田螺山地下遗址土排水固结特性试验研究

周鹏，柴新军，吴莉民，刘点，邓凯

（东华理工大学 土木与建筑工程学院，江西南昌 330013）

0 引言

中国的“文物十五”计划实施和2015年愿景（纲要）都旨在重点加强土遗址文化的保护工作。根据环境条件的不同，土遗址加固技术分为干旱条件下的加固技术与潮湿条件下的加固技术，近些年关于这两种环境条件下的加固技术都有不同程度的研究。如孙满利等[1-2]采用木质、竹质锚杆、固化浆液对交河故城、敦煌河仓城进行现场加固试验，取得了良好的效果。谌文武等[3]采用化学灌浆材料对土遗址加固保护，对现场加固后土体的力学强度和材料的耐久性能进行分析，发现干旱条件下，化学加固剂能有效保护土遗址。得到的结论是SH加固剂在抗压强度、抗水侵蚀性上优于糯米浆。杨海军等[4]主要对加固土遗址的材料方面做了相关研究，通过对试验过程中试样耐水性、抗雨水冲刷性、土体抗剪性进行试验，得到不同加固剂对土遗址稳定性的影响并做出了评价，研究结果表明聚氨酯聚丙烯酸酯乳液石灰混合材料能有效对土遗址进行加固，并针对该土体优化了混合材料的配比。

在潮湿环境条件下土遗址保护仍存在较多技术问题和方法的选用问题，至今为止，保护土遗址的措施还处于探索阶段。张虎元等[5]等发现在潮湿环境下土遗址病害的诱发原因是地下水位升降、空气干湿度的变化等等，这些原因导致土遗址存在收缩和开裂、水融崩解等病害。周杰[6]分析土遗址小裂隙破坏机理，认为外界水分通过小裂隙对土遗址稳定性影响较大。曾芳金等[7]通过塑料板排水处理软土，能够加速土体抗剪强度的增长。王南等[8]对文物保护研究试验地进行了模拟试验，采用系列设备监测开挖坑壁的沉降值、水平位移的变化，分析数据发现开挖坑体沉降以及坑壁的侧向水平位移都随着时间呈现不同程度的变化，并且不呈线性增长，遗址土孔隙比随时间变化区间较大。反映出黏性土排水固结及孔隙水压力消散的过程较为复杂。王旭东[9]通过分析潮湿环境下土遗址病害的成因及主要类型，发现潮湿环境土遗址保护应从控制遗址土的含水量着手，并通过调节含水率可将潮湿的遗址土保护问题转变为干燥遗址土的保护问题。王彦兵等[10]运用PS溶液加固潮湿环境下土遗址，对含水率不同的遗址土试样进行了固结试验，发现固结后土样的压缩系数、抗剪强度都有适当提高，同时也给出了较为合适的含水量区间，但是对于后期土体稳定性很难给出判断与评价。张秉坚等[11]对潮湿环境进行了界定划分，认为长时间处于18%的含水量环境处于潮湿状态，对于新开挖的土遗址，这个数值并不是很准确，同时增大了保护的难度。司马高飞[12]对细竹质锚杆加固潮湿环境下土遗址的可行性进行了研究，发现细竹制锚杆的锚固力随锚固长度的增加而增加，且随土壤的稠度状态由硬塑状态到坚塑状态，锚固力也随之增大。

由于受到不同程度的温湿变化、大气干湿循环、地下水升降等因素的影响，处于潮湿环境下的地下土遗址开挖后，坑壁的滑塌病害成其为主要病害之一。以田螺山地下土遗址坑壁滑塌病害为例，结合土遗址保护原则，提出采用柔性排水木锚杆技术治理土遗址坑壁滑塌病害。本文通过三种室内固结试验对田螺山地下遗址土的固结特性、柔性排水木锚杆排水固结效果进行试验研究，为田螺山土遗址坑壁滑塌病害的治理提供技术支撑。

1 排水木锚杆排水加固机理

潮湿环境下地下土遗址由于含水量较高，自身抗剪强度低，单纯木锚杆加固难以有效地治理坑壁滑塌病害。课题组基于土遗址加固原则和滑塌病害力学机理，提出采用柔性排水木锚杆技术治理地下土遗址。通过在锚杆周身包裹排水土工布作为排水结构层，通过排水固结适当提高遗址土本身的抗剪强度。提高遗址土的自稳能力。因此，柔性排水木锚杆兼具排水固结以及加筋两重作用，以上为排水木锚杆的加固机理，如图1所示。

另外，柔性松木杆具有较小的弹性模量，能够与土体共同抵抗外力作用，具有较好的协调变形能力，同时具有较小的剪涨与收缩性，而且松木含有大量松脂，兼备良好的耐腐蚀性。同时，排水松木杆具有可逆性，这是修复土遗址的突出优点。

图1 柔性排水木锚杆室内模型示意图

2 试验准备及试验方案

2.1 土样采集及物理指标测试

土样取用杭州市余姚市的田螺山遗址土，根据《土工试验规程》SL 237-1999[13]对土样的基本物理性质进行测定。将其烘干后充分碾磨并过0.05mm筛，其基本物理性质如表1所示。由土粒比重分析可知该土样有机质含量较高，依据塑性指数得知该土为粉质粘土。

表1 土样基本物理参数

2.2 试验方案

固结试验采用两种试样高度、两种排水方式及两种试样类型相互组合的方式进行，具体如2表示。

表2 试验方案

2.3 柔性排水松木锚杆制备

采用直径10mm，长度为300mm的松木锚杆。外包裹土工布用细小的针织线绑扎牢固。试验前将制作好的排水木锚杆置于水中24h，以排除土工布与松木杆材料本身的吸水能力干扰。

2.4 试验装置设计

该试验工况与实际工程相吻合，采用1:1的比例模拟现场，制作了直径100mm，高度300mm圆柱状模型试验装置，承压板规格与传力柱尺寸（外径90mm、高度200mm、内径20mm）相同。

2.5 排水固结试验加载方案

控制试样初始含水率不变，荷载等级分别为6.25kPa、12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa，每级荷载固结完成后，记录土体的压缩量，根据时间平方根法求出固结系数。

2.6 十字板剪切试验

为了探究分级加压固结后土体自身的抗剪强度增长情况，将200kPa荷载固结完成后的试样卸荷并立刻进行剪切试验，试验仪器选用室内电动十字板剪切仪。由式（1）、（2）计算土体的抗剪强度。

式（1）、（2）中：S为十字板剪切强度（kPa），M为剪切抵抗矩（Nm），K为剪切叶片参数，D为叶片宽度 （mm），H为叶片高度（mm）。

3 试验结果分析

3.1 沉降量-时间的关系

N1、N2、N3三种试验土体固结后沉降量与时间的关系如图2所示，固结系数如表3所示。图2中，试样高度越高，其单位时间内的沉降量越大。相同条件下，300mm竖向加径向固结排水试样的沉降量均高于300mm竖向固结排水的试样，200kPa即第144h时三条曲线的沉降量分别为3.76mm、52.20mm、63.91mm，从图分析可知，300mm高度试样均有继续沉降趋势，但无松木杆试样的沉降速度明显放缓，说明外包土工布松木杆能有效加快试样排水固结的速率。2～3mm厚度土工布能够提供一层径向排水途径。由表3可知，相同压力作用下松木杆排水过程中固结系数比纯竖向大，且随着压力增大固结系数增大。固结压力为200kPa时，排水松木杆处理的柱状土层固结系数大约是300mm高度竖向排水的1.38倍。

3.2 孔隙比-固结压力之间的关系

孔隙比与固结压力关系如图3所示，20mm高度试样与300mm高度纯竖向排水试样的压缩曲线无明显区别，相同固结压力下，孔隙比与排水路径有较大关系。排水松木锚杆处理的柱状软土层早期固结沉降效果较明显，0～6.25kPa时孔隙水消散最快，有助于土体前期强度的提高。50～200kPa段孔隙比变化较大，同时说明随着固结压力增大，孔隙比变化趋势较明显，排水松木杆能够保持较好的排水效果。

表3 固结试验结果

图2 固结排水沉降量与时间的关系

图3 三种试验e-P曲线

3.3 土体自身剪应力和剪切位移之间的关系

由图4可知，软土的剪应力增长与排水条件有较大的关系，理论计算分析得到土体自身的抗剪强度，相同固结压力下，径向加竖向排水曲线增长趋势较大，试验前土体处于软塑状态，强度较低，试验后N1、N2两种试验抗剪强度分别为32kPa、41.39kPa。同时剪切位移相差不大，径向加竖向排水土体抗剪强度高于竖向排水，土体抗剪切能力得到适当提高，排水松木杆对于潮湿环境下土遗址加固有较好的实际运用价值。

图4 土体剪应力-剪切位移关系

4 结论与建议

（1）相同条件下，2～3mm厚度排水土工布能够提供一层径向排水路径，排水松木杆能保持较好的排水效果，能有效加快试样排水固结的速率。

（2）随着固结压力增大，排水松木锚杆处理柱状软土层孔隙比变化趋势较明显，早期固结效果显著，50～200kPa段孔隙比减小幅度大，土体密实程度较高。

（3）排水松木锚杆排水固结后土体抗剪强度高于竖向排水，土体自稳能力得到适当加强。

（4）建议设计更大的模型，并对松木杆排水间距、排水界面进一步研究。