土遺址病害研究新進(jìn)展與展望

孫滿利　陳彥榕　沈云霞

內(nèi)容摘要：我國土遺址資源豐富，“十一五”以來，開展了大量土遺址病害研究，取得了重要進(jìn)展。系統(tǒng)總結(jié)梳理了“十一五”以來土遺址病害研究的新進(jìn)展，結(jié)果表明：干旱區(qū)土遺址病害認(rèn)識逐步深入，分類體系逐步形成，但系統(tǒng)性、區(qū)域性規(guī)律的總結(jié)與研究以及潮濕地區(qū)土遺址病害研究相對較少;新技術(shù)在土遺址調(diào)查中發(fā)揮的作用和效果還不明顯，調(diào)查手段急需取得較大突破;土遺址病害機理研究不斷深入，但多以定性和單因素作用機制研究為主，研究方法急需突破。定量劣化過程機制和多因素耦合作用機制研究將會成為土遺址保護技術(shù)研發(fā)的突破口。

關(guān)鍵詞：土遺址;保護;病害;機理

中圖分類號：K854.3;K878.8? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1000-4106（2022）02-0136-13

New Progress and Prospects in Research on Earthen Site Deterioration

SUN Manli CHEN Yanrong SHEN Yunxia

（College of Cultural Heritage， Northwest University， Xi’an， Shaanxi 710127）

Abstract：Since the eleventh Five-Year Plan， a great deal of research on earthen site deterioration has been carried out in Chinaand important progresshas been achieved. This paper systematically summarizes these new findings and takes a brief look at promising areas for further research. （1） The understanding of earthen site deterioration in arid areas has been gradually deepened， and aclassification system for types of erosion has now been formed; （2） less research has been undertaken to summarize and study systematic and regional patternsof deterioration， particularly in the case of humid environments; （3） the role and effect of new technologies in the investigation of earthen sites is not yet clear and major breakthroughs in investigative methods are urgently needed; （4） research on the chemical mechanisms of earthen site deterioration has made significant progress， but most researchhas focusedon qualitative，single factor mechanisms， and breakthroughs in research methodology are sorely needed. The authors believe that research on the mechanisms that drive the process ofquantitative deterioration and on multifactor coupling mechanisms will provide the next major breakthroughs for the research and development of earthen siteconservation technologies.

Keywords：earthen sites; conservation; deterioration; mechanism

我國土遺址具有規(guī)模大、分布廣、數(shù)量多等特點。土遺址的建筑形式和建造技法多樣，主要有直接夯筑或版筑、生土挖造、土坯或土塊砌筑、垛泥砌筑和木骨泥墻等。據(jù)統(tǒng)計，我國已公布的八批全國重點文物保護單位中，土遺址共1251處（圖1），涉及古遺址、古墓葬、古建筑、近現(xiàn)代重要史跡及代表性建筑等多類文物，其中古遺址占絕大多數(shù)。土遺址病害的研究是土遺址保護工作的基礎(chǔ)，“十一五”以來，隨著土遺址保護工作的持續(xù)開展，學(xué)界圍繞土遺址病害展開了深入研究，取得了系列成果，豐富了土遺址病害基礎(chǔ)研究的理論和方法，為土遺址保護技術(shù)的研發(fā)與集成提供了堅實的基礎(chǔ)。

一 土遺址病害調(diào)查與研究

1. 土遺址病害調(diào)查與分類

近年來，學(xué)界圍繞土遺址病害的調(diào)查與認(rèn)知開展較多研究。西北地區(qū)野外土遺址仍是研究熱點。孫滿利[1]、劉煒[2]通過現(xiàn)場調(diào)查，總結(jié)了西北地區(qū)遺址主要病害和北方土遺址主要病害分布特征。梁濤[3]認(rèn)為新疆土遺址病害主要有9類。江紅男[4]、郝寧[5]、孫滿利[6]、周鵬[7]、趙冬[8]、張光偉[9]調(diào)查分析了吐魯番地區(qū)土遺址、高昌故城、交河故城、哈密境內(nèi)烽燧、焉耆縣七個星佛寺遺址、安迪爾古城的主要病害類型。趙海英[10]、雷宏[11]調(diào)查甘肅境內(nèi)長城、嘉峪關(guān)墩臺遺址的主要病害類型;丁梓涵[12]認(rèn)為甘肅山丹縣明代夯土長城的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性病害主要有裂隙（縫）、沖溝、掏蝕、坍塌四類;孫滿利[13]調(diào)查分析了甘肅壽昌城表面風(fēng)化病害分類。杜昱民[14]、蘇娜[15]調(diào)查分析了青海明長城的典型病害類型和病害發(fā)育特征。郭青林[16]、唐智亮[17]、胡永祥[18]調(diào)查了寧夏銀川西夏陵六號陵、中衛(wèi)姚灘段長城四方墩、固原市原州區(qū)土遺址的主要病害類型。徐路[19]、趙凡[20]、傅鵬[21]調(diào)查了陜西榆林市榆陽區(qū)的長城、建安堡、石峁遺址的土遺址病害類型。

潮濕地區(qū)和室內(nèi)土遺址病害認(rèn)知研究也逐步開展。張學(xué)超[22]調(diào)查了良渚遺址的四種主要病害。豆靜杰[23]調(diào)查了西安半坡遺址的四類主要病害。王彥汶[24]認(rèn)為晉陽古城西城墻墻體的病害有墻體裂隙、頂面沖溝、表層剝蝕和酥堿以及植物破壞。楊強義[25]調(diào)查認(rèn)為丹鳳門遺址的病害有酥堿掏蝕和裂隙（縫）等五種病害。張丹[26]認(rèn)為秦陵百戲俑坑K9901陪葬坑土遺址的主要病害有裂縫、坍塌、鹽析等六種。王思嘉[27]調(diào)查跨湖橋遺址保護廳內(nèi)土遺址病害主要以粉化和返堿為主。

部分學(xué)者進(jìn)行了土遺址鹽害的分析與調(diào)查。楊善龍[28]調(diào)查表明西北地區(qū)土遺址中易溶鹽陰、陽離子類型。藺青濤[29]調(diào)查表明甘肅鎖陽城墻體中易溶鹽主要以NaCl，NaSO4為主。張慧[30]研究表明陜西土遺址白色物質(zhì)主要為石膏。胡紅巖[31]、王永進(jìn)[32]、黃四平[33]、呂功煊[34]、周莉莉[35]、唐靜[36]、錢玲[37]通過對秦兵馬俑坑和漢陽陵東門闕土、漢陽陵外藏坑、唐皇城含光門遺址、秦始皇帝陵土遺址、秦陵百戲俑坑隔墻、洛陽含嘉倉土遺址和三門峽虢季墓遺址的調(diào)查，確定其中可溶鹽主要是Na2SO4、NaCl、CaSO4，也有KNO3、NaNO3和少量鎂鹽。張彩紅[38]調(diào)查表明北京玉皇廟山戎墓土遺址的易溶鹽是Na2Ca（SO4）2、Na2SO4、NaCl，微溶鹽有CaSO4和CaSO4·2H2O，少量的CaCl2·6H2O、KNO3、KCl、MgCl2、K2SO4和MgSO4等。錢玲[39]調(diào)查表明湖北熊家冢主要為復(fù)合鹽CaNa2（SO4）2及CaCl2·2H2O。錢玲[40]調(diào)查發(fā)現(xiàn)北京老山漢墓主要易溶鹽為Na2SO4、Na2SO4·10H2O、NaCl、Na12Mg7（SO4）13·15H2O，微溶鹽為CaSO4、CaSO4·2H2O，少量的CaCl2、KNO3、KCl、MgCl2、K2SO4、MgSO4等鹽分。徐曉君[41]認(rèn)為在一定溫度下，土樣浸出液電導(dǎo)率隨土樣含水率的增大呈冪函數(shù)減小。

土遺址表面植物和微生物病害研究方面，杜維波[42]調(diào)查西北地區(qū)典型土遺址的植物區(qū)系特征和群落特征，表明植物多樣性低，并已完全融入當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。王菲[43]調(diào)查表明應(yīng)昌路古城、元上都、遼上京等遺址上優(yōu)勢植物主要為羊草、冰草、紫羊茅、馬藺、旋覆花等草本植物。徐淼[44]、程蓓[45]、趙曉文[46]、劉甜[47]調(diào)查了漢陽陵帝陵封土、阿房宮前殿、漢長安城、杜陵等遺址的植被狀況，查明了植被的種類。

土遺址表面微生物因環(huán)境不同有較大差異。武發(fā)思認(rèn)為山西翼城考古發(fā)掘遺址表面主要腐蝕真菌是假散囊菌屬、鏈格孢屬和小不整球殼屬成員[48];良渚北城墻表面主要為藍(lán)藻門念珠藻屬類群，硅藻門菱形藻屬與褐指藻屬類群次之，藍(lán)藻門殼藻屬與綠藻門最少[49];長沙銅官窯譚家坡遺跡館內(nèi)遺跡表面主要為尖孢鐮刀菌、白腐菌、荷葉離褶傘[50]。付彤彤[51]認(rèn)為李渡酒窖土遺址中的優(yōu)勢真菌主要為絲狀真菌和酵母。趙崗[52]確定大唐西市土遺址苔蘚為四川濕地蘚。

病害分類及環(huán)境分區(qū)研究逐步開展。孫滿利[53]提出了干旱區(qū)土遺址病害分類體系。張明泉[54]提出了環(huán)境干濕度的五個評判指標(biāo)。張虎元[55]對潮濕土遺址病害進(jìn)行了分類。孫滿利[56]提出了土遺址病害評估體系。鄔雪江[57]探討了土遺址病害的評估模型。

2. 新技術(shù)在土遺址調(diào)查中的應(yīng)用

近年來，新技術(shù)在土遺址調(diào)查中的應(yīng)用也逐步開展。汪萬福[58]、徐瑞紅[59]、王偉[60]應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)探測土遺址中植物根系分布與內(nèi)部缺陷。李秋英[61]采用工程測量技術(shù)、激光掃描測量技術(shù)和三維測量技術(shù)對土遺址形變和病害實施監(jiān)測。楊蔚青[62]、陸玨[63]、丁吉峰[64]、Nicola Lercari[65]將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于遺址信息采集、監(jiān)測與評估。Yukiyasu Fujii[66]采用數(shù)字立體攝影技術(shù)對土墻表面形態(tài)進(jìn)行了記錄。張騰波[67]、付力[68]、張三福[69]將地面激光雷達(dá)技術(shù)、無人機影像技術(shù)應(yīng)用于土遺址精細(xì)測繪。白云峰[70]研究了多視角三維重建技術(shù)在土遺址調(diào)查中的應(yīng)用。江紅南[71]集成空間信息技術(shù)實現(xiàn)大型土遺址的信息采集。Arianna Campiani[72]采用遙測數(shù)據(jù)分析泥磚墻壁和表面變化信息。

申喜旺[73]運用高密度電阻率法有效判別土遺址墻體內(nèi)部夯實情況和雨水滲透影響深度。楊善龍[74]采用高密度電法和紅外熱成像技術(shù)調(diào)查了北庭故城西大寺東墻鹽分分布規(guī)律。郭青林[75]研究了采用電導(dǎo)率法對土遺址可溶鹽的快速測定。王同瑞[76]研究了紅外熱像檢測技術(shù)測試土體溫度。龍雨[77]采用圖像處理技術(shù)分析土遺址裂隙寬度。張金風(fēng)[78]探討了硬度測量在土遺址中應(yīng)用的技術(shù)要求。張虎元[79]研究了微波爐法在現(xiàn)場測定遺址土含水率的可靠性。

二 病害的形成與劣化機理

1. 土遺址表層漸進(jìn)式劣化機理研究

土遺址病害的形成與發(fā)育始終是土遺址與環(huán)境相互作用的結(jié)果。孫滿利[80]系統(tǒng)論述了交河故城各種病害形成的機理。邵明申[81]認(rèn)為建筑材料的劣化主要是密度、粒徑分布、可溶性鹽類、礦物、機械強度等基本性能，與環(huán)境因素的相互作用。蘇娜[82]認(rèn)為青海明長城沖溝的發(fā)育主要取決于集中降水量，片狀剝離的發(fā)育程度受降水量、蒸發(fā)量和氣溫的影響，生物病害的發(fā)育與降水量、日照時間密切相關(guān)，掏蝕的主要影響因素為最大風(fēng)速及大風(fēng)日頻次。杜昱民[83]認(rèn)為海拔對青海明長城生物病害、片狀剝離、洞穴以及掏蝕等4種典型病害存在一定影響，其中對片狀剝離、洞穴以及掏蝕3種病害影響尤為顯著。馮永亨[84]認(rèn)為環(huán)境濕度、地下水位及室外降雨對南越王宮博物館土遺址展區(qū)土壤含水率變化均有一定的影響。陳毅[85]認(rèn)為土遺址劣化時表部土體的孔隙總體積和表面分形維數(shù)逐漸減小。胡瑋[86]提出了掏蝕病害影響因素的權(quán)重關(guān)系。

學(xué)界圍繞環(huán)境影響因子的作用機制展開了較多研究。在溫度因子方面，陳毅[87]研究表明日照是遺址風(fēng)化的一個重要原因。張博[88]監(jiān)測表明太陽輻射、墻體朝向、風(fēng)化程度等因素影響墻體表面溫度。張虎元研究認(rèn)為夯土表面具有熱性質(zhì)差異的雙層結(jié)構(gòu)，熱應(yīng)力差的持續(xù)作用產(chǎn)生剝離病害[89]，并且遺址土的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴散系數(shù)、體積比熱均隨著遺址土的干密度含水率的增加而增加[90]。楊龍[91]研究表明粘粒組粘土礦物含量變化是剝離病害發(fā)育的內(nèi)在原因。陳曉寧[92]解釋了溫度效應(yīng)下墻體剝離病害的過程機制。楊龍[93]建立單介質(zhì)裂紋擴展和雙介質(zhì)接觸面疲勞劣化兩種夯土表層熱劣化剝離的半定量分析模型。張影會[94]通過現(xiàn)場調(diào)查總結(jié)了剝離病害與土的特性和環(huán)境因素關(guān)系。

關(guān)于凍融破壞的研究還不夠深入。嚴(yán)耿升[95]認(rèn)為在低含水率情況下，土質(zhì)文物凍融破壞主要是礦物顆粒微結(jié)構(gòu)損傷及礦物顆粒熱脹冷縮造成的。劉煒[96]、陳雨[97]認(rèn)為凍融導(dǎo)致遺址土的顆粒粒徑變小，土顆粒間的孔隙變少，鹽分逐漸充滿孔隙。張啟勇[98]認(rèn)為土壤疏水性隨凍融次數(shù)和干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低。

風(fēng)蝕是西北干旱區(qū)土遺址受破壞的主要因素之一。嚴(yán)耿升[99]總結(jié)前人研究認(rèn)為，粒徑在0.05—1mm之間的土顆?？梢员伙L(fēng)蝕;粒徑在0.075—0.45mm之間易于被風(fēng)蝕。諶文武[100]認(rèn)為主風(fēng)向30°區(qū)間內(nèi)的掏蝕量顯著增加。毛筱霏[101]認(rèn)為風(fēng)蝕量隨風(fēng)速増大呈現(xiàn)指數(shù)增長。匡靜[102]認(rèn)為土體風(fēng)蝕量隨氯鹽含量增大而增加;NaCl的摻入與土體風(fēng)蝕正相關(guān)，而Na2SO4的摻入能在一定范圍內(nèi)起到減輕風(fēng)蝕損化的作用，摻入過少或過多則都會加劇風(fēng)蝕[103]。崔凱認(rèn)為鹽分類型、鹽分含量和挾沙風(fēng)風(fēng)速對風(fēng)蝕有顯著的影響[104];含鹽土的風(fēng)蝕模數(shù)與粗粉粒質(zhì)量百分含量服從正指數(shù)法則[105];隨著Na2SO4和NaCl的摻入量的增加，孔隙圓度和等效直徑增大、充填比減小，風(fēng)蝕速率呈現(xiàn)增長的趨勢[106]。

圍繞水對土遺址的作用，趙凡[107]、姚雪[108]認(rèn)為降雨對陜西省榆林市榆陽區(qū)明長城破壞的影響因子包括降雨特點、遺址形態(tài)、土的性質(zhì)、植物生長狀況和地幔層;提出了干濕破壞、沖刷破壞和降雨導(dǎo)致的重力侵蝕三種雨蝕破壞模式。王建新[109]研究了新疆交河故城土遺址降雨條件下邊坡內(nèi)的滲流場分布，邊坡頂部局部的暫態(tài)飽和區(qū)和底部含水率的增大影響了穩(wěn)定性。崔凱[110]提出西北干旱區(qū)夯土遺址徑流型沖溝發(fā)育的關(guān)鍵是夯土自身因素。王肅[111]研究了降雨過程中結(jié)皮層的分階段變化特征。崔凱[112]對克孜爾尕哈烽燧、西夏王陵和明長城三個典型土質(zhì)場地降雪期間的監(jiān)測結(jié)果和室內(nèi)模擬試驗，證實了降雪導(dǎo)致不同程度的凍融循環(huán)和鹽漬化耦合作用導(dǎo)致夯土劣化。諶文武[113]研究了積雪覆蓋下，土樣表面硬度劣化特征及影響因素。陳蒙蒙[114]認(rèn)為降雨停止至雨后2h時間段內(nèi)夯土體積含水量變化最為劇烈;潘崇根[115]認(rèn)為濕潤環(huán)境下的土遺址地下水位和空氣濕度的波動是造成結(jié)構(gòu)坍塌破壞、膨脹收縮破壞、生物病害、鹽漬化病害、剝落等問題的主要影響因素。夏云云[116]認(rèn)為濕度的極端變化對嘉峪關(guān)新砌墻體的風(fēng)蝕影響最為強烈。楊強義[117]研究表明在毛細(xì)水作用下，干濕循環(huán)對土樣裂隙、無側(cè)限抗壓強度、崩解速度、土顆粒粒徑、孔隙的影響。任克彬查明在毛細(xì)水作用下，干濕循環(huán)對土的中孔體積、小孔體積、總孔隙體積影響趨勢[118];粉土力學(xué)特性主要受粉土中黏粒“三維網(wǎng)架”的均勻收縮和局部破壞所控制[119]。汪娟麗[120]研究表明在水分運移過程中，土遺址土壤團粒內(nèi)部水分存在小孔吸附的束縛水和大孔吸收的自由水兩種形態(tài)。王雨佳[121]認(rèn)為三星堆遺址裂隙率與含水率的關(guān)系呈非線性反比。曲瑾[122]認(rèn)為三星堆月亮灣城墻剖面干燥過程中以干縮應(yīng)變?yōu)橹?，裂縫開裂位置與拉應(yīng)變位置具有一定的相關(guān)性，當(dāng)試樣表面應(yīng)變?nèi)哭D(zhuǎn)化為壓應(yīng)變時，裂縫達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

在生物作用方面，趙曉文[123]認(rèn)為根的直徑與裂縫面積的相關(guān)性最高。劉甜[124]研究表明，植物根系對土壤性質(zhì)影響最大和最小的植物分別是泡桐和構(gòu)樹。趙崗[125]認(rèn)為大唐西市土遺址土壤中含鈣量、含水量高、pH呈弱堿性等有利于四川濕地蘚的繁殖。白貴斌[126]認(rèn)為苔蘚結(jié)皮和地衣結(jié)皮有效地減小了長城墻體病害的發(fā)生和發(fā)育。

可溶鹽對土遺址劣化的作用是研究熱點之一。靳治良[127]系統(tǒng)梳理了多孔介質(zhì)中鹽作用機理文獻(xiàn)。崔凱研究表明隨著Na2SO4和NaCl的含量的增長，土樣抗拉、抗壓和抗剪強度呈現(xiàn)衰減的規(guī)律[128];隨著NaCl含量增高，遺址土發(fā)生崩解的時間延長、塑性變?nèi)酢⒖癸L(fēng)蝕能力降低、彈性波速衰減[129];隨著含鹽量增大，在干濕循環(huán)時試塊的粗粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)遞增的趨勢，粒度分維值則出現(xiàn)遞減的趨勢[130];諶文武[131-132]認(rèn)為隨著鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，含鹽土樣的液限含水率、塑限含水率、塑性指數(shù)和滲透系數(shù)均逐漸減小。沈云霞[133]研究表明隨著含鹽量的增加，孔隙微觀結(jié)構(gòu)類型由骨架狀向基質(zhì)狀過渡，顆粒粒徑趨于均一化，整體結(jié)構(gòu)較為松散。呂海敏[134]認(rèn)為隨著鹽分含量的增加，含鹽試樣越不容易開裂，龜裂紋越不容易產(chǎn)生，并且龜裂紋的顏色逐漸加深。陳雨[135]認(rèn)為含鹽量越大，試塊吸收熱量的能力越強。張虎元[136]認(rèn)為摻入NaCl增加了遺址土的導(dǎo)熱系數(shù)。周莉莉[137]研究表明土體密度和粘粒含量過高或過低都會影響鹽害發(fā)育。Y.Zhang[138]觀察到隨著NaCl含量的增加，CIF值、交點數(shù)、段數(shù)以及總裂縫長度減小，薄、厚試件分別以非正交裂紋和正交裂紋為主。張悅[139]研究表明NaCl對遺址土基質(zhì)吸力幾乎沒有影響，但使總吸力在高含水率段增大2至3個數(shù)量級，且該差異隨著含水率降低而減小，總吸力最終在數(shù)值上趨于相同。王錦芳[140]研究表明土遺址非飽和導(dǎo)水率隨基質(zhì)吸力的增大呈指數(shù)衰減。楊善龍[141]試驗發(fā)現(xiàn)在毛細(xì)上升水分限定的情況下，土中毛細(xì)上升高度不高，為10cm左右。靳治良[142]試驗表明鹽分在重力作用下自上而下運移時的表觀遷移速率均較自下而上飽和自然吸附運移時大。張丹[143]研究表明可溶鹽主要聚集在土遺址表面0—3.0cm范圍內(nèi)。

2. 土遺址突變式失穩(wěn)機制研究

土遺址的劣化可分為兩類，表層漸進(jìn)式劣化和突變式失穩(wěn)破壞。圍繞失穩(wěn)機制，唐洪敏[144]提出了高昌故城夯土遺址四類情況的失穩(wěn)模式和機制。劉正雄[145]認(rèn)為高昌故城的失穩(wěn)分為掏蝕性崩塌、開裂性崩塌、混合性崩塌、墻體傾覆、券洞塌落五類，并分析了五類病害的失穩(wěn)機理。王旭東[146]認(rèn)為在自重作用下掏蝕墻體穩(wěn)定系數(shù)是掏蝕深度的二次函數(shù)。楊光輝[147]針對新鄭門遺址提出了非線性介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系。諶文武[148]、王南[149]對考古發(fā)掘現(xiàn)場基坑進(jìn)行變形監(jiān)測，表明隨著距基坑邊緣距離的增加，階梯形墻體比豎向墻體更能有效地抵抗側(cè)向位移;基坑沿深度方向水平位移呈降低趨勢，孔隙水壓力隨時間呈現(xiàn)波動變化。

在穩(wěn)定性分析方法方面，李桐林[150]使用IDA的方法分析了交河故城金剛寶座式塔土建筑遺址進(jìn)行地震作用下的易損性和抗震能力。石玉成[151]將可靠度理論引入有限元動力分析中，使用蒙特卡羅法對駱駝城遺址進(jìn)行抗震概率性分析?？椎抡152]運用Midas—GTS軟件建立數(shù)值模型，判斷不同長城段的動力響應(yīng)及穩(wěn)定性。諶文武[153]采用FLAC3D軟件分析了地震作用下蘇巴什佛寺佛塔位移、應(yīng)力以及地震波的加速度放大系數(shù)和傅立葉譜。陳鵬飛[154]、王旭東[155]采用FLAC3D軟件對潮濕環(huán)境中考古探方的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)判。屈華楠[156]采用ABAQUS軟件，使用強度折減系數(shù)法，探討西安城墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定災(zāi)變機理。姜楓[157]采用ABAQUS軟件，分析了白口城遺址北城墻滲流應(yīng)力耦合作用以及降雨條件下的穩(wěn)定性問題。趙亮[158]采用ABAQUS有限元軟件數(shù)值模擬了列車震動對長城穩(wěn)定性影響。張海鋒[159]采用蒙特卡羅隨機有限元法，對臺藏塔遺址結(jié)構(gòu)安全狀況進(jìn)行評估。解靜[160]采用物理模擬的方法對交河故城崖體的崩塌破壞機制進(jìn)行探討。王平[161]研究了甘肅河西地區(qū)原狀、重塑遺址土的動模量、阻尼比、抗剪強度和土遺址地震作用下的動力響應(yīng)。Georgios K[162]對庫諾坦博教堂的結(jié)構(gòu)評估和地震安全性進(jìn)行研究，采用聲學(xué)測試、損傷映射、環(huán)境振動測試揭示結(jié)構(gòu)的模態(tài)響應(yīng)。

關(guān)于地震和振動效應(yīng)，胡明清[163]研究了地震作用下，土遺址的位移場和應(yīng)力場特征。郭志謙[164]研究表明在地震動荷載作用下，在地臺內(nèi)部裂隙處和地基頂面邊界處拉應(yīng)力集中，地臺以豎向位移為主。劉琨[165]研究表明在地震荷載作用下，高昌故城內(nèi)城墻最大位移位于墻體中部，且墻體中部缺陷處更為顯著;墻體凹陷、孔洞處出現(xiàn)應(yīng)力集中。李桐林[166]研究表明地脈動由底部傳至頂部，其速度存在放大效應(yīng)。石玉成認(rèn)為車輛越重、速度越快，振動幅值明顯增大，振動幅值隨著距離的增大總體上呈衰減趨勢，但當(dāng)場地較為松軟且車輛較重時，在一定范圍內(nèi)振動幅值反而增大，墻體對振動會產(chǎn)生一定的放大效應(yīng)，墻體頂部的振動效應(yīng)要比墻腳明顯[167];對于山丹長城而言，不同車輛振動條件下，徑向和切向振動速度峰值絕大多數(shù)小于0.5mm/s，對長城文物影響較小，但豎向振動速度峰值較大，對文物產(chǎn)生較大影響[168]。王肅[169]認(rèn)為模態(tài)頻率曲線整體呈現(xiàn)波浪形式，總體上還是隨著墩臺高度的增加先增大后減小，墩臺高度是影響模態(tài)頻率的主要因素。艾勝紅[170]對長城土遺址進(jìn)行模態(tài)分析，揭示了土遺址的自振頻率與風(fēng)化層厚度、墩臺幾何尺寸、破損程度之間的關(guān)系。

三 病害研究存在的問題與展望

土遺址病害調(diào)查與機理研究是土遺址保護的基礎(chǔ)。

第一，干旱區(qū)土遺址病害調(diào)查與分類研究方面。目前在病害調(diào)查方面開展了較多的工作，積累了較多的實踐案例，基本涵蓋了干旱區(qū)土遺址的所有病害，提出了較為成熟的土遺址病害分類體系，探索了土遺址病害的評估程序與方法。但是，干旱區(qū)土遺址病害仍然以散發(fā)、點式、案例研究為主，缺乏空間范圍內(nèi)系統(tǒng)性研究。土遺址病害的區(qū)域性分布、發(fā)育規(guī)律研究總結(jié)還不夠深入，土遺址病害與區(qū)域環(huán)境關(guān)系、與土遺址建造材料、工藝和建造歷史關(guān)系尚未完全建立，對土遺址保護管理的宏觀指導(dǎo)性作用明顯不足。另一方面，針對土遺址病害程度的研究仍處于定性階段，不同病害的分級研究尚處于探索階段，嚴(yán)重影響保護措施的針對性，影響保護效果。

未來在干旱區(qū)土遺址病害調(diào)查研究方面應(yīng)著重加強兩個方面研究，一是深入研究土遺址病害的分級，尤其是表層風(fēng)化如片狀剝蝕等的分級;二是開展干旱區(qū)土遺址病害與環(huán)境、建造材料、工藝、建造歷史等的區(qū)域性規(guī)律的調(diào)查、總結(jié)與研究，編制干旱區(qū)土遺址病害分布區(qū)劃。

第二，潮濕區(qū)土遺址病害調(diào)查方面。對于潮濕地區(qū)土遺址的病害調(diào)查、總結(jié)案例相對較少，潮濕地區(qū)土遺址病害的類型還不完善，病害的分類體系還沒有完全確立，對病害與環(huán)境條件的關(guān)系認(rèn)識還不夠深入，尤其是考古發(fā)掘過程中的病害研究尚處于探索階段。未來應(yīng)進(jìn)一步豐富潮濕地區(qū)土遺址病害研究案例，進(jìn)一步總結(jié)潮濕地區(qū)土遺址病害，完善土遺址病害的分類體系。

第三，土遺址病害調(diào)查技術(shù)方面。土遺址病害的調(diào)查手段多采用常規(guī)地質(zhì)工程的調(diào)查技術(shù)，但是，對土遺址內(nèi)部狀況的調(diào)查技術(shù)還不成熟，如裂隙深度、土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面等。已有的地質(zhì)工程方法往往需要通過物探、面波等結(jié)合鉆孔等查明土體內(nèi)部構(gòu)造，但對土遺址而言，鉆孔等方法具有明顯破壞作用;另外，現(xiàn)有的面波、探地雷達(dá)、聲波等技術(shù)在針對土遺址小尺度調(diào)查時的精度和準(zhǔn)確度一直難以達(dá)到要求。因此，土遺址內(nèi)部高精度專用技術(shù)的研發(fā)任務(wù)十分緊迫。

土遺址淺表層病害分級探測技術(shù)一直沒有取得突破性進(jìn)展，嚴(yán)重影響土遺址病害分級分類保護，制約土遺址保護技術(shù)的應(yīng)用與推廣。研究風(fēng)化厚度、風(fēng)化程度的無損或微損并適合表面小尺度、高精度的勘測調(diào)查技術(shù)急需關(guān)鍵突破。

現(xiàn)有對土遺址病害實施持續(xù)無線監(jiān)測的設(shè)備多借鑒相關(guān)行業(yè)的技術(shù)設(shè)備，未來應(yīng)加強適合土遺址病害監(jiān)測的小型化、無損、快速、便捷專用設(shè)備研發(fā)。

第四，病害機理研究內(nèi)容方面。土遺址病害機理研究以單因素、定性為主，影響因素與病害之間關(guān)聯(lián)程度的定量化研究不足。溫濕度、風(fēng)、降水、可溶鹽等環(huán)境因素與土遺址病害的發(fā)展、發(fā)育和演變還沒有成熟模型，多因素耦合作用模型尚處于探索階段，制約了土遺址病害的評估、預(yù)報、預(yù)警技術(shù)發(fā)展，也影響到對土遺址病害實施精準(zhǔn)保護的措施，造成土遺址新技術(shù)研發(fā)的瓶頸。土遺址穩(wěn)定性分析依然延用地質(zhì)工程中的邊坡分析理論，其計算軟件多借用已經(jīng)開發(fā)成熟的邊坡計算軟件如FLAC3D軟件、ABAQUS有限元軟件等。針對夯土的層狀結(jié)構(gòu)和土坯的碎裂結(jié)構(gòu)以及獨立、孤聳等單體幾何外形的穩(wěn)定性分析理論還沒有專門研究，也沒有適合土遺址穩(wěn)定性評價的專用軟件。現(xiàn)有分析、評價手段精度和準(zhǔn)確度不高，保護措施往往難以按照最小干預(yù)原則實施。

機理研究的突破必然會帶動土遺址保護技術(shù)的重大進(jìn)步。未來可從兩個方面予以重點關(guān)注。一是土遺址淺表層風(fēng)化與溫度、濕度、降水、風(fēng)沙的作用過程機制和定量關(guān)系的研究，建立病害與環(huán)境的定量數(shù)學(xué)和物理模型;在水鹽作用、凍融作用、微生物作用等微觀機理實現(xiàn)突破。二是研究土遺址不同工藝的本構(gòu)模型，研發(fā)適合有限邊界、在多種荷載作用下土遺址穩(wěn)定性計算、評價方法，開發(fā)土遺址穩(wěn)定性評價專用軟件。

第五，病害機理研究方法方面。目前，土遺址病害機理研究的困境更多的是受到研究方法的制約。未來在機理研究方法尚應(yīng)關(guān)注三個方面的研究。一是，由于土遺址病害多為多因素綜合影響形成，并且室內(nèi)小型樣品研究和室外天然環(huán)境結(jié)果有很大差別，因此，應(yīng)開展足尺樣品的多因素耦合作用下和野外天然環(huán)境作用下土遺址病害形成機制的定量研究。二是從傳統(tǒng)的病害機理維象研究轉(zhuǎn)變到病害微觀作用過程機制研究，探索風(fēng)化過程中土遺址物理、化學(xué)變化過程，解釋土遺址病害形成的熱動力學(xué)機制，將劣化微觀過程機理與宏觀病害演變機制結(jié)合開展研究。三是探索微觀作用研究中分析、測試、表征技術(shù)與方法，引入高速攝影、粒子應(yīng)力測量研究變化過程，探索風(fēng)化過程中礦物變化的測試方法，研究礦物風(fēng)化的微量變化，研究不同環(huán)境條件引起的內(nèi)部熵變化規(guī)律，解釋風(fēng)化的本質(zhì)。

第六，在新技術(shù)應(yīng)用與多學(xué)科交叉方面，充分借鑒新技術(shù)研究成果。進(jìn)一步探索空間技術(shù)在土遺址病害調(diào)查中的應(yīng)用，研發(fā)快速、大范圍土遺址病害宏觀調(diào)查、評估設(shè)備和方法;深化數(shù)字化技術(shù)在土遺址病害調(diào)查中的應(yīng)用，研發(fā)智能化、數(shù)字化土遺址病害調(diào)查設(shè)備、軟件與管理系統(tǒng)和平臺，推進(jìn)土遺址保護預(yù)警與預(yù)報體系建設(shè)。加強學(xué)科深度交叉，充分借鑒數(shù)學(xué)、物理、地質(zhì)、化學(xué)、生物、信息科學(xué)等學(xué)科最新成果，研究極端條件下土遺址災(zāi)害評估、預(yù)警。深化機理研究，提高病害識別、調(diào)查、評估能力，研發(fā)土遺址病害預(yù)報、預(yù)測、預(yù)警模型和系統(tǒng)，全面提升土遺址病害調(diào)查和機理研究的科技水平，推進(jìn)土遺址保護從搶救性到預(yù)防性的轉(zhuǎn)變。

四 結(jié) 語

本文系統(tǒng)總結(jié)梳理了“十一五”以來我國土遺址病害研究的新進(jìn)展。從病害、賦存環(huán)境調(diào)查與分類體系、新技術(shù)在土遺址調(diào)查中的應(yīng)用與研發(fā)，影響因子的作用機制和土遺址失穩(wěn)機制等方面，分析了我國土遺址病害研究的成就與現(xiàn)狀，預(yù)測了未來土遺址病害研究的方向與重點，對我國土遺址保護研究的發(fā)展有一定指導(dǎo)意義。

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