田螺山地下遺址土排水固結(jié)特性試驗研究

周鵬，柴新軍，吳莉民，劉點，鄧凱

（東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，江西南昌 330013）

0 引言

中國的“文物十五”計劃實施和2015年愿景（綱要）都旨在重點加強土遺址文化的保護工作。根據(jù)環(huán)境條件的不同，土遺址加固技術(shù)分為干旱條件下的加固技術(shù)與潮濕條件下的加固技術(shù)，近些年關(guān)于這兩種環(huán)境條件下的加固技術(shù)都有不同程度的研究。如孫滿利等[1-2]采用木質(zhì)、竹質(zhì)錨桿、固化漿液對交河故城、敦煌河倉城進行現(xiàn)場加固試驗，取得了良好的效果。諶文武等[3]采用化學(xué)灌漿材料對土遺址加固保護，對現(xiàn)場加固后土體的力學(xué)強度和材料的耐久性能進行分析，發(fā)現(xiàn)干旱條件下，化學(xué)加固劑能有效保護土遺址。得到的結(jié)論是SH加固劑在抗壓強度、抗水侵蝕性上優(yōu)于糯米漿。楊海軍等[4]主要對加固土遺址的材料方面做了相關(guān)研究，通過對試驗過程中試樣耐水性、抗雨水沖刷性、土體抗剪性進行試驗，得到不同加固劑對土遺址穩(wěn)定性的影響并做出了評價，研究結(jié)果表明聚氨酯聚丙烯酸酯乳液石灰混合材料能有效對土遺址進行加固，并針對該土體優(yōu)化了混合材料的配比。

在潮濕環(huán)境條件下土遺址保護仍存在較多技術(shù)問題和方法的選用問題，至今為止，保護土遺址的措施還處于探索階段。張虎元等[5]等發(fā)現(xiàn)在潮濕環(huán)境下土遺址病害的誘發(fā)原因是地下水位升降、空氣干濕度的變化等等，這些原因?qū)е峦吝z址存在收縮和開裂、水融崩解等病害。周杰[6]分析土遺址小裂隙破壞機理，認(rèn)為外界水分通過小裂隙對土遺址穩(wěn)定性影響較大。曾芳金等[7]通過塑料板排水處理軟土，能夠加速土體抗剪強度的增長。王南等[8]對文物保護研究試驗地進行了模擬試驗，采用系列設(shè)備監(jiān)測開挖坑壁的沉降值、水平位移的變化，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)開挖坑體沉降以及坑壁的側(cè)向水平位移都隨著時間呈現(xiàn)不同程度的變化，并且不呈線性增長，遺址土孔隙比隨時間變化區(qū)間較大。反映出黏性土排水固結(jié)及孔隙水壓力消散的過程較為復(fù)雜。王旭東[9]通過分析潮濕環(huán)境下土遺址病害的成因及主要類型，發(fā)現(xiàn)潮濕環(huán)境土遺址保護應(yīng)從控制遺址土的含水量著手，并通過調(diào)節(jié)含水率可將潮濕的遺址土保護問題轉(zhuǎn)變?yōu)楦稍镞z址土的保護問題。王彥兵等[10]運用PS溶液加固潮濕環(huán)境下土遺址，對含水率不同的遺址土試樣進行了固結(jié)試驗，發(fā)現(xiàn)固結(jié)后土樣的壓縮系數(shù)、抗剪強度都有適當(dāng)提高，同時也給出了較為合適的含水量區(qū)間，但是對于后期土體穩(wěn)定性很難給出判斷與評價。張秉堅等[11]對潮濕環(huán)境進行了界定劃分，認(rèn)為長時間處于18%的含水量環(huán)境處于潮濕狀態(tài)，對于新開挖的土遺址，這個數(shù)值并不是很準(zhǔn)確，同時增大了保護的難度。司馬高飛[12]對細(xì)竹質(zhì)錨桿加固潮濕環(huán)境下土遺址的可行性進行了研究，發(fā)現(xiàn)細(xì)竹制錨桿的錨固力隨錨固長度的增加而增加，且隨土壤的稠度狀態(tài)由硬塑狀態(tài)到堅塑狀態(tài)，錨固力也隨之增大。

由于受到不同程度的溫濕變化、大氣干濕循環(huán)、地下水升降等因素的影響，處于潮濕環(huán)境下的地下土遺址開挖后，坑壁的滑塌病害成其為主要病害之一。以田螺山地下土遺址坑壁滑塌病害為例，結(jié)合土遺址保護原則，提出采用柔性排水木錨桿技術(shù)治理土遺址坑壁滑塌病害。本文通過三種室內(nèi)固結(jié)試驗對田螺山地下遺址土的固結(jié)特性、柔性排水木錨桿排水固結(jié)效果進行試驗研究，為田螺山土遺址坑壁滑塌病害的治理提供技術(shù)支撐。

1 排水木錨桿排水加固機理

潮濕環(huán)境下地下土遺址由于含水量較高，自身抗剪強度低，單純木錨桿加固難以有效地治理坑壁滑塌病害。課題組基于土遺址加固原則和滑塌病害力學(xué)機理，提出采用柔性排水木錨桿技術(shù)治理地下土遺址。通過在錨桿周身包裹排水土工布作為排水結(jié)構(gòu)層，通過排水固結(jié)適當(dāng)提高遺址土本身的抗剪強度。提高遺址土的自穩(wěn)能力。因此，柔性排水木錨桿兼具排水固結(jié)以及加筋兩重作用，以上為排水木錨桿的加固機理，如圖1所示。

另外，柔性松木桿具有較小的彈性模量，能夠與土體共同抵抗外力作用，具有較好的協(xié)調(diào)變形能力，同時具有較小的剪漲與收縮性，而且松木含有大量松脂，兼?zhèn)淞己玫哪透g性。同時，排水松木桿具有可逆性，這是修復(fù)土遺址的突出優(yōu)點。

圖1 柔性排水木錨桿室內(nèi)模型示意圖

2 試驗準(zhǔn)備及試驗方案

2.1 土樣采集及物理指標(biāo)測試

土樣取用杭州市余姚市的田螺山遺址土，根據(jù)《土工試驗規(guī)程》SL 237-1999[13]對土樣的基本物理性質(zhì)進行測定。將其烘干后充分碾磨并過0.05mm篩，其基本物理性質(zhì)如表1所示。由土粒比重分析可知該土樣有機質(zhì)含量較高，依據(jù)塑性指數(shù)得知該土為粉質(zhì)粘土。

表1 土樣基本物理參數(shù)

2.2 試驗方案

固結(jié)試驗采用兩種試樣高度、兩種排水方式及兩種試樣類型相互組合的方式進行，具體如2表示。

表2 試驗方案

2.3 柔性排水松木錨桿制備

采用直徑10mm，長度為300mm的松木錨桿。外包裹土工布用細(xì)小的針織線綁扎牢固。試驗前將制作好的排水木錨桿置于水中24h，以排除土工布與松木桿材料本身的吸水能力干擾。

2.4 試驗裝置設(shè)計

該試驗工況與實際工程相吻合，采用1:1的比例模擬現(xiàn)場，制作了直徑100mm，高度300mm圓柱狀模型試驗裝置，承壓板規(guī)格與傳力柱尺寸（外徑90mm、高度200mm、內(nèi)徑20mm）相同。

2.5 排水固結(jié)試驗加載方案

控制試樣初始含水率不變，荷載等級分別為6.25kPa、12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa，每級荷載固結(jié)完成后，記錄土體的壓縮量，根據(jù)時間平方根法求出固結(jié)系數(shù)。

2.6 十字板剪切試驗

為了探究分級加壓固結(jié)后土體自身的抗剪強度增長情況，將200kPa荷載固結(jié)完成后的試樣卸荷并立刻進行剪切試驗，試驗儀器選用室內(nèi)電動十字板剪切儀。由式（1）、（2）計算土體的抗剪強度。

式（1）、（2）中：S為十字板剪切強度（kPa），M為剪切抵抗矩（Nm），K為剪切葉片參數(shù)，D為葉片寬度 （mm），H為葉片高度（mm）。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 沉降量-時間的關(guān)系

N1、N2、N3三種試驗土體固結(jié)后沉降量與時間的關(guān)系如圖2所示，固結(jié)系數(shù)如表3所示。圖2中，試樣高度越高，其單位時間內(nèi)的沉降量越大。相同條件下，300mm豎向加徑向固結(jié)排水試樣的沉降量均高于300mm豎向固結(jié)排水的試樣，200kPa即第144h時三條曲線的沉降量分別為3.76mm、52.20mm、63.91mm，從圖分析可知，300mm高度試樣均有繼續(xù)沉降趨勢，但無松木桿試樣的沉降速度明顯放緩，說明外包土工布松木桿能有效加快試樣排水固結(jié)的速率。2～3mm厚度土工布能夠提供一層徑向排水途徑。由表3可知，相同壓力作用下松木桿排水過程中固結(jié)系數(shù)比純豎向大，且隨著壓力增大固結(jié)系數(shù)增大。固結(jié)壓力為200kPa時，排水松木桿處理的柱狀土層固結(jié)系數(shù)大約是300mm高度豎向排水的1.38倍。

3.2 孔隙比-固結(jié)壓力之間的關(guān)系

孔隙比與固結(jié)壓力關(guān)系如圖3所示，20mm高度試樣與300mm高度純豎向排水試樣的壓縮曲線無明顯區(qū)別，相同固結(jié)壓力下，孔隙比與排水路徑有較大關(guān)系。排水松木錨桿處理的柱狀軟土層早期固結(jié)沉降效果較明顯，0～6.25kPa時孔隙水消散最快，有助于土體前期強度的提高。50～200kPa段孔隙比變化較大，同時說明隨著固結(jié)壓力增大，孔隙比變化趨勢較明顯，排水松木桿能夠保持較好的排水效果。

表3 固結(jié)試驗結(jié)果

圖2 固結(jié)排水沉降量與時間的關(guān)系

圖3 三種試驗e-P曲線

3.3 土體自身剪應(yīng)力和剪切位移之間的關(guān)系

由圖4可知，軟土的剪應(yīng)力增長與排水條件有較大的關(guān)系，理論計算分析得到土體自身的抗剪強度，相同固結(jié)壓力下，徑向加豎向排水曲線增長趨勢較大，試驗前土體處于軟塑狀態(tài)，強度較低，試驗后N1、N2兩種試驗抗剪強度分別為32kPa、41.39kPa。同時剪切位移相差不大，徑向加豎向排水土體抗剪強度高于豎向排水，土體抗剪切能力得到適當(dāng)提高，排水松木桿對于潮濕環(huán)境下土遺址加固有較好的實際運用價值。

圖4 土體剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系

4 結(jié)論與建議

（1）相同條件下，2～3mm厚度排水土工布能夠提供一層徑向排水路徑，排水松木桿能保持較好的排水效果，能有效加快試樣排水固結(jié)的速率。

（2）隨著固結(jié)壓力增大，排水松木錨桿處理柱狀軟土層孔隙比變化趨勢較明顯，早期固結(jié)效果顯著，50～200kPa段孔隙比減小幅度大，土體密實程度較高。

（3）排水松木錨桿排水固結(jié)后土體抗剪強度高于豎向排水，土體自穩(wěn)能力得到適當(dāng)加強。

（4）建議設(shè)計更大的模型，并對松木桿排水間距、排水界面進一步研究。