PS材料加固遺址土試驗(yàn)研究

和法國 ，諶文武 ，趙海英，孫滿利，張景科

(1. 蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州，730000；2. 蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州，730000；3. 古代壁畫保護(hù)國家文物局重點(diǎn)科研基地，甘肅 敦煌，736200；4. 敦煌研究院，甘肅 敦煌，736200；5. 西北大學(xué) 文博學(xué)院，陜西 西安，710069)

PS材料是中國文物工作者經(jīng)多年研究和實(shí)踐發(fā)明的一種用于文物保護(hù)加固的材料。目前，應(yīng)用于干旱、半干旱地區(qū)土遺址加固[1]，在甘肅的敦煌莫高窟、榆林窟、炳靈寺、麥積山，西藏布達(dá)拉宮、羅布林卡、薩迦寺、新疆交河故城、高昌故城，寧夏西夏王陵等多處保護(hù)加固工程中運(yùn)用，在中國文物保護(hù)工程、加固土質(zhì)古代長城和故城等文物中得到廣泛應(yīng)用[2]。李最雄等[3-6]對(duì)PS材料在古遺址保護(hù)中的應(yīng)用以及試驗(yàn)進(jìn)行了研究，并取得了很好的加固效果；趙海英等[7-9]研究了 PS 材料模數(shù)、濃度對(duì)干旱區(qū)土建筑遺址加固效果的影響，以及 PS加固西北干旱區(qū)遺址土的機(jī)理以及抗風(fēng)蝕效果；周雙林等[10-11]對(duì)文物保護(hù)加固材料性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究；和法國等[12-14]對(duì) PS材料加固土遺址進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，并對(duì)其加固效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)[15-17]。目前，人們對(duì) PS材料加固古長城和故城土以及綜合的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方面的研究很少。為此，本文作者根據(jù)PS材料在古長城土和故城土2類土遺址中的實(shí)踐應(yīng)用，為進(jìn)一步研究其加固性能，對(duì) PS加固遺址土進(jìn)行試驗(yàn)。古長城土樣取自定西地區(qū)秦長城夯土，對(duì)其加固試樣進(jìn)行常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)及耐久性試驗(yàn)。故城土樣取自新疆交河故城和高昌故城，針對(duì)其性質(zhì)及所處的環(huán)境對(duì) PS材料加固遺址土的性能進(jìn)行研究。

1 PS材料加固古長城土

試驗(yàn)共制作重塑樣42組，每組3塊，共126塊，根據(jù)古長城土的實(shí)際密度，分別設(shè)計(jì)了1.3，1.5和1.7 g/cm33種干密度，用PS加固后分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)、滲透性試驗(yàn)、耐水性試驗(yàn)、老化和凍融試驗(yàn)。選用模數(shù)為3.84的PS溶液，分3%，5%和7% 3種濃度，用滴注方法進(jìn)行滲透加固。

1.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

PS加固方法為滴注滲透，每次加固用量為最大飽和度的85%，對(duì)試樣采取1次加固和3次加固2種方式，加固后在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)1月。使用WE-30型液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可以看出：未加固重塑土的抗壓強(qiáng)度為0.31～2.10 MPa[7]，而加固后的重塑土抗壓強(qiáng)度為0.35～3.21 MPa，強(qiáng)度明顯提高，可見：PS加固可以得到比較理想的效果。濃度為5%的PS材料的加固效果比濃度為3%和7%的PS材料的加固效果好，尤其以加固3次時(shí)效果最佳。

圖1 加固1次時(shí)重塑土的干密度、濃度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.1 Relationship among dry density, consistency and unconfined compressive strength of remoulded soil reinforced for one time

圖2 加固3次時(shí)重塑土的干密度、濃度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.2 Relationship among dry density, consistency and unconfined compressive strength of remoulded soil reinforced for three times

對(duì)于重塑土加固，PS材料濃度不同，抗壓強(qiáng)度不同，隨著濃度的增加，加固體的抗壓強(qiáng)度增大。經(jīng)PS 3次加固后，強(qiáng)度明顯高于1次加固后強(qiáng)度。以未加固土為基準(zhǔn)，加固劑的有效利用率隨濃度的增加而逐漸減小，隨加固次數(shù)的增加而明顯提高。經(jīng)計(jì)算分析，當(dāng)加固次數(shù)相同時(shí)，5% PS溶液加固樣的強(qiáng)度增長率最大。因此，提高古長城土抗壓強(qiáng)度以濃度為 5%的PS材料為最佳[12]。

1.2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)用應(yīng)變控制盒式直剪儀，進(jìn)行直接快剪試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)密度稱好土質(zhì)量，以含水量10%左右拌勻后輕輕壓實(shí)裝入環(huán)刀，風(fēng)干后再滴滲定量的 PS材料，風(fēng)干待測。PS材料加固古長城土的抗剪強(qiáng)度如圖3所示，其中，τ為抗剪強(qiáng)度，σ為垂直壓力。

由圖3可以看出：經(jīng)過PS加固后，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角都明顯提高，可使土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角改變，增強(qiáng)土的抗剪強(qiáng)度、整體性和土體的穩(wěn)定性。但抗剪強(qiáng)度增長隨密度、土質(zhì)、PS材料濃度及加固次數(shù)不同有所變化。

圖3 PS材料加固古長城土抗剪強(qiáng)度(ρd=1.5 g/cm3)Fig.3 Slip resistance of soil reinforced by PS of the ancient Great Wall

1.3 滲透性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證 PS材料加固后對(duì)土粒間的連結(jié)力和微觀結(jié)構(gòu)的變化，以及 PS材料的加入對(duì)土體滲透性的影響，進(jìn)行了 PS加固土的滲透試驗(yàn)，并與加固前進(jìn)行對(duì)比，得出 PS材料對(duì)土的滲透性的影響，結(jié)果如表1所示。從表1可知：重塑土經(jīng)過加固后，其滲透性變化很小，降低幅度小。加固3次的材料比加固1次的材料滲透性更低，但相差不大。雖然 PS加固對(duì)土的抗?jié)B能力有所降低，但幅度很小，從文物保護(hù)角度來說，PS材料沒有阻塞土中的孔隙連通和毛細(xì)管，可以使土體具有良好的透氣和滲透性。使土體易于排水排氣，不會(huì)發(fā)生破壞，尤其是對(duì)于土體上的壁畫保護(hù)更具有積極效果。

表1 PS材料加固后長城遺址土的滲透系數(shù)Table 1 Osmotic coefficient of soil of the ancient Great Wall reinforced by PS cm/s

1.4 耐老化試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，將PS加固樣置于距離2個(gè)300 W的紫外線碳弧燈正下方30 cm處的耐老化試驗(yàn)箱中，在紫外光的照射下，定期測量試樣的強(qiáng)度損失，并觀察其形貌變化。試驗(yàn)采用紫外光間斷輻照方式測試，間斷輻照模擬實(shí)際日照情況，照射通常為白天，約12 h，夜間停止實(shí)驗(yàn)。連續(xù)輻射從開始照射至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，試驗(yàn)采用PS加固1次的試樣，輻射300 h。結(jié)果如圖4所示?？梢姡弘S著老化時(shí)間的延長，PS加固樣的強(qiáng)度有增大現(xiàn)象，濃度越大，其強(qiáng)度損失率越小。說明PS材料具有良好的抗老化能力和較長的使用壽命。

圖4 PS濃度與強(qiáng)度損失率的關(guān)系Fig.4 Relationship between consistency of PS and loss rate of strength

1.5 抗凍融試驗(yàn)

將加固后的試樣烘干，稱重。加入定量的水密封保存，使其充分浸濕，含水量約為14%，放入冰箱在(-20±0.5) ℃冷凍4 h后，在保濕器融化4 h，以此作1個(gè)凍融循環(huán)。試驗(yàn)達(dá)到要求的凍融循環(huán)次數(shù)后，將試樣放入烘箱烘干，測其干質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失。當(dāng)干密度ρ=1.5 g/cm3，PS濃度為5%，加固3次時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：凍融質(zhì)量損失率很小，一般在 1%以下，而且不隨凍融次數(shù)的增加而增大。凍融循環(huán)次數(shù)在8次以下時(shí)，試樣都能保持其完整性，凍融循環(huán)次數(shù)在8次以上時(shí)才出現(xiàn)小裂隙。其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率很小，甚至出現(xiàn)強(qiáng)度增大現(xiàn)象。所以，經(jīng) PS加固后試樣具有較好的抗凍性能。

表2 凍融試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Result of freeze-thaw test

2 PS材料加固故城土

試驗(yàn)選用交河故城和高昌故城土體作為研究對(duì)象，用 PS材料對(duì)其原狀土和重塑土樣進(jìn)行加固，測試其物理力學(xué)性質(zhì)，對(duì)比加固前后的結(jié)果，得出其加固效果。

原狀樣取自故城未擾動(dòng)土體，土樣切割成長×寬×高為5 cm×5 cm×5 cm的立方體，根據(jù)故城土的天然密度，重塑土樣選取1.5，1.6和1.7 g/cm33種干密度制樣。用模具制成 7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm(長×寬×高)立方體，在室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)風(fēng)干后含水量控制在2.0%左右。

試驗(yàn)采用模數(shù)為 3.8的 PS溶液，其濃度分別為3%，5%，7%和10%。試驗(yàn)方案分為以下5種：(1) 未用PS加固；(2) 濃度為3% PS溶液噴灑第1次，濃度為5% PS溶液噴灑第2次，濃度為7% PS溶液噴灑第3次；(3) 濃度為5% PS溶液噴灑3次；(4) 濃度為7%PS溶液噴灑3次；(5) 濃度為10% PS溶液噴灑3次。

2.1 抗壓、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1.1 原狀土

將原狀土用5% PS溶液噴灑3次，每次噴灑時(shí)間間隔為24 h，全部噴灑完畢后在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至自然風(fēng)干，測試其單軸抗壓和抗拉強(qiáng)度，典型土樣 JH-029，JH-030，JH-011和JH-012的測試結(jié)果如表3所示。

表3 原狀土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of undisturbed soil tests

可以看出：經(jīng)過 PS材料加固后，生土和垛泥的強(qiáng)度得到了明顯提高，提高幅度為120%～180%，生土的強(qiáng)度要高于垛泥強(qiáng)度。

2.1.2 重塑土

分別對(duì)密度為1.5，1.6和1.7g/cm3的重塑土樣進(jìn)行 PS加固，采用與加固原狀土同樣的處理方式加固后測試其PS固含量(即試塊含PS質(zhì)量)和強(qiáng)度，結(jié)果如表4～6所示。

從表4～6可以看出：土的密度越小，吸收PS溶液的能力越強(qiáng)；經(jīng) PS加固后，重塑土的抗壓和抗拉強(qiáng)度明顯增大，最大可提高約1.6倍。

表4 重塑土加固后PS固含量Table 4 Content of PS after remoulded soil being reinforced g

表5 重塑土的抗壓強(qiáng)度Table 5 Results of remoulded soil tests MPa

表6 重塑土的抗拉強(qiáng)度Table 6 Results of tensile soil tests MPa

2.2 抗風(fēng)蝕試驗(yàn)

抗風(fēng)蝕能力測試在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)研究所的野外風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行，試樣水平放置，采用風(fēng)速為17 m/s的攜沙風(fēng)，吹蝕時(shí)間為10 min。

2.2.1 原狀土

對(duì)原狀土進(jìn)行(1)～(5) 5種方式的操作進(jìn)行加固，結(jié)果如表7所示。從表7可見：PS濃度越大，原狀土的抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng)，但變化不明顯，所以，PS濃度以5%為宜。不同加固方法以及PS濃度不同，風(fēng)蝕率也略有不同。未加固的原狀土風(fēng)蝕率為加固土風(fēng)蝕率的6～24倍，說明PS加固后原狀土的抗風(fēng)蝕能力大大提高。

表7 風(fēng)洞試驗(yàn)后原狀土風(fēng)蝕率Table 7 Aeolian erosion rate of undisturbed soil after wine tunnel test %

2.2.2 重塑土

重塑土風(fēng)蝕結(jié)果如表8和圖5所示。從表8、圖5可以看出：密度越大，PS加固后抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng)，重塑土加固樣的抗風(fēng)蝕能力提高8～22倍。

圖5 交河生土風(fēng)蝕率與密度的關(guān)系Fig.5 Relationship between aeolian erosion rate and density for raw soil of Jiaohe

2.3 雨淋+風(fēng)洞試驗(yàn)

將交河故城重塑土未加固和加固樣進(jìn)行雨淋，待其在室內(nèi)放置養(yǎng)護(hù)至自然風(fēng)干后進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。

風(fēng)洞試驗(yàn)在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)研究所的野外風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行，采用風(fēng)速為17 m/s的攜沙風(fēng)，吹蝕時(shí)間為10 min，試樣水平放置。每次吹3塊，試樣間隔不能小于 12 cm，且不能靠近風(fēng)箱邊緣。結(jié)果如表9所示。

從表9可以看出：雨淋對(duì)試樣的抗風(fēng)蝕能力影響較明顯，一般下降3～10倍。經(jīng)PS加固后，重塑土的抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng)，抗雨蝕能力得到明顯提高，而且密度越大，PS加固效果越明顯。抗雨蝕+風(fēng)蝕能力提高6～13倍。

表8 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)后重塑土風(fēng)蝕率Table 8 Aeolian erosion rate of remoulded soil after wine tunnel test %

表9 雨淋+風(fēng)洞試驗(yàn)后重塑土風(fēng)蝕率Table 9 Aeolian erosion rate of remoulded soil after rain drop and wine tunnel test %

3 結(jié)論

(1) 經(jīng)PS材料加固的古長城和故城土強(qiáng)度都有明顯提高，古長城重塑土抗壓強(qiáng)度由0.31～2.10 MPa提高到加固后的0.35～3.21 MPa，且當(dāng)PS濃度為5%，滲透加固3次時(shí)加固效果最好。加固后古長城土抗剪強(qiáng)度也得到明顯提高，但隨密度、土質(zhì)、PS材料濃度及加固次數(shù)不同其提高幅度有所變化。故城土經(jīng) PS加固后原狀土抗壓和抗拉強(qiáng)度是未加固土的 1.2～1.8倍，重塑土強(qiáng)度最大可提高至1.6倍。

(2) 古長城土經(jīng)PS加固后耐老化能力提高，輻射300 h內(nèi)，強(qiáng)度不但沒有降低，還會(huì)有增大現(xiàn)象，而且隨著 PS濃度和加固次數(shù)增多，其耐老化能力越強(qiáng)。加固后滲透系數(shù)略有降低但不明顯，而且 PS濃度和加固次數(shù)的不同對(duì)滲透性影響略有差異。經(jīng)過8次以上凍融循環(huán)時(shí)，加固試樣才出現(xiàn)破壞，但其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率很小，甚至還會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度增大現(xiàn)象。

(3) 對(duì)故城土未加固土與加固土進(jìn)行的風(fēng)蝕以及雨蝕+風(fēng)蝕的試驗(yàn)結(jié)果表明，PS加固后可使原狀土的抗風(fēng)蝕能力提高 6～24倍，使重塑土抗風(fēng)蝕能力提高8～22倍。重塑土加固后雨蝕+風(fēng)蝕綜合能力提高6～13倍。而且土體密度越大，經(jīng)PS材料加固后其抗風(fēng)蝕、抗雨蝕能力越強(qiáng)。

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