性能好，這兩種加固劑均能提高土體的抗凍融性能。

    (2)添加初始含水量后，在含水率不大于20％情況下，隨著含水率的增大，土樣的破壞情況愈嚴(yán)重，加固劑對提高土樣的抗凍融性能作用不大，因此這兩類加固劑不適宜在較潮濕且溫差大的地區(qū)進(jìn)行土體加固。

    (3)在本次凍融試驗(yàn)中，無法區(qū)別水玻璃與硅丙乳液對提高土體抗凍融性能的作用，需進(jìn)行更深入的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 王旭東．中國西北干旱環(huán)境下石窟與土建筑遺址保護(hù)加固研究[D]．蘭州大學(xué)，2002．

[2]聯(lián)合國科教文組織．文物保護(hù)中的適用技術(shù)[M]．北京：中國對外翻譯出版公司，l985．

[3]王贊．西北干旱地區(qū)土遺址保護(hù)實(shí)用加固技術(shù)研究[D]．西安建筑科技大學(xué)，2006．

[4]蔡東艷，韓曉雷．水玻璃加固土的特性研究[J]．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)。2004，36(6)：233—235．

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 溫紅娟 尹維維 編輯  文徑 審核)