遺址土力學(xué)性能研究

韓順利 馬 琪

（1、西京學(xué)院 陜西省混凝土結(jié)構(gòu)安全與耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)首先是遺址規(guī)模比較大，其次是年代久遠(yuǎn)。但由于風(fēng)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(qiáng)度降低，破壞較嚴(yán)重，所以急需采取相應(yīng)措施進(jìn)行保護(hù)。

胡富利[1]在夯土遺址裂隙改性注漿材料性能試驗(yàn)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(duì)糯米灰漿加固遺址土的影響研究中，得出當(dāng)糯米漿濃度為6%時(shí),改良的遺址土樣的硬度、縱波波速、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的值較大。在中國(guó)古代建筑中，糯米漿因其韌性好、防滲性能穩(wěn)定、粘聚性強(qiáng)而廣泛適用于古城墻、寺廟與水利工程等相關(guān)建筑中，其由糯米粉與水加熱混合熬制而成。

同時(shí)，惡劣的氣候條件對(duì)土遺址區(qū)有非常大的影響，凍融下的土體呈現(xiàn)一個(gè)損傷不斷積累的過(guò)程，受到凍融后，其力學(xué)性能顯著降低。凍融使密實(shí)土的孔隙比增大，松散土體的密實(shí)度減小。在中國(guó)，多年凍土與季節(jié)性?xún)鐾撩娣e達(dá)到2.15x106平方千米，其對(duì)建筑造成嚴(yán)重破壞，建筑內(nèi)部因凍融而產(chǎn)生風(fēng)化，本文是在結(jié)合前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出針對(duì)遺址土抗風(fēng)化性能研究，探究人工制備遺址土在經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后的基本特性，為古遺址區(qū)保護(hù)與修復(fù)提供參考依據(jù)。

2 土樣制備

2.1 土料性質(zhì)

本文制備的遺址土主要來(lái)源于正在進(jìn)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(shù)為0.062。土體基本性質(zhì)指標(biāo)如表1。

表1 天然黃土基本物理性質(zhì)

2.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本文研究人工制備遺址土的動(dòng)力特性及其改良機(jī)理，天然黃土的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。主要針對(duì)加糯米漿和不加糯米漿的重塑土樣，以及在不同動(dòng)荷載情況下的土樣破壞點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。分析糯米漿對(duì)遺址土保護(hù)的影響。在制作土樣之前，先進(jìn)行篩分，采用2mm 篩，之后將土料放進(jìn)烘干箱，使得含水率為0，之后開(kāi)始進(jìn)行配含水率與糯米漿含量。本實(shí)驗(yàn)采取的方法是固結(jié)不排水的情況下進(jìn)行的。

2.3 制樣準(zhǔn)備工作

在配制實(shí)驗(yàn)所需土樣時(shí)，量杯稱(chēng)取所需質(zhì)量的1000 毫升水、糯米粉150g 進(jìn)行熬制，糯米漿熬制30min 后，糯米漿液呈現(xiàn)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(chēng)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(jìn)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(yàn)工況（表2）

表2 糯米漿與土質(zhì)量比試驗(yàn)工況

土是三相體系，包括：固體顆粒（構(gòu)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(huán)過(guò)程中，溫度正負(fù)的變化，會(huì)導(dǎo)致土樣內(nèi)的水分子會(huì)產(chǎn)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(tài)會(huì)產(chǎn)生顯著變化。

經(jīng)過(guò)多次凍融后，粘聚力均有所下降。當(dāng)粘聚力升高時(shí)，內(nèi)摩擦角減小。未加糯米漿土樣的粘聚力遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(huán)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)是在-20℃到20℃，土樣分別凍融0、5、10、15 次，每次24 小時(shí)。土樣的凍融循環(huán)，實(shí)際上是固、液相變的動(dòng)態(tài)過(guò)程，模擬較為惡劣的自然氣候條件。由于在凍融過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)時(shí)來(lái)往人群較多，需在所用儀器設(shè)備前貼標(biāo)簽，防止他人破壞凍融效果。經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，發(fā)現(xiàn)凍融次數(shù)越多的土樣其強(qiáng)度越低。土體裂隙在凍融交替過(guò)程中產(chǎn)生，土樣內(nèi)部土體骨架發(fā)生不可逆的細(xì)微損傷，破壞土體結(jié)構(gòu)性和完整性。

3 動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)

基本步驟：

動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的原理是根據(jù)土壤受力達(dá)到極限破壞狀態(tài)，是在三軸應(yīng)力條件下，先通過(guò)橡皮套對(duì)試樣施加一個(gè)各向相等的圍壓力σ1=σ2=σ3=σc固結(jié)，然后進(jìn)行固結(jié)不排水實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)前，需要準(zhǔn)備好橡皮套、透水石、濾紙，還要仔細(xì)檢查橡皮套是否破損漏氣。實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(mǎn)為止，扭緊螺栓，通過(guò)液體施加圍壓，開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(fā)生相等應(yīng)變。第二階段，施加軸向載荷時(shí)，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，逐漸增大垂直壓力直至破壞。

通過(guò)圍壓100 時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，圍壓相同時(shí)，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(jié)力增大時(shí)，土顆粒很少出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)的現(xiàn)象。此外，凍融循環(huán)時(shí)間越長(zhǎng)的土樣，在動(dòng)三軸下，破壞越快。經(jīng)過(guò)凍融的土樣相比于未經(jīng)過(guò)凍融的土樣，破壞程度嚴(yán)重一些。凍融作用隨凍融次數(shù)的增加而增強(qiáng)。土樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，削弱了土樣的抗剪切能力。

當(dāng)圍壓均為300 時(shí)，土樣在動(dòng)三軸下可以看出，土樣的變形和強(qiáng)度由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。隨著圍壓的增大，土顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)被擠密，土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)。所以，高圍壓階段，結(jié)構(gòu)性參數(shù)的變化趨于穩(wěn)定。宏觀上達(dá)到相同動(dòng)應(yīng)變時(shí)的動(dòng)應(yīng)力增大。未加糯米漿的土樣與加入糯米漿的土樣對(duì)比，效果更明顯，在圍壓為100KPa、300KPa 時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)硬化型。當(dāng)軸應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)，糯米土極限強(qiáng)度趨于平緩。振次相同時(shí)，動(dòng)強(qiáng)度隨圍壓的增大而增大。

由圖1 知，振動(dòng)次數(shù)越小，動(dòng)應(yīng)力越大。振動(dòng)次數(shù)越大，動(dòng)應(yīng)力越小。

圖1 震動(dòng)破壞次數(shù)與動(dòng)應(yīng)力關(guān)系曲線

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

在100KPa 與300KPa 圍壓時(shí)，人工制備遺址土與天然黃土的破壞振次隨著動(dòng)應(yīng)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(yīng)力。表明相同外界條件下，加糯米漿的遺址土抗風(fēng)化性能更好，圖2。

圖2 強(qiáng)度應(yīng)力包線圖

4 結(jié)論

4.1 相同含水率時(shí)，動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線在彈性階段的斜率隨圍壓的增大而增大。動(dòng)強(qiáng)度隨圍壓變化而變化，當(dāng)結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力大于圍壓時(shí)，圍壓增大，動(dòng)強(qiáng)度則增大。結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力低于圍壓時(shí)，圍壓增大，但動(dòng)強(qiáng)度減小。

4.2 土樣經(jīng)過(guò)凍融后，土體內(nèi)自由水發(fā)生位移，土顆粒間膠結(jié)力減弱。凍融過(guò)程中，大顆粒分解成小顆粒。隨著凍融次數(shù)增加，土體內(nèi)孔隙呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，粘聚力先增大后減小，遺址土在凍融循環(huán)下，抗剪強(qiáng)度減小。凍融對(duì)未添加糯米漿的土樣劣化最為嚴(yán)重。

4.3 土質(zhì)的擾動(dòng)對(duì)遺址土的動(dòng)力特性有顯著影響。土體剛度隨動(dòng)三軸圍壓的增大而增大，從而土體強(qiáng)度增大。

4.4 由于實(shí)驗(yàn)條件限制，動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中土樣共出現(xiàn)四種狀況：拉伸破壞、壓縮破壞、剪切破壞、壓縮密實(shí)穩(wěn)定。土樣的軸向應(yīng)變隨振動(dòng)次數(shù)的增加而增加，動(dòng)彈性模量減小。

4.5 動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)?zāi)枒?yīng)力圓表明：同種土樣，土體的抗剪強(qiáng)度隨著偏應(yīng)力的增加而增強(qiáng)。