广州四处清代炮台三合土工程特性分析

2019-03-12

自然与文化遗产研究 2019年2期

（西北大学文化遗产学院，陕西西安 710069）

车歪炮台始建于嘉庆二十二年（1817年），位于珠江河面的沙洲上，四面环水，汛期江水漫延至岛上，将外围垛墙等建筑淹没。江水长期掏蚀冲刷，造成遗址底部被掏空。岛上植被丰富且植物根系发达，以榕树最为常见，其根系常交错于炮座之上，使其产生巨大裂缝，遗址表面常见苔藓植物发育。

穗石村炮台[1]始建于道光二十三年（1843年），位于广东药学院大学中药试验田内。因近代以来沙田成陆，炮台距现在的珠江水面已有一定距离，但地下水位依然较高，雨天可见地表积水。其相对地势仍高出前沿和两翼少许，视野十分开阔。

沙路炮台[2]始建于光绪十年（1884年），位于马腰岗和兵岗两座山上。山上植被茂密，两个山岗之间如今是一片塑料大棚遮盖的花圃。兵岗呈南北向分布，其南侧有数个小山岗，现因修建道路和开拓农田等原因不见原貌；兵岗北侧和西侧为沙田。马腰岗呈南北向分布，东侧有一条南北向水道“化龙运河”，山岗周围有水塘和沙地。遗址已开展考古清理工作，遗迹现处于露天保存状态。

牛山炮台始建于光绪十一年（1885年），位于黄埔区红山街文冲船厂生活区内，占地面积12 hm2。公园内有牛山炮台遗址、乌涌清官兵合葬墓、“万人坑”3个广州市市级文物保护单位，平日参观人数较多。牛山炮台建于牛山山麓和山脊之上，周围植被茂密。

为正确评价四处炮台所用三合土材料的工程特性[3-5]，为之后的加固保护工程提供依据，对三合土进行了基本物理性质试验（含水率试验、块体密度试验、颗粒密度试验）、水理性质试验（吸水性试验）以及力学性质试验（抗压试验、抗拉试验），并对试验数据和结果进行了系统分析。

1 样品及样品制备

为了避免对遗址造成破坏，本文选取4处炮台坍塌、掉落的三合土样进行试验。试样制备主要包括试样的开启、描述、切取等程序，这些程序步骤的正确与否，都会直接影响到试验成果的可靠性。因此，试样的制备是试验工作的首要质量要素。根据文献[6-7],样品制备的具体要求如下。

(1)含水率试验：保持天然含水率的试样应在现场采取，保持天然含水率的状态；试件最小尺寸应大于组成岩石最大矿物颗粒直径的10倍，每个试件的质量为40～200 g。

(2)颗粒密度试验：将岩石用粉碎机粉碎成岩粉，使之全部通过0.25 mm筛孔，并用磁铁吸去铁屑；对于含有磁性矿物的岩石，用瓷研钵或玛瑙研钵粉碎，使之全部通过0.25 mm筛孔。

(3)块体密度试验：采用水中称量法，不规则试件宜采用边长40～60 mm的浑圆状岩块。试验用水应采用纯净水，水的密度取为1 g/cm3。

(4)吸水性试验：不规则试件宜采用边长40～60 mm的浑圆状岩块。试验用水应采用纯净水，水的密度应取为1 g/cm3。岩石饱和吸水率应在岩石吸水率测定后进行。

(5)力学强度试验：本次试验采用抗拉、抗压强度表征试件的力学强度，将试件用切土刀、钢锯、游标卡尺等工具切割成上下表面平行的立方体或长方体，用纱布打磨使其表面光滑平整。

2 试验方法及分析结果

2.1 物理性质试验

(1)含水率。称取代表性试样进行含水率测定。每个炮台取两个试样进行平行测定，取其平均值为该炮台的含水率测试结果。试验结果见表1。

表1 含水率试验结果

岩石的含水率是指岩石天然状态下含水重量与岩石干重之比。试验数据说明，4处炮台的样品所测得的含水率值基本相同，约为2%，这可能与它们所处赋存环境相似有关。4处炮台三合土含水率有细微差别，其中车歪炮台、牛山炮台三合土含水率略高于穗石村炮台和沙路炮台。

(2)颗粒密度。将制备好的岩粉置于105℃温度下烘干至少6h，放入干燥器内冷却至室温后应用四分法取两份岩粉，每份15 g，并用比重瓶法（使用蒸馏水作试液，煮沸法排除气体）进行颗粒密度测定。每个炮台取两个试样进行平行测定，取其平均值为该炮台的颗粒密度测试结果。试验结果见表2。

表2 颗粒密度试验结果

岩石的颗粒密度是指岩石固相部分的质量与其体积的比值。试验数据说明，牛山炮台、沙路炮台及穗石村炮台试样所测得的颗粒密度值均大于2.63 g/cm3，数据属于正常范畴，其中穗石村炮台三合土的颗粒密度最高，牛山炮台三合土最低。

(3)块体密度。块体密度测量时应将试件置于烘箱内，在105℃温度下烘24 h，取出放入干燥器内冷却至室温后称量，并采用煮沸法饱和试件不少于6 h，期间煮沸容器内的水面应始终高于试件。每个炮台取两个试样进行平行测定，取其平均值为该炮台的块体密度测试结果。试验结果见表3。

表3 块体密度试验结果

岩石的块体密度是指岩石单位体积内的质量。致密而裂隙不发育的岩石，块体密度与颗粒密度很接近，随着孔隙、裂隙的增加，块体密度相应减小。4处炮台的样品所测得的块体密度值为1.56～1.99 g/cm3，与颗粒密度测量值差别较大，反映出其内部孔隙、裂隙较多。牛山炮台块体密度最小，只有1.56 g/cm3，同时其块体密度和颗粒密度之间的差值也是最大的，反映出其内部孔隙、裂隙相对较多。

2.2 水理性质试验（吸水性）

测定吸水性时应将试件置于105℃烘箱内24 h，取出放入干燥器内冷却至室温后称量，用自由浸水法测定试样的岩石吸水率，煮沸法测定试样的饱和吸水率。每个炮台取两个试样进行平行测定，取平均值为该炮台的吸水性测试结果。试验结果见表4。

表4 吸水性试验结果

岩石的吸水性是指岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，常用吸水率、饱和吸水率和饱水系数等指标表示。吸水率是指岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量与岩样干质量之比。饱和吸水率是指岩石试件在高压（一般压力为15 MPa）或真空条件下吸入的质量与岩样干质量之比。饱水系数为吸水率与饱和吸水率的比值。一般来说，饱水系数愈大，岩土中的大开空隙愈多，而小开空隙愈少。饱水系数大，说明常压下吸水后余留的空隙少，岩石愈易被冻胀破坏，因而其抗冻性差。饱水系数常用于反映岩石中总的张开型孔隙和裂隙的发育程度，评价岩石抗冻性、抗风化能力。

试验数据表明，牛山炮台样品的吸水率最高，其内部孔隙和裂隙发育的情况最为严重；而车歪炮台、沙路炮台样品的吸水率相对较低，其内部孔隙和裂隙发育的情况相对而言较轻。4处炮台三合土的饱水系数均在0.91～0.98之间，饱水系数较大，说明常压下吸水后留有的空间较小，温度较低的情况下三合土会由于冰劈作用被冻胀破坏，因而4处炮台抗冻性能均较差。

2.3 力学性质试验

材料的力学性能一般是指材料在不同环境下，承受各种外加载荷时所表现出的力学特征。其主要指标有强度、韧性、脆性等10项指标，其中强度是衡量材料本身承载力的最重要指标之一。岩石强度一般包括抗压强度、抗拉强度和抗剪强度。由于样品数量有限，且试验仪器对样块大小有要求，因此符合试验室力学强度试验的样块有限，本次选取车歪炮台样块3个（CY-1、CY-2、CY-3），沙路炮台样块1个（SL-1），穗石村炮台样块1个（SL-1），而牛山炮台由于样品不符合力学强度测试试验要求，未能进行强度测试。对取得样品进行处理后，进行抗压强度以及抗拉强度的测试。试验结果见表5。